CCTV管道檢測機器人設計分析

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摘要：隨著管道在工業生產及人民生活中的廣泛應用，我國每年需要耗費大量人力物力進行管道的清潔和維護,大量管道因管內環境或架設地點危險而無法進行維護。為了解決這些問題，本文綜合運用嵌入式、自動控制、3D打印等技術設計了一款基于cctv的管道機器人，該機器人可攜帶檢測及清潔設備，操作人員通過控制臺控制機器人進入管道進行管道情況檢查和管道內壁清潔,可以保證工作人員安全并節省大量費用。

關鍵詞：CCTV；管道檢測

引言

管道在石油儲運、天然氣運輸、國防科技等方面廣泛應用，很多管道是豎直架設、架設在高空、埋于地下，這些管道的維護費力、費用昂貴且易發生安全事故。我國每年在管道監測維修方面耗資巨大，因高空作業造成的人員傷亡事故以及由于管道故障維修地點空間狹小影響維護或放棄監測、維修的現象數不勝數。針對這一問題，本文設計了一款基于CCTV的管道檢測機器人，可攜帶檢測設備和各種儀器進入高空管道及地下管道，完成對檢測管道等任務。

1CCTV系統介紹

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

2整體設計思路

本文設計的管道檢測機器人主體為攝像小車和PC機。選用的CCTV型號根據管徑大小確定。在進行管道檢查前，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攝像頭位置時即可投入工作[2-3]。

3系統方案

3.1總體構架

管道機器人分為外部控制系統和管內執行系統兩大部分組成；管壁內執行系統又包括檢測系統、清理系統和動力系統。管道機器人通過動力系統、檢測系統、清理系統、通信系統等部分完成運動控制、管道內部環境檢測、管道清理及通信等工作。檢測系統：主要完成管道內的照明，管道內溫度和壓力的檢測。清理系統：主要完成管道內壁的清理。視頻系統：配合照明系統進行視頻采集，方便用戶觀察管道內情況。監測系統：通過檢測系統獲取的管道內壁溫度和管道內的壓力數據發送到監測系統，進行計算和現實輸出。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氧樹脂防水玻璃膠進行密封，保證車體在嚴格密封的情況下允許通過電纜進行內外通信。

3.2系統硬件設計

本文設計的基于CCTV的管道檢測機器人包含控制系統、運動控制系統、傳感器系統、通信系統、清潔系統、視頻系統等部分。結構圖如圖1所示。控制系統電路圖如圖2所示。

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

3.2.2傳感器系統傳感器系統包含數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，對需要對管道內的環境進行溫度和壓力檢測。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技術將高線性壓力傳感器與一個低功耗的24位模數轉換電路（ADC）集成于一體的數字氣壓傳感器模塊，支持SPI和I2C總線傳輸協議，可與任何微處理器匹配工作。

3.2.3數據處理系統數據處理系統主要包含PAL制視頻系統和TTL轉232模塊，管道內照明控制系統配合PAL制視頻采集系統方便用戶觀察管道內情況。PAL(PhaseAlterationLine)系統是逐行倒置相位也是一個同步系統。它對同時傳送的兩個色差信號中的一個色差信號采用逐行倒相，另一個色差信號進行正交調制方式。在該管道檢測機器人中利用PAL制攝像頭采集視頻并實時顯示。TTL轉RS232電平串口模塊，采用2.0mm間距4芯和6芯的雙接口，兼容相應模塊。使用TTL轉RS232模塊，是數據處理系統所在PC機和管道機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運動系統為保證機器人平穩通過直線管道且在管道轉彎處能夠對管道環境自適應，機器人采用四驅方式及萬向輪，保證動力和適應能力。運動系統主要由電機系統和減震調距系統組成。為了適應不同管道，將電機支架做成螺紋伸縮桿，調節范圍在5cm~15cm之間，采用雙螺母鎖死，可保證支架完全鎖死;減震調距系統使用可調節彈簧，使輪距可調節，且具有良好的減震作用[8-9]。機體驅動采用大功率驅動芯片BTS7960組成的H橋驅動模塊，該模塊具有過熱過流保護功能。雙BTS7960H橋驅動電路，具有強勁的驅動和剎車效果，采用74HC244芯片有效隔離單片機與電機驅動。

3.2.5清潔系統清潔系統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，對管道內壁的污垢進行清洗。

3.2.6遠程供電系統遠程供電控制系統主要由繼電器和相關電路組成，通過遠程5V供電控制繼電器從而控制密封倉內電壓的通斷。

3.3系統軟件設計

操作人員通過控制臺發出指令，主控板接收通過串口發送的指令后對信號進行處理，當信號與程序設定信號匹配時，執行相應命令。指令解析的流程圖如圖4所示。

4項目特色

本文設計的機器人采用自主設計的運動系統，能夠在進行管道巡檢的同時完成管道清潔功能；可遠程控制及照明；進行視頻傳輸、數據傳輸。在設計完成過程中結合3D打印技術，機器人控制臺、彈簧固定底座、連桿支座、機體后蓋、隔板等部件均由學生建模并自主打印。該機器人“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽、全國大學生物聯網設計競賽等各類競賽中獲得優異成績。

5結論

本文通過綜合運用嵌入式、物聯網、傳感器、視頻傳輸、3D打印等多種技術設計完成了一款基于CCTV的管道檢測機器人，該機器人可完成管道檢測及清潔工作，機器人運動靈活，可攜帶大量傳感器節點。數據傳輸快捷，遠程控制保證操作者工作環境安全，并能通過人機交互方式實施觀察機器人工作狀態，獲取檢測目標信息和圖像，具有較強的工作效率和環境應對能力。

作者：張晶 王紅鷹 藍天蘭 單位：州交通大學計算機科學與技術國家級實驗教學示范中心