模塊化多用途小型堆水下電視檢查系統研制

(中國核動力研究設計院，四川 成都 610041)

模塊化多用途小型堆(ACP100)在役檢查時，按照技術條件要求，需要對壓力容器內部進行目視檢測。而壓力容器內部是處于一個高溫、高壓和高輻射的水下環境[1]，無法直接進行人工檢測，需要研制專門的檢測設備對其進行目視檢測。

通常水中進行目視檢測所用的設備是水下電視檢測系統[2]，對水密性要求較高。但由于壓力容器是高輻射的環境，在此環境下的水下電視檢測系統不僅水密性要求高，同時對系統的耐輻射性要求也很高。因此，需要針對壓力容器的特殊環境研制高耐輻射性的水下電視檢測系統。

1 系統組成

水下電視檢測系統主要包括：水下機器人主體、便攜式控制機箱、便攜式工控機、零浮力電纜及卷線盤。

水下機器人主體：主要由控制系統、主體推進器(三套)、前后攝像監視系統、前攝像機一維云臺、機械手系統、 照明系統、浮筒及平衡配重系統。其中控制系統含主控制器、電源模塊、電機驅動模塊、壓力傳感器(深度計)、溫度計等傳感器組成，如圖1所示。圖2是水下電視檢測系統使用布局示意圖。

圖1 水下機器人主體Fig.1 The main body of the underwater robot

圖2 系統使用布局示意圖Fig.2 The schematic layout of system usage

2 性能要求

2.1 主要功能和技術指標

水下機器人主體外型尺寸不大于630 mm×350 mm×350 mm，重量不大于15 kg。

水下機器人制造材質的鹵素含量應滿足RCCM F6000要求。

保證樣機25 m水深的水密性。

水下機器人具有前進、后退、轉彎、上浮、下潛運動功能。前進速度≥15 m/min，后退速度≥12 m/min，下潛速度≥8 m/min，上浮速度≥5 m/min，速度且連續可調。轉彎半徑不大于0.5 m。

具有兩套視頻攝像系統，分別安裝于正前方及后方，以檢查與監控前進及后退運動。前后分別帶兩路照明系統且亮度可調。前攝像系統變焦范圍26倍，且具有手動/自動對焦功能，附一維轉動范圍±90°俯仰云臺；后攝像系統為視場角為35°的定焦系統。

能對缺陷進行初步定位。

耐輻照：承受累積劑量不小于105Gy，承受最大劑量不小于103rad。

外配工控機可實現對顯示圖像的硬盤存儲、抓圖、回放等功能；可實時顯示水下機器人所處位置水深、溫度等信息；存儲空間不小于1 T。

攝像機靈敏度優于2 Lux，水平分辨率可達到400線以上。

2.2 工作環境條件

溫度：0～50 ℃;

相對濕度：≤95%;

放射性水平：累計劑量不小于107rad，承受最大劑量不小于103rad;

電源：220 VAC,50 Hz。

3 系統結構設計

水下機器人主體：主要由主體推進器(三套)、前后攝像監視系統、前攝像機一維云臺、機械手系統、照明系統、主浮力機構、平衡配重系統及機械手組成。如圖3所示。

圖3 整體系統結構圖Fig.3 The overall system structure

3.1 主浮力機構

浮力系統通過垂直推進系統將前后兩浮筒固定連接，浮筒內部腔體可裝配電路控制系統部件、傳感器、一維轉動云臺及攝像系統，有效利用了結構空間。

浮筒外可固定照明系統、前后推進系統、機械手、提手、支撐架等，此設計有利于合理安排各部件位置使整體結構緊湊。浮力系統如圖4所示。

圖4 主浮力系統示意圖Fig.4 The schematic of main buoyancy system

3.2 前后攝像監視系統

監視系統由電機、傳動帶、輪、像機、支架等，由電機通過輪、帶傳動實現一維轉動要求。一維轉動范圍±90°，且配有隨動照明，能對不同位置物體進行觀察。攝像系統如圖5所示。

圖5 一維轉臺示意圖Fig.5 The schematic of one-dimensional turntable

3.3 照明及前后推進機構

照明系統提供200 W照明,共兩套，分別左右對稱，固定在浮筒兩側重心上部，其外殼可作為輔助浮力系統，有利于機器人在水中的整體平衡；結構如圖6所示。

圖6 照明平衡機構示意圖Fig.6 The schematic of lighting balance mechanism

3.4 垂直推進機構

推進系統包括直流電機、高速動密封機構、推進螺旋槳和外罩等。

(1)垂直推進系統

置于整個機構三維幾何空間兩立面交匯處，也是整體重心與浮心交點處，此設計安排優點在于可使機器人運動時上升與下降能平穩、可靠、高效運行。垂直推進系統如圖7所示。

圖7 垂直推進機構示意圖Fig.7 The schematic of vertical thruster

(2)前后推進系統

前后推進系統施力點與重心位于整體機構的同一水平面內，確保了整體行進時的平穩性與可靠性。前后推進系統如圖8所示。

圖8 水平推進器機構示意圖Fig.8 The schematic of horizontal thruster

(3)機械手

機械手置于主體前方靠下位置，能在攝像系統監視下進行可視夾取；機械手指可根據夾取異物的形狀更換不同類型，結構簡易，運動靈活。機械手如圖9所示。

圖9 機械手機構示意圖Fig.9 The schematic of manipulator mechanism

(4)密封設計

選擇采用機械密封方式，其結構示意圖如圖10所示。軸1帶動動環3旋轉，靜環2固定不動，依靠靜環2和動環3之間接觸端面的滑動摩擦保持密封，當端面產生磨損時，彈簧推動動環3使動環3與靜環2的端面緊密貼合而無間隙。為了防止介質從靜環2與殼體之間的間隙泄漏，裝有O形圈。

圖10 推進器機械密封示意圖Fig.10 The schematic of the mechanical seal of the thruster

4 電控系統設計

整體系統主要由三部分組成，包括控制機箱、工控機、水下機器人本體。其結構框圖如圖11所示。

圖11 控制系統結構框圖Fig.11 The structure block of the control system

4.1 便攜式控制箱電控系統設計

主要由液晶顯示器、傳感器信息顯示器、控制面板、控制電路板、電源模塊等組成，其結構框圖如圖12所示。

圖12 控制機箱電控系統結構框圖Fig.12 The structure block of the electronic control system of the control chassis

主控制器采用TI公司推出的MSP430系列的MSP430F149作為主處理器，這是一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到了廣大技術開發人員的青睞。該控制器可以在超低功耗模式下工作,對環境和人體的輻射小，可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業級的運行環境。

根據控制箱功能的要求，采用I/O口作為按鍵輸入口、A/D口作為搖桿的輸入口、傳感器顯示器采用并口方式進行通訊。

4.2 機器人主體電控系統設計

主要由主控制器電路板、電機驅動板、電源模塊、照明調節板、傳感器信息采集電路等組成，其結構框圖如圖13所示。

圖13 機器人主體電控系統結構框圖Fig.13 The structure block of the electronic control system of the robot main body

主控制器采用TI公司推出的MSP430系列的MSP430F149作為主處理器，根據機器人本體功能的要求，擴展了電機驅動的PWM口、A/D口、SPI口等常用接口。

對于前后視頻顯示，采用專用視頻切換芯片ISL59441，后端采用視頻補償電路，使之補償到標準視頻信號幅度。

4.3 CAN通訊系統的設計

近年來，隨著計算機、信息、控制技術的發展和微機化儀器儀表的成熟和廣泛使用，現場總線網絡逐步取代傳統的獨立控制系統、集中采集控制系統，CAN(控制器局域網)總線技術是現場總線技術中運用最為廣泛的一種，尤其適合用于模塊化的系統設計。

一般來說，CAN智能節點的實現有兩種方式，一是微控制器配合獨立的CAN控制器，另一種是微控制器內嵌CAN控制器。這里采用了第一種方式，即MSP430單片機+MCP2515CAN控制器方式。

MCP2515是Microchip公司推出的具有SPI接口的獨立CAN控制器，集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理(包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗等)。它完全支持CAN2.0 A/B技術規范，通信速率最高可達1 Mbps，內含3個發送緩沖器、2個接收緩沖器、6個29位驗收濾波寄存器和2個29位驗收屏蔽寄存器；它的SPI接口時鐘頻率最高可達10 MHz，可滿足一個SPI主機接口擴展多路CAN總線接口的需要。

在接口芯片上，采用了廣州致遠電子有限公司推出的CTM8250，這是一款帶隔離的通用CAN收發器芯片，內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發器件，這些都被集成在不到3 cm2的芯片上，極大的減少了電路設計方面的工作量，同時也提高了系統的可靠性。該芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2500 V的隔離功能。

4.4 軟件系統設計

控制系統的軟件是整個控制系統正常運行的重要環節之一，系統軟件的質量直接關系到系統功能的實現。在控制系統中，大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括：數據的采集、數字濾波等。過程控制程序主要是使微控制器按一定的算法進行計算，然后再輸出，以便移動機器人的控制。

為了完成上述任務，在軟件設計時，采用了一種模塊程序設計法，即把整個程序過程分成若干個部分，封裝成獨立的函數模塊，這樣易編寫調試，并且一個模塊可被多個任務在不同條件下調用。

(1)各主控制器程序設計

在系統上電之后，節點控制器進行初始化，主要完成片上外設的初始化，主要是選擇時鐘、對看門狗的配置、I/O的設置、定時器的設置以及SPI模式的設置等。接著是CAN控制器初始化，主控制器通過SPI在配置模式下向控制段中的寄存器寫入控制字來完成。開總中斷，檢測總線是否有中斷發生，如有接收數據，解析命令，判斷功能函數是否限位可執行，允許的話，則執行功能函數，同時檢測功能模塊狀態信息，并向上位機發送狀態信息數據，返回退出。

(2)CAN控制器MCP2515的初始化

要想使CAN智能節點、PC端互相進行通信，CAN總線上的所有器件都必須使用相同的波特率。CAN位時間由互不重疊的時間段組成，每個時間段又由時間份額(TQ)組成。每個時間份額的長度取決于振蕩器周期TOSC，通常TQ為兩個振蕩器周期。標稱位時間由互不重疊的時間段組成。對MCP2515位時間各時間段的編程設定必須滿足以下要求，否則CAN通信易出故障。

根據硬件上選用的8 MHz振蕩器頻率和CAN總線的波特率，遵照上面對時間段的編程要求，設置相位緩沖段PS1為7TQ，相位緩沖段PS2為6TQ。相應的寄存器值為CNF1(0x01)、CNF2(0xF1)、CNF3(0x45)。在這樣的配置下，MCP2515能以125 kHz的CAN波特率可靠地通信。

MCP2515函數的封裝，分為SPI控制指令和自定義函數，SPI控制指令主要包括復位、讀指令、寫指令、讀RX緩沖器、裝載TX緩沖器、RTS請求發送報文指令、讀狀態指令、RX狀態指令、位修改指令，自定義函數主要包括CANID的讀取、設置，CAN 數據的發送、接收等。

4.5 抗干擾設計

考慮到設備實際工作環境中具有大型交流設備，尤其是在啟停過程中會產生高頻干擾，嚴重影響設備正常運行，為此，從以下幾方面進行抗干擾設計。

電源抑制：

從降低電源輻射強度、切斷干擾耦合路徑及減少輻射環路面積等方面入手，采用分立電源供電、電源輸出端濾波、合理接地等方式來實現。

電纜輻射抑制：

1)控制電纜長度，在滿足使用要求的前提下，使用盡量短的電纜，但是當電纜的長度不能減小到最高輻射頻率波長的一半以下時，減小電纜長度沒有明顯效果；

2)在電纜上使用適當的共模扼流圈，最簡單的方法是套一個鐵氧體磁環；

3)布線路板時，使周期性信號遠離I/O接口電路，并將I/O接口電路部分的地線與線路板上的其他地線隔離開，僅在一點連接；

4)I/O接口電路部分的地線與金屬機箱之間做射頻搭接；

5)對機箱內的I/O電纜(從線路板到連接器的部分)進行屏蔽；

6)使機箱內的I/O電纜(從線路板到連接器的部分)長度盡量短；

7)使用共模低通濾波器，最好是安裝面板上的形式(例如濾波連接器)；

8)使用屏蔽電纜，但要注意電纜屏蔽層的端接方法和端接位置，端接得不好可能會增加電纜的輻射；

9)使用平衡電路。

接地設計：

避免地環路干擾，這是一種較常見的干擾現象,常常發生在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間。其產生的內在原因是設備之間的地線電位差。地線電壓導致地環路電流，由于電路的非平衡性，地環路電流導致對電路造成影響的差模干擾電壓。

實際施工中可采用單點接地、多點接地和混合接地等方式。

5 試驗

水下電視檢測系統最重要的4個技術指標為：耐輻射性、水密性、運動性能及檢測靈敏度，與這4個技術指標關系最緊密是水下機器人部分。因此試驗的目的即主要是針對水下機器人的上述4個指標進行試驗，驗證水下電視檢測系統的整體性能。

(1)耐輻射性試驗

耐輻射性試驗對水下電視檢測系統中的材料進行了伽馬射線源輻照，輻照放射源為鈷-60伽馬射線源，輻照劑量率為5×104rad/h。輻照的材料包括密封圈、石英玻璃片、防爆有機玻璃、插座機芯、耐輻射攝像機、304不銹鋼、6061鋁合金以及耐輻照電纜，見表1。輻照時間：2012年4月11日上午9點至2012年4月19日下午5點，總時間為200 h。經累積輻照時間計算，試驗材料接受了約1.1×105Gy的輻照劑量。

對水下電視檢測系統進行伽馬射線源輻照后，材料除1根10芯插頭插座機芯有點變色外，其他材料無任何物理或電氣變化，證明水下電視檢測系統耐輻照性達到技術指標要求。

(2)水密性試驗

水密性試驗用密封容器為不銹鋼制圓柱筒，內徑為φ400 mm，高為600 mm。密封容器蓋與容器之間由密封圈和螺絲密封。密封容器上裝有壓力表，量程為0.6 MPa，精度為2.5級。

將水下電視檢測系統的水下機器人放入密封容器中，向密封容器注水，當壓力表指示0.25 MPa時停止注水，進行保壓，保壓時間為1 h。

在密封容器中對水下電視檢測系統的水下機器人部分進行加壓保壓后，將水下機器人取出進行觀察，為發現玻璃上是否有水霧產生。通電后，系統運行良好，未發現系統有電氣故障產生，證明水下電視檢測系統水密性達到技術指標要求。

(3)運動性能試驗

運動性能試驗在游泳池中進行。將水下電視檢測系統的水下機器人放入游泳池中，通過控制系統對其進行水下操作。

在水下機器人放入游泳池中，控制垂推進器搖桿向上，測試水下機器人上升功能；控制垂推進器搖桿向下，測試水下機器人下降功能。

控制主推進器搖桿向上，測試水下機器人后退功能；控制主推進器搖桿向下，測試水下機器人前進功能；控制主推進器向左和向右，測試水下機器人轉彎功能。

水下電視檢測系統控制部分的主推進搖桿和垂推進搖桿均可3級調速，分別為慢速、中速和快速。在進行運動性能試驗時，首先測試了水下機器人的前進、后退功能，均能達到技術條件要求。對水下機器人進行轉彎試驗，在特制容器中，水下機器人能夠實現在容器中原地轉彎，未碰到容器壁，滿足技術條件要求。

在對水下機器人進行懸浮試驗時，發現主推進搖桿和垂推進搖桿處于快速和中速兩級時，水下機器人會出現不能在水中懸浮的情況，同時由于水波的干擾，水下機器人不能保持穩定。當主推進搖桿和垂推進搖桿處于慢速一級時，通過操作人員的調整，水下機器人在水中一定深度范圍內能夠實現相對靜止懸浮，可以認為達到技術指標要求。

(4)檢測靈敏度試驗

使用水下電視檢測系統在不同的距離對灰度卡進行觀察，選取的距離為10 mm、3 m、5 m、8 m。通過控制系統對攝像機進行調焦，在顯示器上觀察灰度卡上直徑為0.8 mm黑線的清晰度，測試水下電視檢測系統的檢測靈敏度。

在10 mm、3 m、5 m、8 m四種距離對灰度卡進行觀察，通過對攝像機焦距的調整，能夠在顯示器上清楚的觀察到灰度卡上直徑為0.8 mm的黑線，證明水下視頻檢測系統的檢測靈敏度達到技術條件要求。

6 結論

本研究針對反應堆壓力容器在役檢查進行目視檢查時無法進行人工檢查的問題，提出了一種小型高耐輻射水下觀測機器人系統設計的方案，并重點解決了動密封選用、推進器的選配、遠程遙控及耐輻射性等問題。以低功耗的MSP 430系列單片機作為處理器實現了對水下機器人的運動及功能控制，經過實驗驗證了各項性能，設計方法可行。結果表明該系統控制精度高，功耗低，實時性好，具有很強的抗干擾能力，能有效地用于反應堆壓力容器在役檢查的目視檢測。