CCTV管道检测机器人设计分析

摘要：随着管道在工业生产及人民生活中的广泛应用，我国每年需要耗费大量人力物力进行管道的清洁和维护,大量管道因管内环境或架设地点危险而无法进行维护。为了解决这些问题，本文综合运用嵌入式、自动控制、3D打印等技术设计了一款基于CCTV的管道机器人，该机器人可携带检测及清洁设备，操作人员通过控制台控制机器人进入管道进行管道情况检查和管道内壁清洁,可以保证工作人员安全并节省大量费用。

关键词：CCTV；管道检测

引言

管道在石油储运、天然气运输、国防科技等方面广泛应用，很多管道是竖直架设、架设在高空、埋于地下，这些管道的维护费力、费用昂贵且易发生安全事故。我国每年在管道监测维修方面耗资巨大，因高空作业造成的人员伤亡事故以及由于管道故障维修地点空间狭小影响维护或放弃监测、维修的现象数不胜数。针对这一问题，本文设计了一款基于CCTV的管道检测机器人，可携带检测设备和各种仪器进入高空管道及地下管道，完成对检测管道等任务。

1CCTV系统介绍

管道闭路电视检测系统(CCTV：Closed-CircuitTelevision)是专门进行地下管道检测的工具，CCTV检测系统包括三个部分：智能爬行器、自动线盘以及视频控制台，易于操作，便于移动，能够对获取影像进行处理，对摄像头的旋转和定位进行记录，具有高质量的图像记录和文字编辑功能[1]。

2整体设计思路

本文设计的管道检测机器人主体为摄像小车和PC机。选用的CCTV型号根据管径大小确定。在进行管道检查前，为保证车体顺利通过，首先要使用高压冲洗车冲洗管段，然后暂时将上游排水管封堵，将污水抽至污水井中，待被观察管道中水深降至低于CCTV摄像头位置时即可投入工作[2-3]。

3系统方案

3.1总体构架

管道机器人分为外部控制系统和管内执行系统两大部分组成；管壁内执行系统又包括检测系统、清理系统和动力系统。管道机器人通过动力系统、检测系统、清理系统、通信系统等部分完成运动控制、管道内部环境检测、管道清理及通信等工作。检测系统：主要完成管道内的照明，管道内温度和压力的检测。清理系统：主要完成管道内壁的清理。视频系统：配合照明系统进行视频采集，方便用户观察管道内情况。监测系统：通过检测系统获取的管道内壁温度和管道内的压力数据发送到监测系统，进行计算和现实输出。密封车体：车体由亚克力材料制作而成，电缆等开口部分使用环氧树脂防水玻璃胶进行密封，保证车体在严格密封的情况下允许通过电缆进行内外通信。

3.2系统硬件设计

本文设计的基于CCTV的管道检测机器人包含控制系统、运动控制系统、传感器系统、通信系统、清洁系统、视频系统等部分。结构图如图1所示。控制系统电路图如图2所示。

3.2.1控制核心控制模块包括机体控制部分及手柄控制部分，其中机体控制部分核心板使用ArduinoMega2560开发板，手柄控制部分核心开发板使用ArduinounoR3展板。

3.2.2传感器系统传感器系统包含数字温度传感器和流体压力传感器。在检测管道前，采用温度传感器DS18B20和流体压力传感器BA5803，对需要对管道内的环境进行温度和压力检测。温度传感器使用DS18B20，这款温度传感器接线方便，封装后可满足管道检测、电缆沟测温等多种非极限温度的测温要求。流体压力传感器选用BA5803，这是一款采用MEMS技术将高线性压力传感器与一个低功耗的24位模数转换电路（ADC）集成于一体的数字气压传感器模块，支持SPI和I2C总线传输协议，可与任何微处理器匹配工作。

3.2.3数据处理系统数据处理系统主要包含PAL制视频系统和TTL转232模块，管道内照明控制系统配合PAL制视频采集系统方便用户观察管道内情况。PAL(PhaseAlterationLine)系统是逐行倒置相位也是一个同步系统。它对同时传送的两个色差信号中的一个色差信号采用逐行倒相，另一个色差信号进行正交调制方式。在该管道检测机器人中利用PAL制摄像头采集视频并实时显示。TTL转RS232电平串口模块，采用2.0mm间距4芯和6芯的双接口，兼容相应模块。使用TTL转RS232模块，是数据处理系统所在PC机和管道机器人控制核心之间的串口通信电平保持一致，保证二者之间的顺利通信。

3.2.4运动系统为保证机器人平稳通过直线管道且在管道转弯处能够对管道环境自适应，机器人采用四驱方式及万向轮，保证动力和适应能力。运动系统主要由电机系统和减震调距系统组成。为了适应不同管道，将电机支架做成螺纹伸缩杆，调节范围在5cm~15cm之间，采用双螺母锁死，可保证支架完全锁死;减震调距系统使用可调节弹簧，使轮距可调节，且具有良好的减震作用[8-9]。机体驱动采用大功率驱动芯片BTS7960组成的H桥驱动模块，该模块具有过热过流保护功能。双BTS7960H桥驱动电路，具有强劲的驱动和刹车效果，采用74HC244芯片有效隔离单片机与电机驱动。

3.2.5清洁系统清洁系统包含高压水泵和清洁刷，主要作用是通过高压水泵喷水，配合清洁刷，对管道内壁的污垢进行清洗。

3.2.6远程供电系统远程供电控制系统主要由继电器和相关电路组成，通过远程5V供电控制继电器从而控制密封仓内电压的通断。

3.3系统软件设计

操作人员通过控制台发出指令，主控板接收通过串口发送的指令后对信号进行处理，当信号与程序设定信号匹配时，执行相应命令。指令解析的流程图如图4所示。

4项目特色

本文设计的机器人采用自主设计的运动系统，能够在进行管道巡检的同时完成管道清洁功能；可远程控制及照明；进行视频传输、数据传输。在设计完成过程中结合3D打印技术，机器人控制台、弹簧固定底座、连杆支座、机体后盖、隔板等部件均由学生建模并自主打印。该机器人“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛、全国大学生物联网设计竞赛等各类竞赛中获得优异成绩。

5结论

本文通过综合运用嵌入式、物联网、传感器、视频传输、3D打印等多种技术设计完成了一款基于CCTV的管道检测机器人，该机器人可完成管道检测及清洁工作，机器人运动灵活，可携带大量传感器节点。数据传输快捷，远程控制保证操作者工作环境安全，并能通过人机交互方式实施观察机器人工作状态，获取检测目标信息和图像，具有较强的工作效率和环境应对能力。

作者：张晶 王红鹰 蓝天兰 单位：州交通大学计算机科学与技术部级实验教学示范中心