管道機器人CCTV檢測系統(tǒng)設計探討

【摘要】本文介紹了國內(nèi)CCTV檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并結(jié)合國內(nèi)管道非開挖修復技術和進口CCTV檢測系統(tǒng)在國內(nèi)使用經(jīng)驗，給出了一種基于AVR單片機和R485通信模式的CCTV整體設計方案，詳細描述了CCTV各部分的設計思路和工作原理，對各部分的驅(qū)動機構和電路控制方案都有介紹。

【關鍵詞】CCTV檢測；管道機器人；非開挖修復；AVR單片機

1.管道CCTV檢測系統(tǒng)介紹

管道CCTV（Closed-Circuit Television）檢測系統(tǒng)是管道閉路電視檢測系統(tǒng)的簡稱，是專門應用于地下管道檢測的工具，檢測距離一般在500米以內(nèi)。隨著國內(nèi)管道非開挖修復技術的日益成熟，CCTV檢測是管道進行修復和合理養(yǎng)護的前提，也是管道修復后復檢的重要手段，目的是了解管道施工前后的內(nèi)部狀況，消除了人工進管檢查所存在的安全隱患，提高了施工效率。

該系統(tǒng)在國外已經(jīng)比較成熟，品牌和型號很多。目前國內(nèi)從事管道CCTV檢測的公司不少，但都是購買進口設備或外企獨資品牌（例如：深圳施羅德），價格都很昂貴一般在30萬元以上。國內(nèi)還沒有專業(yè)從事CCTV系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)的機構或公司，更沒有獨立的知識產(chǎn)權。本人結(jié)合國內(nèi)施工企業(yè)對CCTV設備需求以及進口CCTV在國內(nèi)的使用經(jīng)驗，構思出一套成本低且容易實現(xiàn)的CCTV控制系統(tǒng)，下面就詳細介紹，供廣大讀者參考研究。

2.整體設計思路介紹

國外CCTV系統(tǒng)功能都比較復雜，造成設備價格居高不下，而在施工時很多情況不需要太多的功能，如在管道HDPE穿插修復后只需對脹管情況進行外觀檢測，功能太多造成操作復雜和維修制造成本高。而我的設計立足于國內(nèi)施工需要，原則是簡單、實用、成本低。

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

市場上的CCTV都需要外部供電，我設計的爬行器、線盤和控制臺都采用內(nèi)置高性能鋰電池，這樣不需要現(xiàn)場臨時用電措施，也減少了復合電纜控制線的數(shù)量，簡化了設計，提高了設備在現(xiàn)場的適應性和機動性。

與進口CCTV一樣，此設計也采用有線控制方法，因為無線信號在管道內(nèi)無法長距離傳輸，這個問題在世界范圍內(nèi)都沒有解決方法。

控制臺與爬行器間信號傳輸方式采用R485通信標準，上行和下行控制板都用AVR ATMEGA16單片機進行信號處理和傳輸控制，當然也可以用其它類型單片機。下面就每部分功能進行詳細介紹。

3.管道智能爬行器設計方案

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

本方案是用ATMEGA16單片機模擬時序，不用時序分配電路如L297等，這樣可以節(jié)減小電路板尺寸，調(diào)速時只需要改變延時間隔。功率放大電路采用兩個L298N芯片，該芯片擁有雙H橋電路，支持2A以下的電機，標準TTL邏輯電平。L298N與單片機之間用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計。進口CCTV大都采用在爬行器內(nèi)充一定壓力的空氣，對內(nèi)壓力進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)壓力下降立即退出管道。這樣需要在爬行器內(nèi)部增加一個壓力傳感器，讓單片機對其模擬量進行控制（AVR單片機自帶AD轉(zhuǎn)換功能），一旦發(fā)現(xiàn)與設置值不相符立刻傳輸?shù)讲僮髋_上顯示。

4.視頻傳輸設計

CCTV檢測系統(tǒng)需要把爬行器采集的實時圖像傳輸?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，視頻信號的傳輸距離可達1KM左右，效果好且容易實現(xiàn)。復合電纜線為四芯電纜，其中兩路用作傳輸視頻，兩路用于R485信號傳輸。推薦使用美標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、時間、距離等，疊加器中含有單片機，檢測前在疊加器中預先設置好，在LCD顯示器就能看到疊加后的視頻。

5.攝像頭設計

CCTV所用的攝像頭具有360度旋轉(zhuǎn)功能，用三個小型直流減速電機來實現(xiàn)：一個安裝于爬行器中，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準管道內(nèi)壁任意一點進行近距離觀察。另外整個攝像頭要作防水結(jié)構設計，要求至少能耐1KG的水壓。因篇幅有限，具體結(jié)構不再詳述。

6.R485信號傳輸設計

下位單片機在爬行器中，上位單片機在操控臺中，兩者之間采用R485半雙工通信方式。R485通信距離最遠可達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10K電阻，兩線間接一個120歐電阻，單片機上PD2控制端與MAX485間用光耦隔離。

7.線盤設計

線盤是控制臺與爬行器連接的橋梁，線盤具有盤繞復合電纜和計米兩大功能。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，在控制臺上可以控制其轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器連接到一個單片機上，單片機采集編碼器的脈沖并計算出爬行器前進的距離，然后通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)蒋B加器上的單片機中，最終在視頻中加入實時的距離并在LCD上顯示出來。

8.控制臺設計

控制臺應重點考慮以下功能設計：（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，可以用十字開關來實現(xiàn)。（3）爬行器調(diào)速按鈕，現(xiàn)實中爬行器在啟動瞬間會出現(xiàn)顫抖，因此在程序設計時應該考慮爬行器在啟動時有一個從低速到高速的過程。（4）控制攝像頭旋轉(zhuǎn)的按鈕或手柄，攝像頭旋轉(zhuǎn)動作與爬行器運行應該互鎖，攝像頭只能在爬行器停止時工作。（5）控制臺內(nèi)置高性能鋰電池，同時給控制臺和線盤供電，控制臺和線盤間用多芯航空插頭連接。

管道CCTV檢測系統(tǒng)是一個集機械設計、密封技術、自動化控制、電子電路設計等綜合學科在專業(yè)領域中的應用。進口CCTV除了以上所寫功能外還有很多其它輔助功能，如陀螺儀、溫度計等。隨著電子和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在CCTV上實現(xiàn)的功能也越來越多，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CCTV系統(tǒng)的一個初步構思，細化過程需要不同專業(yè)的工程師共同努力。

參考文獻

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[2]唐國棟，高云國.基于L297/L298芯片步進電機的單片機控制[J].微計算機信息，2006，22.

作者簡介：楊國勝，男，工程師，現(xiàn)供職于濮陽黃河河務局，長期從事通信技術信息化運行與管理。