核工業(yè)耐輻照云臺攝像頭裝置的設計與功能

袁徽涌 高鵬飛 趙曉龍

（北京軒宇智能科技有限公司，北京 100086）

隨著核能技術的不斷開發(fā)和利用，各類核電站以及核能利用裝置也逐漸在一線中投產(chǎn)。這些核能利用設施在給社會帶來極大福利的同時，其工作場所的安全穩(wěn)定運行也面臨嚴峻考驗?？焖俨⑶矣行У乇O(jiān)督生產(chǎn)流水線的工作情況，成為安全生產(chǎn)的必備要求[1]?；诖?，該文開發(fā)了一種針對輻照云臺的攝像頭裝置，該裝置能夠廣泛地應用在各類核能工業(yè)以及高放射性的生產(chǎn)監(jiān)控體系中。

1 系統(tǒng)構建及功能設計

耐輻射攝像機是針對核電站等高輻射環(huán)境下的應用而設計的，它能夠在高輻射環(huán)境下完成觀察、監(jiān)視等工作。因為核工業(yè)環(huán)境內可能存在劑量不同的輻射，而輻射會對攝像成像器材核心傳感器CCD 或者CMOS 造成致命的損傷；所以在輻射環(huán)境內使用的攝像頭都需要進行專門的防輻射處理，傳統(tǒng)的方法是在鏡頭外部包裹高比重金屬材料（例如不銹鋼、鴿合金或鉛合金）來屏蔽輻射[2]。在光軸上放置含鉛玻璃來屏蔽與可見光一起射入的射線。但是由于鉛玻璃不能完全阻隔伽馬射線等常見射線，因此會導致內環(huán)境的成像質量下降。為了有效地平衡二者之間的互相影響，因此需要研制一款體積小巧、重量較輕且成像質量優(yōu)良的新型防輻射攝像頭，同時該攝像頭還要具備體積小、重量輕、結構緊湊、可靠性高以及耐輻射能力強等特點。耐輻照攝像頭主要是由攝像頭主體、數(shù)據(jù)傳輸設備及裝置組成。攝像頭的部分主體以及傳輸部分主要由鋁箔包裹起來，有效地防止可見光對電磁信號的干擾。同時攝像頭采集到的視頻信號能夠通過USB通信線纜實時地傳輸?shù)接嬎銠C中，通過有線傳輸最大程度地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[3]。

但是在輻射環(huán)境中，除了可見光以外，還有很多種輻射射線，例如伽馬射線，而這些射線會對攝像頭核心傳感器CCD 和CMOS 等半導體造成很大損害，使攝像頭的快速實效。而在輻射環(huán)境中，對視頻信息的獲取尤其重要，因此需要研制防輻射攝像頭。攝像頭屬于電子設備，常見的電子設備中受到的干擾通常是由EMI 中非線性元件造成的，其內部結構通常是由時鐘電路、振蕩器、開關電源噪聲、數(shù)字邏輯電路和處理器組成[4]。這些部分幾乎是所有電子設備所共有的，因此其頻率都分布在短波和微波頻段，頻率較高。所有的設備在出廠前都會經(jīng)過EMI 測試，確保其輻射能量的數(shù)值會控制在一定的標準范圍內，有的電子設備有屏蔽層，該信號是十分微弱的，在一個大范圍內容易被其他環(huán)境噪聲淹沒；因此在進行性能測試時，需要重點檢測該內容。

2 攝像頭系統(tǒng)的軟硬件及控制系統(tǒng)設計

在實際的核能產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)中，由于工作場地基本都是密封場地，人員不得進入，云臺攝像頭發(fā)生故障時只能通過動力機械手進行快速更換。因此在對硬件系統(tǒng)進行設計時，其性能參數(shù)的設計至關重要。在設計硬件功能時，需要充分考慮可能出現(xiàn)的各種意外情況。在實際的工作進程中可以通過動力手臂進行遠程快換，能夠有效地對物料進行實時監(jiān)控和跟隨監(jiān)控，視覺跟隨技術組件主要是通過貨叉來實現(xiàn)轉運；因此在該過程中，組件對貨叉狀態(tài)的監(jiān)控至關重要。該文設計的攝像頭裝置的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和貨叉的隨動技術在核工業(yè)領域內尚屬首次應用，在叉取的過程中，攝像頭與貨叉進行聯(lián)動；攝像頭能夠快速地進行切換。視頻系統(tǒng)根據(jù)接收的信號切換到對應區(qū)域攝像頭的圖像，實現(xiàn)視覺跟隨的功能。監(jiān)視貨叉叉取的過程中，攝像頭與貨叉進行聯(lián)動，保證組件的安全性。根據(jù)轉運流程切換到相關畫面，畫面按照區(qū)域顯示、切換。實現(xiàn)了貨叉與攝像頭的聯(lián)動，貨叉運行到相應位置，攝像頭就旋轉到與貨叉對應好的坐標點。旋轉攝像頭控制網(wǎng)絡結構如圖1 所示。

圖1 旋轉攝像頭控制網(wǎng)絡圖

在實際的運行過程中，需要實時觀察組件運行的狀況以及監(jiān)視貨叉叉取組件的運行狀態(tài)，根據(jù)轉運流程切換到相應的畫面；在轉運組件時，顯示屏對應組件所在的不同區(qū)域進行切換，這兩項技術可提高產(chǎn)線運行的可靠性以及產(chǎn)線的智能化程度，達到人機結合的效果。其功能的組成部分如下：1）組件轉運跟蹤功能。視頻系統(tǒng)中設定有多個監(jiān)控坐標。每個監(jiān)控坐標對應不同的監(jiān)控區(qū)域，當轉運車轉運時，視頻系統(tǒng)通過設備運行數(shù)據(jù)判斷當前設備的運行區(qū)域，并控制旋轉攝像頭旋轉到該區(qū)域對應的坐標，從而實現(xiàn)對組件轉運的跟蹤。2）畫面自動切換功能。轉運車轉運組件時，視頻系統(tǒng)通過讀取轉運車的狀態(tài)信息自動地把監(jiān)控畫面切換到設備轉運區(qū)域的攝像頭畫面上，實現(xiàn)對轉運過程的實時監(jiān)控。3）場景切換功能。通過操作屏切換視頻監(jiān)控場景來切換不同顯示屏要監(jiān)控的設備區(qū)域。其裝置的空間位置關系圖如圖2 所示。

圖2 裝置的位置區(qū)域

如圖2 所示，攝像頭位于D 區(qū)域的上部，通過旋轉攝像頭預先設定多個區(qū)域坐標，當組件轉運到某個區(qū)域時，視頻系統(tǒng)對其進行聯(lián)動跟蹤，通過采集到的數(shù)據(jù)判斷組件的轉運區(qū)域，并控制攝像頭運行到該區(qū)域的位置坐標，實現(xiàn)對組件轉運的跟蹤。

3 耐輻照云臺攝像頭單體選型設計

3.1 圖像傳感器選型

攝像頭是目前各路監(jiān)控電子系統(tǒng)中應用最為廣泛的圖像傳感器，依據(jù)圖像信號處理方式的不同，可以分為模擬類型號傳感器和數(shù)字類信號傳感器。同時，根據(jù)采用芯片的不同，也可以分為CMOS 型芯片和CCD 模擬芯片；但是模擬芯片類的攝像頭在圖像質量、感光度和噪聲等方面的效果都比數(shù)字類攝像頭更好，因此該文最終采用Sony 的模擬CCD 攝像頭作為循跡機器人的圖像傳感器，攝像頭的分辨率參數(shù)至少能夠達到30 萬像素，輸出的信號每秒能夠傳輸60 張圖像。

3.2 視頻信號處理

機器人采用CCD模擬攝像頭作為圖像傳感器，采集過程中首先需要分裂輸出的復合視頻信號，在系統(tǒng)內分解成為脈沖信號和同步脈沖信號。該文采用LM1881 視頻同步信號來提取圖像信號中的時序信息，并且在采集過程中轉換成TTL的電平信號，直接輸出給單片機的I/O 口（作為中斷控制信號）。

3.3 硬件二值化電路

由于模擬攝像頭采集到的信息主要是模擬信號，并不能直接被單片機處理，因此還需要將模擬得到的灰度信號轉換成為數(shù)字信號才能被利用。模數(shù)的轉化過程中采用的是AD芯片；在傳輸至單片機之后，通過二值化閥值進行黑白判斷，但是由于不同環(huán)境下的二值化閥值的大小往往不同，因此極大地影響了軟件算法的適應性?；诖?，該文將模擬CCD信號值直接輸入單片機的一位I/O 口中，并在端口中進行讀取。此時1 代表的是采集到的白色圖像，而0 代表的是采集的黑色圖像。根據(jù)現(xiàn)場的光照等因素，通過調節(jié)滑動變阻器就能夠有效地改變圖像的二值化閾值。

3.4 電機驅動模塊

電路是由2 片IR2060 半橋式芯片和4 片NMOS 的驅動芯片搭建而成的，其中攝像頭的功能單體模型如圖3 所示。

圖3 攝像頭耐輻照云臺攝像頭

耐輻照云臺的模型編號包括1 浮動夾頭、2 防護罩、3耐輻照攝像頭、4 攝像頭驅動機構、5 導向套、6 導向塊、7底座、8 水平旋轉驅動機構、9 水平旋轉限位以及10 攝像頭旋轉限位。模型功能見表1。

表1 功能名稱列表及功能表述

通過對各類構件的功能進行組合，能夠有效地隔絕各類輻射射線，最大程度地保證設備的運行安全。在輻射機理中，主要通過原子能級躍遷產(chǎn)生的高能輻射，其波長很短，都具有較高的穿透能力。以伽馬射線為例，在遇到非金屬材料或較薄金屬時，可以直接穿透物體；但遇到反射鏡面時，并不會像可見光一樣被反射而改變傳播路線。利用可見光和輻射射線物理性質的不同，可以通過反射鏡分離射線和可見光的傳播路徑。因此，該文采用復合型結構充分地保證了攝像頭的運行安全和穩(wěn)定性。在該過程中，能夠實現(xiàn)的作用主要有以下3 點。

3.4.1 云臺控制功能

通過鼠標的點選和滾輪的滾動能夠實現(xiàn)前端攝像機的鏡頭變焦、圖像放大和縮小，通過方向鍵可以控制云臺在各個方向上的轉動。并且通過單擊按鍵就可以實現(xiàn)自動掃描的過程。按照權限進行分配，控制級別高的可以優(yōu)先對云臺進行控制。

3.4.2 數(shù)字矩陣功能

畫面內支持各類單像畫面、四想畫面以及多向畫面，能夠通過監(jiān)控主機實現(xiàn)對輸出外掛解碼的控制。其控制模式主要包括組切換、點對點切換和計劃切換等，可以實現(xiàn)數(shù)字矩陣功能。

3.4.3 錄像及回放功能

管理人員可以結合多個時間段設定的方式進行錄像，錄像結果實時保存在主機硬盤中，便于后期實時查看。其中錄像的方式可以分為定時錄像和單次錄像2 種模式。

4 豎直角度調整機構傳動計算

4.1 最大輸出轉速

最大輸出轉速計算過程如公式（1）所示。

式中：n電為電機轉速；i為傳動減速比。

已知，傳動減速比i=30，電機的最大轉速為nm=15 rps。

由公式（1）計算可得n輸=0.5 rps。

4.2 最大負載

最大負載計算過程如公式（2）所示。

式中：fm為最大負載扭矩；lm為最大力臂；m為攝像機重量；g為重力加速度。

已知，lm=170 mm，m=5.5 kg。

由公式（2）計算可得fm=9.2 N·m。

4.3 最小輸出扭矩

最小輸出扭矩計算過程如公式（3）所示。

式中：η為傳動效率；f電為電機輸出扭矩。

當電機轉速為最大轉速nm=15 rps 時，f電=0.5 N·m，此時的電機輸出扭矩最小。

已知，η=85%。

由公式（3）算可得f輸=12.75 N·m。

綜上可得f輸>fm，豎直角度調整機構傳動設計合理。

5 結語

該文針對核工業(yè)的現(xiàn)場工作環(huán)境開發(fā)了一種耐輻照的云臺攝像頭，同時參照核能工業(yè)的實際產(chǎn)能，依據(jù)流水線的功能需求展開了對產(chǎn)品的設計，通過建立輻照云平臺的攝像頭裝置，有效地保證了核能流水線的安全穩(wěn)定運行。對系統(tǒng)運行過程中軟硬件系統(tǒng)的功能進行了設計，并依據(jù)各個子節(jié)點的功能需求明確了功能列表及功能表述，實現(xiàn)了自動化的運行。該文設計的系統(tǒng)自動化程度較高，能夠實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)探測、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)保存的全過程功能，進而最大限度地保障現(xiàn)場工作人員的生命財產(chǎn)安全，同時該文結合系統(tǒng)結構的性能參數(shù)需求，對結構內部的豎直角度調整機構傳動過程進行了演算，最大限度地保證了系統(tǒng)結構運行的穩(wěn)定性和合理性。同時在單體裝置的軟硬件功能板塊，尤其重點介紹了組件轉運跟蹤、畫面的自動切換以及場景切換，充分保證了構件設計功能的穩(wěn)定性。