管道機器人CCTV檢測系統設計探討

【摘要】本文介紹了國內CCTV檢測系統的現狀，并結合國內管道非開挖修復技術和進口CCTV檢測系統在國內使用經驗，給出了一種基于AVR單片機和R485通信模式的CCTV整體設計方案，詳細描述了CCTV各部分的設計思路和工作原理，對各部分的驅動機構和電路控制方案都有介紹。

【關鍵詞】CCTV檢測；管道機器人；非開挖修復；AVR單片機

1.管道CCTV檢測系統介紹

管道CCTV（Closed-Circuit Television）檢測系統是管道閉路電視檢測系統的簡稱，是專門應用于地下管道檢測的工具，檢測距離一般在500米以內。隨著國內管道非開挖修復技術的日益成熟，CCTV檢測是管道進行修復和合理養護的前提，也是管道修復后復檢的重要手段，目的是了解管道施工前后的內部狀況，消除了人工進管檢查所存在的安全隱患，提高了施工效率。

該系統在國外已經比較成熟，品牌和型號很多。目前國內從事管道CCTV檢測的公司不少，但都是購買進口設備或外企獨資品牌（例如：深圳施羅德），價格都很昂貴一般在30萬元以上。國內還沒有專業從事CCTV系統研發和生產的機構或公司，更沒有獨立的知識產權。本人結合國內施工企業對CCTV設備需求以及進口CCTV在國內的使用經驗，構思出一套成本低且容易實現的CCTV控制系統，下面就詳細介紹，供廣大讀者參考研究。

2.整體設計思路介紹

國外CCTV系統功能都比較復雜，造成設備價格居高不下，而在施工時很多情況不需要太多的功能，如在管道HDPE穿插修復后只需對脹管情況進行外觀檢測，功能太多造成操作復雜和維修制造成本高。而我的設計立足于國內施工需要，原則是簡單、實用、成本低。

CCTV系統分為三大部分：（1）管道智能爬行器。（2）具有計米功能的自動線盤。（3）具有監視功能的控制臺。

市場上的CCTV都需要外部供電，我設計的爬行器、線盤和控制臺都采用內置高性能鋰電池，這樣不需要現場臨時用電措施，也減少了復合電纜控制線的數量，簡化了設計，提高了設備在現場的適應性和機動性。

與進口CCTV一樣，此設計也采用有線控制方法，因為無線信號在管道內無法長距離傳輸，這個問題在世界范圍內都沒有解決方法。

控制臺與爬行器間信號傳輸方式采用R485通信標準，上行和下行控制板都用AVR ATMEGA16單片機進行信號處理和傳輸控制，當然也可以用其它類型單片機。下面就每部分功能進行詳細介紹。

3.管道智能爬行器設計方案

如下圖所示，爬行器驅動采用兩個24V二相步進電機，步進電機比直流電機有更大的扭矩，在斷電時有鎖緊功能，并且可以在單片機程序中進行方便的調速。每個電機控制一側的兩個車輪，車輪間用同步帶連接，這種結構使爬行器在管道中轉彎更靈活，也容易在單片機中實現，也提高了爬行器翻越障礙物的能力。

本方案是用ATMEGA16單片機模擬時序，不用時序分配電路如L297等，這樣可以節減小電路板尺寸，調速時只需要改變延時間隔。功率放大電路采用兩個L298N芯片，該芯片擁有雙H橋電路，支持2A以下的電機，標準TTL邏輯電平。L298N與單片機之間用TLP251光耦隔離開，提高電路板的穩定性。此部分電路流程和電路圖如下：

爬行器整體需要作防水設計。進口CCTV大都采用在爬行器內充一定壓力的空氣，對內壓力進行實時監測，發現壓力下降立即退出管道。這樣需要在爬行器內部增加一個壓力傳感器，讓單片機對其模擬量進行控制（AVR單片機自帶AD轉換功能），一旦發現與設置值不相符立刻傳輸到操作臺上顯示。

4.視頻傳輸設計

CCTV檢測系統需要把爬行器采集的實時圖像傳輸到外部的顯示器上，傳輸流程如下圖。其中雙絞線傳輸器采用有源傳輸器，視頻信號的傳輸距離可達1KM左右，效果好且容易實現。復合電纜線為四芯電纜，其中兩路用作傳輸視頻，兩路用于R485信號傳輸。推薦使用美標UL2547AWM多芯屏蔽線，此線不僅重量輕又具有一定的抗拉能力，成本也不高。

字符疊加器（簡稱OSD）的作用是在視頻中加入需要顯示的信息，如公司名稱、管線名稱、時間、距離等，疊加器中含有單片機，檢測前在疊加器中預先設置好，在LCD顯示器就能看到疊加后的視頻。

5.攝像頭設計

CCTV所用的攝像頭具有360度旋轉功能，用三個小型直流減速電機來實現：一個安裝于爬行器中，控制攝像頭升降使攝像頭處于管道中線位置；一個安裝于攝像頭后部，控制攝像頭的作平行于管道中心線的360度旋轉；第三個安裝在攝像頭中，控制攝像垂直于管道中心線的360度旋轉。這樣攝像頭就在操縱桿的控制下能對準管道內壁任意一點進行近距離觀察。另外整個攝像頭要作防水結構設計，要求至少能耐1KG的水壓。因篇幅有限，具體結構不再詳述。

6.R485信號傳輸設計

下位單片機在爬行器中，上位單片機在操控臺中，兩者之間采用R485半雙工通信方式。R485通信距離最遠可達1200米。這里我采用MAX485芯片，為提高系統的穩定性，在兩線上都接了一個10K電阻，兩線間接一個120歐電阻，單片機上PD2控制端與MAX485間用光耦隔離。

7.線盤設計

線盤是控制臺與爬行器連接的橋梁，線盤具有盤繞復合電纜和計米兩大功能。線盤上的電纜線一端與爬行器相連，另一端接孔水銀滑環再與控制臺相連。線盤前部安裝有排線器與旋轉編碼器一體的裝置。線盤主軸上安裝有直流減速電機，在控制臺上可以控制其轉速。旋轉編碼器連接到一個單片機上，單片機采集編碼器的脈沖并計算出爬行器前進的距離，然后通過串口把數據傳輸到疊加器上的單片機中，最終在視頻中加入實時的距離并在LCD上顯示出來。

8.控制臺設計

控制臺應重點考慮以下功能設計：（1）LCD顯示器，接收字符疊加器輸出的視頻。（2）控制爬行器方向的操作手柄，可以用十字開關來實現。（3）爬行器調速按鈕，現實中爬行器在啟動瞬間會出現顫抖，因此在程序設計時應該考慮爬行器在啟動時有一個從低速到高速的過程。（4）控制攝像頭旋轉的按鈕或手柄，攝像頭旋轉動作與爬行器運行應該互鎖，攝像頭只能在爬行器停止時工作。（5）控制臺內置高性能鋰電池，同時給控制臺和線盤供電，控制臺和線盤間用多芯航空插頭連接。

管道CCTV檢測系統是一個集機械設計、密封技術、自動化控制、電子電路設計等綜合學科在專業領域中的應用。進口CCTV除了以上所寫功能外還有很多其它輔助功能，如陀螺儀、溫度計等。隨著電子和網絡技術的發展，在CCTV上實現的功能也越來越多，與互聯網、GPS相結合是主要發展方向。本方案只是對CCTV系統的一個初步構思，細化過程需要不同專業的工程師共同努力。

參考文獻

[1]馬孝春，劉寶林.地下管道非開挖修復技術[M].北京：地質出版社，2009，11.

[2]唐國棟，高云國.基于L297/L298芯片步進電機的單片機控制[J].微計算機信息，2006，22.

作者簡介：楊國勝，男，工程師，現供職于濮陽黃河河務局，長期從事通信技術信息化運行與管理。