管道机器人CCTV检测系统设计探讨

方案，详细描述了CCTV各部分的设计思路和工作原理，对各部分的驱动机构和电路控制方案都有介绍。

【关键词】CCTV检测；管道机器人；非开挖修复；AVR单片机

1.管道CCTV检测系统介绍

管道CCTV（Closed-Circuit Television）检测系统是管道闭路电视检测系统的简称，是专门应用于地下管道检测的工具，检测距离一般在500米以内。随着国内管道非开挖修复技术的日益成熟，CCTV检测是管道进行修复和合理养护的前提，也是管道修复后复检的重要手段，目的是了解管道施工前后的内部状况，消除了人工进管检查所存在的安全隐患，提高了施工效率。

该系统在国外已经比较成熟，品牌和型号很多。目前国内从事管道CCTV检测的公司不少，但都是购买进口设备或外企独资品牌（例如：深圳施罗德），价格都很昂贵一般在30万元以上。国内还没有专业从事CCTV系统研发和生产的机构或公司，更没有独立的知识产权。本人结合国内施工企业对CCTV设备需求以及进口CCTV在国内的使用经验，构思出一套成本低且容易实现的CCTV控制系统，下面就详细介绍，供广大读者参考研究。

2.整体设计思路介绍

国外CCTV系统功能都比较复杂，造成设备价格居高不下，而在施工时很多情况不需要太多的功能，如在管道HDPE穿插修复后只需对胀管情况进行外观检测，功能太多造成操作复杂和维修制造成本高。而我的设计立足于国内施工需要，原则是简单、实用、成本低。

CCTV系统分为三大部分：（1）管道智能爬行器。（2）具有计米功能的自动线盘。（3）具有监视功能的控制台。

市场上的CCTV都需要外部供电，我设计的爬行器、线盘和控制台都采用内置高性能锂电池，这样不需要现场临时用电措施，也减少了复合电缆控制线的数量，简化了设计，提高了设备在现场的适应性和机动性。

与进口CCTV一样，此设计也采用有线控制方法，因为无线信号在管道内无法长距离传输，这个问题在世界范围内都没有解决方法。

控制台与爬行器间信号传输方式采用R485通信标准，上行和下行控制板都用AVR ATMEGA16单片机进行信号处理和传输控制，当然也可以用其它类型单片机。下面就每部分功能进行详细介绍。

3.管道智能爬行器设计方案

如下图所示，爬行器驱动采用两个24V二相步进电机，步进电机比直流电机有更大的扭矩，在断电时有锁紧功能，并且可以在单片机程序中进行方便的调速。每个电机控制一侧的两个车轮，车轮间用同步带连接，这种结构使爬行器在管道中转弯更灵活，也容易在单片机中实现，也提高了爬行器翻越障碍物的能力。

本方案是用ATMEGA16单片机模拟时序，不用时序分配电路如L297等，这样可以节减小电路板尺寸，调速时只需要改变延时间隔。功率放大电路采用两个L298N芯片，该芯片拥有双H桥电路，支持2A以下的电机，标准TTL逻辑电平。L298N与单片机之间用TLP251光耦隔离开，提高电路板的稳定性。此部分电路流程和电路图如下：

爬行器整体需要作防水设计。进口CCTV大都采用在爬行器内充一定压力的空气，对内压力进行实时监测，发现压力下降立即退出管道。这样需要在爬行器内部增加一个压力传感器，让单片机对其模拟量进行控制（AVR单片机自带AD转换功能），一旦发现与设置值不相符立刻传输到操作台上显示。

4.视频传输设计

CCTV检测系统需要把爬行器采集的实时图像传输到外部的显示器上，传输流程如下图。其中双绞线传输器采用有源传输器，视频信号的传输距离可达1KM左右，效果好且容易实现。复合电缆线为四芯电缆，其中两路用作传输视频，两路用于R485信号传输。推荐使用美标UL2547AWM多芯屏蔽线，此线不仅重量轻又具有一定的抗拉能力，成本也不高。

字符叠加器（简称OSD）的作用是在视频中加入需要显示的信息，如公司名称、管线名称、时间、距离等，叠加器中含有单片机，检测前在叠加器中预先设置好，在LCD显示器就能看到叠加后的视频。

5.摄像头设计

CCTV所用的摄像头具有360度旋转功能，用三个小型直流减速电机来实现：一个安装于爬行器中，控制摄像头升降使摄像头处于管道中线位置；一个安装于摄像头后部，控制摄像头的作平行于管道中心线的360度旋转；第三个安装在摄像头中，控制摄像垂直于管道中心线的360度旋转。这样摄像头就在操纵杆的控制下能对准管道内壁任意一点进行近距离观察。另外整个摄像头要作防水结构设计，要求至少能耐1KG的水压。因篇幅有限，具体结构不再详述。

6.R485信号传输设计

下位单片机在爬行器中，上位单片机在操控台中，两者之间采用R485半双工通信方式。R485通信距离最远可达1200米。这里我采用MAX485芯片，为提高系统的稳定性，在两线上都接了一个10K电阻，两线间接一个120欧电阻，单片机上PD2控制端与MAX485间用光耦隔离。

7.线盘设计

线盘是控制台与爬行器连接的桥梁，线盘具有盘绕复合电缆和计米两大功能。线盘上的电缆线一端与爬行器相连，另一端接孔水银滑环再与控制台相连。线盘前部安装有排线器与旋转编码器一体的装置。线盘主轴上安装有直流减速电机，在控制台上可以控制其转速。旋转编码器连接到一个单片机上，单片机采集编码器的脉冲并计算出爬行器前进的距离，然后通过串口把数据传输到叠加器上的单片机中，最终在视频中加入实时的距离并在LCD上显示出来。

8.控制台设计

控制台应重点考虑以下功能设计：（1）LCD显示器，接收字符叠加器输出的视频。（2）控制爬行器方向的操作手柄，可以用十字开关来实现。（3）爬行器调速按钮，现实中爬行器在启动瞬间会出现颤抖，因此在程序设计时应该考虑爬行器在启动时有一个从低速到高速的过程。（4）控制摄像头旋转的按钮或手柄，摄像头旋转动作与爬行器运行应该互锁，摄像头只能在爬行器停止时工作。（5）控制台内置高性能锂电池，同时给控制台和线盘供电，控制台和线盘间用多芯航空插头连接。

管道CCTV检测系统是一个集机械设计、密封技术、自动化控制、电子电路设计等综合学科在专业领域中的应用。进口CCTV除了以上所写功能外还有很多其它辅助功能，如陀螺仪、温度计等。随着电子和网络技术的发展，在CCTV上实现的功能也越来越多，与互联网、GPS相结合是主要发展方向。本方案只是对CCTV系统的一个初步构思，细化过程需要不同专业的工程师共同努力。

参考文献

[1]马孝春，刘宝林.地下管道非开挖修复技术[M].北京：地质出版社，2009，11.

[2]唐国栋，高云国.基于L297/L298芯片步进电机的单片机控制[J].微计算机信息，2006，22.

作者简介：杨国胜，男，工程师，现供职于濮阳黄河河务局，长期从事通信技术信息化运行与管理。

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