管道機(jī)器人CCTV檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

【摘要】本文介紹了國(guó)內(nèi)CCTV檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并結(jié)合國(guó)內(nèi)管道非開挖修復(fù)技術(shù)和進(jìn)口CCTV檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)，給出了一種基于AVR單片機(jī)和R485通信模式的CCTV整體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)描述了CCTV各部分的設(shè)計(jì)思路和工作原理，對(duì)各部分的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電路控制方案都有介紹。

【關(guān)鍵詞】CCTV檢測(cè)；管道機(jī)器人；非開挖修復(fù)；AVR單片機(jī)

1.管道CCTV檢測(cè)系統(tǒng)介紹

管道CCTV（Closed-Circuit Television）檢測(cè)系統(tǒng)是管道閉路電視檢測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是專門應(yīng)用于地下管道檢測(cè)的工具，檢測(cè)距離一般在500米以內(nèi)。隨著國(guó)內(nèi)管道非開挖修復(fù)技術(shù)的日益成熟，CCTV檢測(cè)是管道進(jìn)行修復(fù)和合理養(yǎng)護(hù)的前提，也是管道修復(fù)后復(fù)檢的重要手段，目的是了解管道施工前后的內(nèi)部狀況，消除了人工進(jìn)管檢查所存在的安全隱患，提高了施工效率。

該系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)比較成熟，品牌和型號(hào)很多。目前國(guó)內(nèi)從事管道CCTV檢測(cè)的公司不少，但都是購(gòu)買進(jìn)口設(shè)備或外企獨(dú)資品牌（例如：深圳施羅德），價(jià)格都很昂貴一般在30萬(wàn)元以上。國(guó)內(nèi)還沒有專業(yè)從事CCTV系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)的機(jī)構(gòu)或公司，更沒有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本人結(jié)合國(guó)內(nèi)施工企業(yè)對(duì)CCTV設(shè)備需求以及進(jìn)口CCTV在國(guó)內(nèi)的使用經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)思出一套成本低且容易實(shí)現(xiàn)的CCTV控制系統(tǒng)，下面就詳細(xì)介紹，供廣大讀者參考研究。

2.整體設(shè)計(jì)思路介紹

國(guó)外CCTV系統(tǒng)功能都比較復(fù)雜，造成設(shè)備價(jià)格居高不下，而在施工時(shí)很多情況不需要太多的功能，如在管道HDPE穿插修復(fù)后只需對(duì)脹管情況進(jìn)行外觀檢測(cè)，功能太多造成操作復(fù)雜和維修制造成本高。而我的設(shè)計(jì)立足于國(guó)內(nèi)施工需要，原則是簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低。

CCTV系統(tǒng)分為三大部分：（1）管道智能爬行器。（2）具有計(jì)米功能的自動(dòng)線盤。（3）具有監(jiān)視功能的控制臺(tái)。

市場(chǎng)上的CCTV都需要外部供電，我設(shè)計(jì)的爬行器、線盤和控制臺(tái)都采用內(nèi)置高性能鋰電池，這樣不需要現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電措施，也減少了復(fù)合電纜控制線的數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性和機(jī)動(dòng)性。

與進(jìn)口CCTV一樣，此設(shè)計(jì)也采用有線控制方法，因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)在管道內(nèi)無(wú)法長(zhǎng)距離傳輸，這個(gè)問(wèn)題在世界范圍內(nèi)都沒有解決方法。

控制臺(tái)與爬行器間信號(hào)傳輸方式采用R485通信標(biāo)準(zhǔn)，上行和下行控制板都用AVR ATMEGA16單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理和傳輸控制，當(dāng)然也可以用其它類型單片機(jī)。下面就每部分功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.管道智能爬行器設(shè)計(jì)方案

如下圖所示，爬行器驅(qū)動(dòng)采用兩個(gè)24V二相步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)比直流電機(jī)有更大的扭矩，在斷電時(shí)有鎖緊功能，并且可以在單片機(jī)程序中進(jìn)行方便的調(diào)速。每個(gè)電機(jī)控制一側(cè)的兩個(gè)車輪，車輪間用同步帶連接，這種結(jié)構(gòu)使爬行器在管道中轉(zhuǎn)彎更靈活，也容易在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)，也提高了爬行器翻越障礙物的能力。

本方案是用ATMEGA16單片機(jī)模擬時(shí)序，不用時(shí)序分配電路如L297等，這樣可以節(jié)減小電路板尺寸，調(diào)速時(shí)只需要改變延時(shí)間隔。功率放大電路采用兩個(gè)L298N芯片，該芯片擁有雙H橋電路，支持2A以下的電機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平。L298N與單片機(jī)之間用TLP251光耦隔離開，提高電路板的穩(wěn)定性。此部分電路流程和電路圖如下：

爬行器整體需要作防水設(shè)計(jì)。進(jìn)口CCTV大都采用在爬行器內(nèi)充一定壓力的空氣，對(duì)內(nèi)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)壓力下降立即退出管道。這樣需要在爬行器內(nèi)部增加一個(gè)壓力傳感器，讓單片機(jī)對(duì)其模擬量進(jìn)行控制（AVR單片機(jī)自帶AD轉(zhuǎn)換功能），一旦發(fā)現(xiàn)與設(shè)置值不相符立刻傳輸?shù)讲僮髋_(tái)上顯示。

4.視頻傳輸設(shè)計(jì)

CCTV檢測(cè)系統(tǒng)需要把爬行器采集的實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)酵獠康娘@示器上，傳輸流程如下圖。其中雙絞線傳輸器采用有源傳輸器，視頻信號(hào)的傳輸距離可達(dá)1KM左右，效果好且容易實(shí)現(xiàn)。復(fù)合電纜線為四芯電纜，其中兩路用作傳輸視頻，兩路用于R485信號(hào)傳輸。推薦使用美標(biāo)UL2547AWM多芯屏蔽線，此線不僅重量輕又具有一定的抗拉能力，成本也不高。

字符疊加器（簡(jiǎn)稱OSD）的作用是在視頻中加入需要顯示的信息，如公司名稱、管線名稱、時(shí)間、距離等，疊加器中含有單片機(jī)，檢測(cè)前在疊加器中預(yù)先設(shè)置好，在LCD顯示器就能看到疊加后的視頻。

5.攝像頭設(shè)計(jì)

CCTV所用的攝像頭具有360度旋轉(zhuǎn)功能，用三個(gè)小型直流減速電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)：一個(gè)安裝于爬行器中，控制攝像頭升降使攝像頭處于管道中線位置；一個(gè)安裝于攝像頭后部，控制攝像頭的作平行于管道中心線的360度旋轉(zhuǎn)；第三個(gè)安裝在攝像頭中，控制攝像垂直于管道中心線的360度旋轉(zhuǎn)。這樣攝像頭就在操縱桿的控制下能對(duì)準(zhǔn)管道內(nèi)壁任意一點(diǎn)進(jìn)行近距離觀察。另外整個(gè)攝像頭要作防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求至少能耐1KG的水壓。因篇幅有限，具體結(jié)構(gòu)不再詳述。

6.R485信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)

下位單片機(jī)在爬行器中，上位單片機(jī)在操控臺(tái)中，兩者之間采用R485半雙工通信方式。R485通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)1200米。這里我采用MAX485芯片，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在兩線上都接了一個(gè)10K電阻，兩線間接一個(gè)120歐電阻，單片機(jī)上PD2控制端與MAX485間用光耦隔離。

7.線盤設(shè)計(jì)

線盤是控制臺(tái)與爬行器連接的橋梁，線盤具有盤繞復(fù)合電纜和計(jì)米兩大功能。線盤上的電纜線一端與爬行器相連，另一端接孔水銀滑環(huán)再與控制臺(tái)相連。線盤前部安裝有排線器與旋轉(zhuǎn)編碼器一體的裝置。線盤主軸上安裝有直流減速電機(jī)，在控制臺(tái)上可以控制其轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器連接到一個(gè)單片機(jī)上，單片機(jī)采集編碼器的脈沖并計(jì)算出爬行器前進(jìn)的距離，然后通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)蒋B加器上的單片機(jī)中，最終在視頻中加入實(shí)時(shí)的距離并在LCD上顯示出來(lái)。

8.控制臺(tái)設(shè)計(jì)

控制臺(tái)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下功能設(shè)計(jì)：（1）LCD顯示器，接收字符疊加器輸出的視頻。（2）控制爬行器方向的操作手柄，可以用十字開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（3）爬行器調(diào)速按鈕，現(xiàn)實(shí)中爬行器在啟動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)顫抖，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮爬行器在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)從低速到高速的過(guò)程。（4）控制攝像頭旋轉(zhuǎn)的按鈕或手柄，攝像頭旋轉(zhuǎn)動(dòng)作與爬行器運(yùn)行應(yīng)該互鎖，攝像頭只能在爬行器停止時(shí)工作。（5）控制臺(tái)內(nèi)置高性能鋰電池，同時(shí)給控制臺(tái)和線盤供電，控制臺(tái)和線盤間用多芯航空插頭連接。

管道CCTV檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)械設(shè)計(jì)、密封技術(shù)、自動(dòng)化控制、電子電路設(shè)計(jì)等綜合學(xué)科在專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。進(jìn)口CCTV除了以上所寫功能外還有很多其它輔助功能，如陀螺儀、溫度計(jì)等。隨著電子和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在CCTV上實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越多，與互聯(lián)網(wǎng)、GPS相結(jié)合是主要發(fā)展方向。本方案只是對(duì)CCTV系統(tǒng)的一個(gè)初步構(gòu)思，細(xì)化過(guò)程需要不同專業(yè)的工程師共同努力。

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作者簡(jiǎn)介：楊國(guó)勝，男，工程師，現(xiàn)供職于濮陽(yáng)黃河河務(wù)局，長(zhǎng)期從事通信技術(shù)信息化運(yùn)行與管理。