基于電纜高速網絡傳輸技術的管道爬行機器人研究

嚴正國+楚航

摘要：為了解決管道爬行機器人在管道中高速、遠距離實時傳輸管道中的高清圖像與數據，本文采用電纜高速網絡傳輸技術使高清的圖像以及實時的數據傳輸到上位機系統，實現主控系統與機器人間的高速、長距離通信。通過高清網絡攝像頭將拍攝到的圖像進行編碼、壓縮，經過高速圖傳模塊后通過高速電纜進行傳輸，經過解調、圖像解碼后，可以進行錄像、存儲、回放。同時，高速網絡圖傳技術也可運用于測井中，提高靈活性。

關鍵詞：高速；長距離通信；高清圖像；高速圖傳

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0188-02

Abstract： In order to solve the pipeline crawl robot in pipeline of high-speed， long-distance real-time transmission pipeline high-definition images and data， this paper adopts high speed cable network transmission technology make high-definition images， and real-time data transmission to the PC system， realize the main control system and machine of high speed and long distance communication. Through the hd webcam captured image coding and compression， after high speed figure pass module through the high-speed cable transmission， after demodulation， image decoding， video， storage， playback. At the same time， the high-speed network diagram and technology can also be used in well logging， improve flexibility.

Key words： high speed； long-distance communication； high-definition images； high speed figure pass

工業與城市發展中，管道已經得到了廣泛的應用，且工業管道與石油管道通常傳輸距離達幾公里甚至幾十公里。由于腐蝕、重壓等作用，管道不可避免地會出現裂紋、漏孔等現象，或是由于建筑物在管道之上，人們不方便進入或者由于空間狹小不允許人們進入，這時管道爬行機器人的出現就顯得極為的重要。而國內大多管道爬行機器人只能爬行幾百米，國外最先進的管道爬行機器人也只能爬行2000m，這就使得長距離通信技術變得尤為重要。管道機器人是一種先進的管道檢測設備，它可以攜帶一種或者多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道檢測工作[1]。

圖1 管道機器人技術對比

上圖為國外兩款最先進的管道爬行機器人與我們實驗室自主研發的管道爬行機器人進行的技術對比圖，可以看出我們的管道爬行機器人不同于大多數的管道機器人，采用數字圖像進行傳輸，有著更遠的通信距離。管道爬行機器人是否能爬的遠，是否能將圖像、數據信息實時傳輸給主控系統，關鍵在于電纜是不是能夠高速傳輸。目前絕大多數的管道爬行機器人采用的是模擬信號傳輸方式。模擬圖像信號當在電纜上傳輸距離大于2000米時，信號失真嚴重、信噪比降低、圖像模糊、同步不良。而對于數字信號，對其進行適當的編碼壓縮，便可適用于遠距離傳輸，且信號完整，不失真，成本也較低。數字傳輸適用于較遠距離的傳輸，也能適用于性能較差的線路[2]。

1 系統整體設計

為了使機器人高速、實時的與主控系統進行通信，本次管道爬行機器人系統主要由三部分組成：主控系統、高速電纜、機器人部分。人機顯示屏通過串行通信顯示機器人在管道中檢測的溫濕度、氣體信息以及姿態數據；通過遙控手柄控制管道爬行機器人在管道中進行隨意地行走，使其能夠運動自如。主控系統的一端連接高速遙傳模塊，一端連接電纜，通過兩個高速遙傳模塊連接在電纜的兩端，使得機器人可以高速的將其在管道中采集到的圖像及數據信息傳遞給主控系統。而對于機器人部分，主控處理器通過控制舵機使高清網絡攝像頭將拍攝到的圖像信息傳遞給主控系統，同時通過發出PWM波控制電機使得其拖動機器人與電纜在管道中進行運動，加速度陀螺儀將檢測管道中的傳感器信號顯示在人機顯示屏上，以供工作人員進行進一步的指示命令。

2 電纜網絡高速圖傳模塊

傳統電纜帶寬比較小，當遠距離傳輸信號時，不能達到高速傳輸，目前絕大多數視頻傳輸系統仍然采用傳統的模擬傳輸方式。模擬傳輸是傳輸模擬信號的方法，在傳輸過程中，模擬信號經過一定距離的傳輸之后，必定會信號衰減，為實現長距離傳輸，模擬信號傳輸都要使用信號放大器，但是放大器也會增加噪音分量，如果通過串聯的放大器來實現長距離傳輸，信號將會越來越畸形[3]。而光纖雖然傳輸特性比較好，但由于其抗拉性不好，在復雜的管道中會由于其強度不夠，造成光纖損傷，對于圖像和數據等信息無法有效的傳輸。因此遙傳技術已經成了制約成像測井系統發展的瓶頸。從某種程度上說，遙傳技術的水平代表了測井采集系統的水平[4]。

電纜高速圖傳模塊有著三大特點：其一，具有很強的自適應性，而這種自適應性分為速率自適應和電纜自適應，當接上電纜后其會自動匹配電纜，自動連接；其二具有高速傳輸特性，當高速遙傳接上1000m的電纜，速度會達到5Mb/s，當高速遙傳接上7000m的電纜，速度會達到1.5Mb/s，可以高速的傳輸管道機器人拍攝到的信息，以及獲取的數據；其三具有網絡接口，用的時候接上網線就能夠使用，對于工作人員極為的方便。

3 測試過程及結果分析

測試之前，連接好高速網絡圖傳模塊，未建立連接時，高速遙傳的紅燈亮表示遙傳與電纜未建立起鏈接關系，當綠燈開始亮起，由慢閃變為快閃，表示正在自適應電纜，正在建立鏈接，當綠燈常亮，表明建立鏈接完成。打開電腦網絡配置，設置合適的IP地址、子網掩碼、默認網關，之后打開電腦軟件，進行網絡攝像頭IP地址的搜索后，下圖是在管道中捕獲到的管道圖像。

4 結論

本文介紹了管道爬行機器人在管道中運行的系統組成，及電纜高速網絡傳輸技術在管道爬行機器人上的應用。通過應用驗證，可以得出電纜高速圖傳模塊可以很好的應用于機器人上，它的寬度只有28cm寬，由于體積小可以進入內徑小的管徑；由于傳輸板有網絡接口、電纜接口，更為方便，用兩芯即可進行供電，傳輸信號信息；同時電纜高速模塊具有自適應、自動連接、自動匹配的優點，還可以進行高速傳輸，可以在7000m電纜的距離達到傳輸速率1.5Mb/s，在1000m電纜的距離傳輸速率達到5Mb/s。電纜高速圖傳模塊不僅可以應用于主控處理器與主控系統間進行遠距離通信，同時也可以應用于水文測井、石油測井等領域中。

參考文獻：

[1] 甘小明，徐濱士，董世運.管道機器人的發展現狀[J].機器人技術與應用，2003（6）.

[2] 何小敏，王正勇.數字圖像通信及其應用[M].成都：四川大學出版社，2006.

[3] 李燕杰.模擬信號源的研究與設計[J].河北：河北師范大學，2007.

[4] 楊建軍，林興春，郝秀權等.測井電纜通信系統綜述.石油儀器，2007，21（3）：1-4.