基于電纜高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的管道爬行機(jī)器人研究

嚴(yán)正國(guó)+楚航

摘要：為了解決管道爬行機(jī)器人在管道中高速、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸管道中的高清圖像與數(shù)據(jù)，本文采用電纜高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)使高清的圖像以及實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)與機(jī)器人間的高速、長(zhǎng)距離通信。通過(guò)高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭將拍攝到的圖像進(jìn)行編碼、壓縮，經(jīng)過(guò)高速圖傳模塊后通過(guò)高速電纜進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)解調(diào)、圖像解碼后，可以進(jìn)行錄像、存儲(chǔ)、回放。同時(shí)，高速網(wǎng)絡(luò)圖傳技術(shù)也可運(yùn)用于測(cè)井中，提高靈活性。

關(guān)鍵詞：高速；長(zhǎng)距離通信；高清圖像；高速圖傳

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）34-0188-02

Abstract： In order to solve the pipeline crawl robot in pipeline of high-speed， long-distance real-time transmission pipeline high-definition images and data， this paper adopts high speed cable network transmission technology make high-definition images， and real-time data transmission to the PC system， realize the main control system and machine of high speed and long distance communication. Through the hd webcam captured image coding and compression， after high speed figure pass module through the high-speed cable transmission， after demodulation， image decoding， video， storage， playback. At the same time， the high-speed network diagram and technology can also be used in well logging， improve flexibility.

Key words： high speed； long-distance communication； high-definition images； high speed figure pass

工業(yè)與城市發(fā)展中，管道已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，且工業(yè)管道與石油管道通常傳輸距離達(dá)幾公里甚至幾十公里。由于腐蝕、重壓等作用，管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂紋、漏孔等現(xiàn)象，或是由于建筑物在管道之上，人們不方便進(jìn)入或者由于空間狹小不允許人們進(jìn)入，這時(shí)管道爬行機(jī)器人的出現(xiàn)就顯得極為的重要。而國(guó)內(nèi)大多管道爬行機(jī)器人只能爬行幾百米，國(guó)外最先進(jìn)的管道爬行機(jī)器人也只能爬行2000m，這就使得長(zhǎng)距離通信技術(shù)變得尤為重要。管道機(jī)器人是一種先進(jìn)的管道檢測(cè)設(shè)備，它可以攜帶一種或者多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道檢測(cè)工作[1]。

圖1 管道機(jī)器人技術(shù)對(duì)比

上圖為國(guó)外兩款最先進(jìn)的管道爬行機(jī)器人與我們實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的管道爬行機(jī)器人進(jìn)行的技術(shù)對(duì)比圖，可以看出我們的管道爬行機(jī)器人不同于大多數(shù)的管道機(jī)器人，采用數(shù)字圖像進(jìn)行傳輸，有著更遠(yuǎn)的通信距離。管道爬行機(jī)器人是否能爬的遠(yuǎn)，是否能將圖像、數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸給主控系統(tǒng)，關(guān)鍵在于電纜是不是能夠高速傳輸。目前絕大多數(shù)的管道爬行機(jī)器人采用的是模擬信號(hào)傳輸方式。模擬圖像信號(hào)當(dāng)在電纜上傳輸距離大于2000米時(shí)，信號(hào)失真嚴(yán)重、信噪比降低、圖像模糊、同步不良。而對(duì)于數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a壓縮，便可適用于遠(yuǎn)距離傳輸，且信號(hào)完整，不失真，成本也較低。數(shù)字傳輸適用于較遠(yuǎn)距離的傳輸，也能適用于性能較差的線路[2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了使機(jī)器人高速、實(shí)時(shí)的與主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，本次管道爬行機(jī)器人系統(tǒng)主要由三部分組成：主控系統(tǒng)、高速電纜、機(jī)器人部分。人機(jī)顯示屏通過(guò)串行通信顯示機(jī)器人在管道中檢測(cè)的溫濕度、氣體信息以及姿態(tài)數(shù)據(jù)；通過(guò)遙控手柄控制管道爬行機(jī)器人在管道中進(jìn)行隨意地行走，使其能夠運(yùn)動(dòng)自如。主控系統(tǒng)的一端連接高速遙傳模塊，一端連接電纜，通過(guò)兩個(gè)高速遙傳模塊連接在電纜的兩端，使得機(jī)器人可以高速的將其在管道中采集到的圖像及數(shù)據(jù)信息傳遞給主控系統(tǒng)。而對(duì)于機(jī)器人部分，主控處理器通過(guò)控制舵機(jī)使高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭將拍攝到的圖像信息傳遞給主控系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)發(fā)出PWM波控制電機(jī)使得其拖動(dòng)機(jī)器人與電纜在管道中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，加速度陀螺儀將檢測(cè)管道中的傳感器信號(hào)顯示在人機(jī)顯示屏上，以供工作人員進(jìn)行進(jìn)一步的指示命令。

2 電纜網(wǎng)絡(luò)高速圖傳模塊

傳統(tǒng)電纜帶寬比較小，當(dāng)遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)時(shí)，不能達(dá)到高速傳輸，目前絕大多數(shù)視頻傳輸系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的模擬傳輸方式。模擬傳輸是傳輸模擬信號(hào)的方法，在傳輸過(guò)程中，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)一定距離的傳輸之后，必定會(huì)信號(hào)衰減，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，模擬信號(hào)傳輸都要使用信號(hào)放大器，但是放大器也會(huì)增加噪音分量，如果通過(guò)串聯(lián)的放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，信號(hào)將會(huì)越來(lái)越畸形[3]。而光纖雖然傳輸特性比較好，但由于其抗拉性不好，在復(fù)雜的管道中會(huì)由于其強(qiáng)度不夠，造成光纖損傷，對(duì)于圖像和數(shù)據(jù)等信息無(wú)法有效的傳輸。因此遙傳技術(shù)已經(jīng)成了制約成像測(cè)井系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。從某種程度上說(shuō)，遙傳技術(shù)的水平代表了測(cè)井采集系統(tǒng)的水平[4]。

電纜高速圖傳模塊有著三大特點(diǎn)：其一，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，而這種自適應(yīng)性分為速率自適應(yīng)和電纜自適應(yīng)，當(dāng)接上電纜后其會(huì)自動(dòng)匹配電纜，自動(dòng)連接；其二具有高速傳輸特性，當(dāng)高速遙傳接上1000m的電纜，速度會(huì)達(dá)到5Mb/s，當(dāng)高速遙傳接上7000m的電纜，速度會(huì)達(dá)到1.5Mb/s，可以高速的傳輸管道機(jī)器人拍攝到的信息，以及獲取的數(shù)據(jù)；其三具有網(wǎng)絡(luò)接口，用的時(shí)候接上網(wǎng)線就能夠使用，對(duì)于工作人員極為的方便。

3 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

測(cè)試之前，連接好高速網(wǎng)絡(luò)圖傳模塊，未建立連接時(shí)，高速遙傳的紅燈亮表示遙傳與電纜未建立起鏈接關(guān)系，當(dāng)綠燈開(kāi)始亮起，由慢閃變?yōu)榭扉W，表示正在自適應(yīng)電纜，正在建立鏈接，當(dāng)綠燈常亮，表明建立鏈接完成。打開(kāi)電腦網(wǎng)絡(luò)配置，設(shè)置合適的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，之后打開(kāi)電腦軟件，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攝像頭IP地址的搜索后，下圖是在管道中捕獲到的管道圖像。

4 結(jié)論

本文介紹了管道爬行機(jī)器人在管道中運(yùn)行的系統(tǒng)組成，及電纜高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在管道爬行機(jī)器人上的應(yīng)用。通過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證，可以得出電纜高速圖傳模塊可以很好的應(yīng)用于機(jī)器人上，它的寬度只有28cm寬，由于體積小可以進(jìn)入內(nèi)徑小的管徑；由于傳輸板有網(wǎng)絡(luò)接口、電纜接口，更為方便，用兩芯即可進(jìn)行供電，傳輸信號(hào)信息；同時(shí)電纜高速模塊具有自適應(yīng)、自動(dòng)連接、自動(dòng)匹配的優(yōu)點(diǎn)，還可以進(jìn)行高速傳輸，可以在7000m電纜的距離達(dá)到傳輸速率1.5Mb/s，在1000m電纜的距離傳輸速率達(dá)到5Mb/s。電纜高速圖傳模塊不僅可以應(yīng)用于主控處理器與主控系統(tǒng)間進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，同時(shí)也可以應(yīng)用于水文測(cè)井、石油測(cè)井等領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 甘小明，徐濱士，董世運(yùn).管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003（6）.

[2] 何小敏，王正勇.數(shù)字圖像通信及其應(yīng)用[M].成都：四川大學(xué)出版社，2006.

[3] 李燕杰.模擬信號(hào)源的研究與設(shè)計(jì)[J].河北：河北師范大學(xué)，2007.

[4] 楊建軍，林興春，郝秀權(quán)等.測(cè)井電纜通信系統(tǒng)綜述.石油儀器，2007，21（3）：1-4.