CCTV管道檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)分析

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摘要：隨著管道在工業(yè)生產(chǎn)及人民生活中的廣泛應(yīng)用，我國每年需要耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行管道的清潔和維護(hù),大量管道因管內(nèi)環(huán)境或架設(shè)地點(diǎn)危險(xiǎn)而無法進(jìn)行維護(hù)。為了解決這些問題，本文綜合運(yùn)用嵌入式、自動(dòng)控制、3D打印等技術(shù)設(shè)計(jì)了一款基于cctv的管道機(jī)器人，該機(jī)器人可攜帶檢測及清潔設(shè)備，操作人員通過控制臺(tái)控制機(jī)器人進(jìn)入管道進(jìn)行管道情況檢查和管道內(nèi)壁清潔,可以保證工作人員安全并節(jié)省大量費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：CCTV；管道檢測

引言

管道在石油儲(chǔ)運(yùn)、天然氣運(yùn)輸、國防科技等方面廣泛應(yīng)用，很多管道是豎直架設(shè)、架設(shè)在高空、埋于地下，這些管道的維護(hù)費(fèi)力、費(fèi)用昂貴且易發(fā)生安全事故。我國每年在管道監(jiān)測維修方面耗資巨大，因高空作業(yè)造成的人員傷亡事故以及由于管道故障維修地點(diǎn)空間狹小影響維護(hù)或放棄監(jiān)測、維修的現(xiàn)象數(shù)不勝數(shù)。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于CCTV的管道檢測機(jī)器人，可攜帶檢測設(shè)備和各種儀器進(jìn)入高空管道及地下管道，完成對檢測管道等任務(wù)。

1CCTV系統(tǒng)介紹

管道閉路電視檢測系統(tǒng)(CCTV：Closed-CircuitTelevision)是專門進(jìn)行地下管道檢測的工具，CCTV檢測系統(tǒng)包括三個(gè)部分：智能爬行器、自動(dòng)線盤以及視頻控制臺(tái)，易于操作，便于移動(dòng)，能夠?qū)Λ@取影像進(jìn)行處理，對攝像頭的旋轉(zhuǎn)和定位進(jìn)行記錄，具有高質(zhì)量的圖像記錄和文字編輯功能[1]。

2整體設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人主體為攝像小車和PC機(jī)。選用的CCTV型號(hào)根據(jù)管徑大小確定。在進(jìn)行管道檢查前，為保證車體順利通過，首先要使用高壓沖洗車沖洗管段，然后暫時(shí)將上游排水管封堵，將污水抽至污水井中，待被觀察管道中水深降至低于CCTV攝像頭位置時(shí)即可投入工作[2-3]。

3系統(tǒng)方案

3.1總體構(gòu)架

管道機(jī)器人分為外部控制系統(tǒng)和管內(nèi)執(zhí)行系統(tǒng)兩大部分組成；管壁內(nèi)執(zhí)行系統(tǒng)又包括檢測系統(tǒng)、清理系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。管道機(jī)器人通過動(dòng)力系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、清理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等部分完成運(yùn)動(dòng)控制、管道內(nèi)部環(huán)境檢測、管道清理及通信等工作。檢測系統(tǒng)：主要完成管道內(nèi)的照明，管道內(nèi)溫度和壓力的檢測。清理系統(tǒng)：主要完成管道內(nèi)壁的清理。視頻系統(tǒng)：配合照明系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集，方便用戶觀察管道內(nèi)情況。監(jiān)測系統(tǒng)：通過檢測系統(tǒng)獲取的管道內(nèi)壁溫度和管道內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行計(jì)算和現(xiàn)實(shí)輸出。密封車體：車體由亞克力材料制作而成，電纜等開口部分使用環(huán)氧樹脂防水玻璃膠進(jìn)行密封，保證車體在嚴(yán)格密封的情況下允許通過電纜進(jìn)行內(nèi)外通信。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于CCTV的管道檢測機(jī)器人包含控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等部分。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)電路圖如圖2所示。

3.2.1控制核心控制模塊包括機(jī)體控制部分及手柄控制部分，其中機(jī)體控制部分核心板使用ArduinoMega2560開發(fā)板，手柄控制部分核心開發(fā)板使用ArduinounoR3展板。

3.2.2傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)包含數(shù)字溫度傳感器和流體壓力傳感器。在檢測管道前，采用溫度傳感器DS18B20和流體壓力傳感器BA5803，對需要對管道內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行溫度和壓力檢測。溫度傳感器使用DS18B20，這款溫度傳感器接線方便，封裝后可滿足管道檢測、電纜溝測溫等多種非極限溫度的測溫要求。流體壓力傳感器選用BA5803，這是一款采用MEMS技術(shù)將高線性壓力傳感器與一個(gè)低功耗的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）集成于一體的數(shù)字氣壓傳感器模塊，支持SPI和I2C總線傳輸協(xié)議，可與任何微處理器匹配工作。

3.2.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包含PAL制視頻系統(tǒng)和TTL轉(zhuǎn)232模塊，管道內(nèi)照明控制系統(tǒng)配合PAL制視頻采集系統(tǒng)方便用戶觀察管道內(nèi)情況。PAL(PhaseAlterationLine)系統(tǒng)是逐行倒置相位也是一個(gè)同步系統(tǒng)。它對同時(shí)傳送的兩個(gè)色差信號(hào)中的一個(gè)色差信號(hào)采用逐行倒相，另一個(gè)色差信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制方式。在該管道檢測機(jī)器人中利用PAL制攝像頭采集視頻并實(shí)時(shí)顯示。TTL轉(zhuǎn)RS232電平串口模塊，采用2.0mm間距4芯和6芯的雙接口，兼容相應(yīng)模塊。使用TTL轉(zhuǎn)RS232模塊，是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所在PC機(jī)和管道機(jī)器人控制核心之間的串口通信電平保持一致，保證二者之間的順利通信。

3.2.4運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為保證機(jī)器人平穩(wěn)通過直線管道且在管道轉(zhuǎn)彎處能夠?qū)艿拉h(huán)境自適應(yīng)，機(jī)器人采用四驅(qū)方式及萬向輪，保證動(dòng)力和適應(yīng)能力。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)系統(tǒng)和減震調(diào)距系統(tǒng)組成。為了適應(yīng)不同管道，將電機(jī)支架做成螺紋伸縮桿，調(diào)節(jié)范圍在5cm~15cm之間，采用雙螺母鎖死，可保證支架完全鎖死;減震調(diào)距系統(tǒng)使用可調(diào)節(jié)彈簧，使輪距可調(diào)節(jié)，且具有良好的減震作用[8-9]。機(jī)體驅(qū)動(dòng)采用大功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960組成的H橋驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊具有過熱過流保護(hù)功能。雙BTS7960H橋驅(qū)動(dòng)電路，具有強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)和剎車效果，采用74HC244芯片有效隔離單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3.2.5清潔系統(tǒng)清潔系統(tǒng)包含高壓水泵和清潔刷，主要作用是通過高壓水泵噴水，配合清潔刷，對管道內(nèi)壁的污垢進(jìn)行清洗。

3.2.6遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電控制系統(tǒng)主要由繼電器和相關(guān)電路組成，通過遠(yuǎn)程5V供電控制繼電器從而控制密封倉內(nèi)電壓的通斷。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

操作人員通過控制臺(tái)發(fā)出指令，主控板接收通過串口發(fā)送的指令后對信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)信號(hào)與程序設(shè)定信號(hào)匹配時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)命令。指令解析的流程圖如圖4所示。

4項(xiàng)目特色

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用自主設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，能夠在進(jìn)行管道巡檢的同時(shí)完成管道清潔功能；可遠(yuǎn)程控制及照明；進(jìn)行視頻傳輸、數(shù)據(jù)傳輸。在設(shè)計(jì)完成過程中結(jié)合3D打印技術(shù)，機(jī)器人控制臺(tái)、彈簧固定底座、連桿支座、機(jī)體后蓋、隔板等部件均由學(xué)生建模并自主打印。該機(jī)器人“博創(chuàng)杯”全國大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽、全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競賽等各類競賽中獲得優(yōu)異成績。

5結(jié)論

本文通過綜合運(yùn)用嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、視頻傳輸、3D打印等多種技術(shù)設(shè)計(jì)完成了一款基于CCTV的管道檢測機(jī)器人，該機(jī)器人可完成管道檢測及清潔工作，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，可攜帶大量傳感器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸快捷，遠(yuǎn)程控制保證操作者工作環(huán)境安全，并能通過人機(jī)交互方式實(shí)施觀察機(jī)器人工作狀態(tài)，獲取檢測目標(biāo)信息和圖像，具有較強(qiáng)的工作效率和環(huán)境應(yīng)對能力。

作者：張晶 王紅鷹 藍(lán)天蘭 單位：州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心