管道机器人视像检测系统的研究与实现

管道机器人视像检测系统的研究与实现

杨凤生王林波

（贵州电网有限责任公司贵阳供电局贵州贵阳550000）

摘要：管道作为一种经济、高效而安全的物料输送手段一直被人们所关注。管道机器人是一种比较先进的管道检测设备，它由移动载体(行走机构)、检测系统、通信系统和动力传输系统及控制系统组成，其克服了传统检测方法存在的弊端，提高了诊断精度，加强了对管道的认识和把握能力，及时有效的完成了对管道的检测与维护、维修任务，显示出了巨大的应用前景。基于此本文分析了管道机器人视像检测系统的研究与实现。

关键词：管道机器人；视像检测系统；研究

1、视像检测系统研究与设计

以下主要分析了电力系统中电缆管道机器人检测系统相关方面：

1.1、组成

管道机器人要在管道这样的极限环境内完成作业任务，其移动载体的性能是关键。通过对江苏地区电缆排管的疏通及牵引拉线施工过程的分析，为满足对管道的检测、清扫等作业任务的要求，所研究的电缆管道机器人必须具有良好的自定心性、较高的越障能力、良好的通过性、大驱动力输出和水下作业等特性，这样才能保证机器人在管道这样的极限环境下圆满的完成预期的作业任务。

电缆管道机器人主要由摄像头模块，车体控制模块，手持控制其模块三大部分组成。其设计原理框图，如图1所示：

图2电缆管道机器人结构框图

1.2、电缆管道机器人工作原理

电缆管道机器人用于电缆管道监视、铺设拉线和管道清理。

机器人前端摄像头可同时兼容φ150mm，φ175mm，φ200mm三种不同的电缆排管管径。使用时，将清扫器安装在机器人尾部，将机器人摄像头朝前放入电缆排管一端入口，将电缆及牵引绳挂在清扫器后部，接通电源，电缆的电源芯线负责为机器人提供75V电源，操作者通过手持控制器，遥控机器人前行、后退或停止，并可以在液晶屏上监视到管道内的图像，并开动清扫器清扫管壁。如果不使用清扫功能，也可以不安装清扫器，直接将电缆及牵引绳挂接在清扫器尾部，接通电源进行操作。

机器人由大功率微型电机驱动，微处理器智能控制，具有足够的牵引力穿越长度125米的电缆管道，具有较强的爬坡能力和弯道通过能力，能够牵引重量大于10kg的线缆，实现电缆敷设拉线功能。采用增力臂结构设计，使机器人能够适应不同的管径并防止颠覆；采用微观动、静密封技术，防止微观泄漏；密封防水，满足能在水深1米中穿行的要求；用高性能的抗腐蚀材料，防止机器人在带有酸或碱性的水介质中腐蚀。

机器人带有数字摄像模块，采用广角带强光照明的摄像头，能够监视前方及管壁的图像情况，并通过CAN总线将数字图像实时传输到控制器液晶显示屏。手持控制器由电源模块、微控制器模块、液晶模块、键盘及控制面板等部分组成，主要用于读取摄像头采集到的排管数字图像，实时解码显示。

手持控制器通过CAN总线发送命令给车体控制器，控制前后电机的前转，反转和停止。并可以将机器人移动至管道需要清洁的部位，启动清扫器进行清洁。

1.3、电缆电缆管道机器人视频监测系统硬件平台的开发

由于机器人内部空间很小，现场运行环境恶劣，因此机器人内部安装的摄像头模块应考虑以下几个方面：

由于机器人内部空间很小，现场运行环境恶劣，因此机器人内部安装的摄像头模块应考虑以下几个方面：（1）体积小，功耗低，可拆卸；（2）对机器人拍摄到的图像有较强的图像处理及压缩能力；（3）具有很强的通信功能，便于实时传输图像及接受外部控制命令；（4）采用防水广角镜头，能够监视机器人前方及管壁内侧的图像。为此，我们采用数字摄像头配合图像压缩芯片的方式，实现实时采集管道图像的要求。为了尽可能的实时反映管道情况，摄像头循环拍摄单帧管道图像，采用ST公司的CMOS传感器VV6501和STV0676处理芯片来实现图像采集及处理功能；采用ARM7TDMILPC2119芯片作为主控芯片，控制图像采集模块。通过编写I2C的通信程序，对STV0676进行工作参数的配置；编写模拟总线程序来读取图像数据，并通过CAN总线发送给手持控制器。

手持控制器使得整套系统具有很好的移动性和灵活性，可以方便的进行作业地点的转移。此模块应满足：（1）具有图像显示和监视功能；（2）图像数据和控制命令通过CAN总线实时传输；（3）简化控制器硬件电路设计，采用软件解码；（4）图像1帧/秒。

手持控制器采用ARM7TDMI芯片LPC2292作为主控芯片，负责JPEG图像解码、LCD彩色液晶显示、按键控制及CAN通信模块的协调工作。编写优化的JPEG图像解码算法，LCD图像显示函数，按键响应程序，通过CAN总线与摄像头和机器人进行通讯。

采用CAN总线实现高速数据传输，利用短帧，提高传输效率。125米的传输距离，传输速度保持在200kbps以上。制定合理的传输协议，保证命令指令优先级高于图像数据优先级，以满足快速的控制响应。

电缆管道机器人视频监测系统的整体结构框图如图3所示：

图4手持控制器模块图像数据的流程

1.4.2视频监测系统通讯功能

为了实现电缆管道机器人摄像装置与管道外部操作者之间的互动，必须寻找一种稳定可靠的通讯传输机制。它负责将摄像头捕获的数字图像传送到管道外部的手持控制器端，并将控制器发出的控制命令传送到摄像模块进行执行。

目前的通信技术下，管道机器人可以采用的通信模式主要有有线和无线两种。其中，有线的包括RS232、RS485总线、CAN总线、USB、Ethernet网络等，而无线的则主要以802.11b的无线网络及移动的GPRS无线通信为主。

考虑到无线通信会因为管道内部的复杂情况而影响到通信的可靠性，并且金属管道还会对无线信号产生屏蔽，因此无法使用无线通信方式。

有线通信机制需要在机器人尾部连接一条通信电缆，以提供与外界的通信链路，通信距离越长，机器人所需克服的由于通信电缆带来的额外的牵引力和摩擦力越大，因此，必须综合考虑各方因素，选择合适的系统构建方式。

CAN总线也属于差分传输方式，只需2芯通信电缆，比以太网传输所需传输线少，不会给机器人带来太多的牵引力损耗。CAN采用CRC校验并提供相应的错误处理功能，比RS485总线更加稳定可靠。CAN适合长距离传输，能够达到很高的通信速率。并且，CAN总线抗干扰能力强，能够适应复杂的工业环境，因此成为本系统通讯方式的首选。

总之，电缆管道机器人视像检测系统控制灵活、图像清晰，为以后进一步应用到实际生活当中，做出了非常有意义的探索，因此进一步加强对其的研究非常有必要。

参考文献

[1]季艳波.轮式管道检测机器人控制系统的研发[D].哈尔滨工业大学，2014.

[2]朱芳.管道机器人的数据采集及传输系统设计研究[D].哈尔滨工程大学，2011.

[3]祝俊.管道检测机器人的运动控制研究[D].华南理工大学，2012.