CN101493174B - 基于视频监控的电缆管道牵引机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于视频监控的电缆管道牵引机器人。技术方案是：主要由摄像头、机器人主体、手持控制器、电缆绕线轮单元、牵引绳和供电电源组成，机器人主体的前端安设摄像头，后端连接手持控制器、牵引绳和供电电源；益效果是：将电缆敷设过程中的管道监测和敷设拉线功能集于一身，通过前端的摄像监测器实时监视管道前方及管壁的图像，不仅能在机器人穿越管道的同时，完成敷设电缆拉线的要求；而且能够对管道中的状况进行图像监视，有效地促进电缆排管土建质量及电缆施工中的敷设质量，为电缆敷设提供了有效的辅助手段。通过该机器人的使用，能够降低电缆损伤事故、延长电缆使用寿命，具有广泛的社会及经济效益。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种机器人，特别涉及一种基于视频监控的电缆管道牵引机器人。
二、背景技术：
排管敷设是一种将电缆敷设于预先建好的地下管道中的安装方式，适用于城市交通比较繁忙、地下走廊比较拥挤、敷设条数比较多的地段。目前多以人力敷设为主。通过人力牵引塑料通棒来疏通排管损耗大，携带不便，而且对排管长度限制很大。随着非开挖技术的逐步推广，部分过河排管的长度都较长，目前的通棒根本无法使用，给管道疏通造成困难，也影响了电缆敷设质量。同时，由于施工、长时间搁置等及各种原因，地下管道内会有堵塞、管道错位等许多的异常现象，因此需要进行内部管道图象检查，探明原因，排除电缆排管中存在的隐患。这些工作的妥善解决，对城市电网安全稳定的运行，具有极其重要的作用。随着科学技术的发展，开发一种新的先进的机械化工具来替代原先落后、繁琐的手工劳动，提高工作效率，降低施工成本势在必行。
三、发明内容：
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于视频监控的电缆管道牵引机器人，大大提高了敷设电缆的效率，根本改变现阶段用人力牵引塑料通棒来疏通的复杂工序，并且可以应用于更长的管道。
其技术方案是：主要由摄像头、机器人主体、手持控制器、电缆绕线轮单元、牵引绳和供电电源组成，机器人主体的前端安设摄像头，后端连接手持控制器、牵引绳和供电电源；
所述的摄像头主要由摄像头模块和照明灯构成，
所述的机器人主体采用椭圆曲尺机体，主要在机体内设有机体电源、微控制器、电机驱动、CAN驱动器和滚轮，使机器人能在不同管径的排管中行驶，将牵引绳从排管的一端拉到另一端，同时可以以数字图像方式实时监视排管内部的情况；
所述的手持控制器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总线发送命令给机器人主体的微控制器，由微控制器通过驱动电机控制前后电机的前转，反转和停止；
电缆绕线轮单元用于给机器人提供电源和CAN总线的通讯线路，并记录机器人运行距离；
牵引绳主要用于将机器人从地下排管中拉出来。
上述的手持控制器主要由手持控制器电源、微控制器模块、液晶模块、键盘及控制面板部分组成，所述的微控制器模块采用高性能的工业级ARM芯片和单片机芯片为核心。
本发明的摄像头中采用的照明灯用来照亮排管内部，使用56个超亮白光发光二极管，提供广角照明；摄像头模块将排管内部的情景图片拍摄下来，CPU读取摄像头的数据帧，并将其拆分为适合CAN总线通信的数据短帧，通过CAN现场总线上传至手持控制器，然后在手持控制器拼合，将图像显示在液晶屏上。
CAN总线具有双向通讯能力，机器人将拍摄的排管内部图像和自身状态等信息实时上传到手持控制器；手持控制器根据操作者的要求发出指令给单片机，让单片机驱动机器人前进、后退或停止。
机器人主体内部采用Cygnal公司的C8051F040单片机，其集成CAN通讯模块，用于接收手持控制器发送来的命令，驱动电机，控制机器人前进后退和停止。
本发明的工作原理是：使用时根据不同的电缆排管管径，选择不同的椭圆曲尺组件安装在机器人上，以适应不同的管径，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机器人后部，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及CAN总线，遥控机器人前行或后退、停止，机器人前端安装有摄像监视器及照明设备，后端挂有电缆及牵引绳，摄像头实时采集机器人前端排管内部图像，图像通过综合电缆中的CAN总线传到操作者手中的控制器中，操作者可以通过控制器上的彩色液晶屏来观察排管内部的情况，当前方管道中存在障碍物时，操作者可通过控制来控制机器人停止工作甚至倒退出来，如果前方管道中没有障碍物，机器人可以一直前进直到电缆排管另一端出口，将牵引尼龙绳带到排管的另一端，将尼龙绳解下，机器人返回，即完成了电缆拉绳的敷设工作。
本发明具有的特点是：1、机器入主体采用椭圆曲尺机构，解决了机器人直径规格不同的管道中正常行驶的要求。同时具有防颠覆，易回收的特点；2、设计采用CAN总线进行图像数据传输和控制信号传输。由于使用数字方式传输数据，可以简单实现控制信号和数据信号的电缆复用；同时，CAN总线传输只需普通屏蔽双绞线，而非模拟方式使用铜轴AV电缆，使得长距离电缆的重量得以控制在机器人拖动力承受范围之内；3、手持控制器的采用，使得整套系统具有很好的移动性和灵活性，可以很方便进行作业地点的转移；4、机器人采用防水防腐蚀设计，能够适应于各种地下恶劣工作环境，工作稳定可靠。
本发明的有益效果是：将电缆敷设过程中的管道监测和敷设拉线功能集于一身。通过前端的摄像监测器实时监视管道前方及管壁的图像，不仅能在机器人穿越管道的同时，完成敷设电缆拉线的要求；而且能够对管道中的状况进行图像监视，有效地促进电缆排管土建质量及电缆施工中的敷设质量，为电缆敷设提供了有效的辅助手段。通过该机器人的使用，能够降低电缆损伤事故、延长电缆使用寿命，具有广泛的社会及经济效益。
四、附图说明：
附图1是本发明的系统原理框图；
附图2是本发明的正面机械结构示意图；
附图3是本发明的侧面机械结构示意图；
附图4是本发明的机器人主体的电气硬件组成框图；
附图5是本发明的系统电源模块功能示意图；
附图6是本发明的手持控制器的内部硬件结构框图。
五、具体实施方式：
结合附图1-6，对本发明作进一步的描述：
其技术方案是：主要由摄像头(1)、机器人主体(2)、手持控制器(3)、电缆绕线轮单元、牵引绳和供电电源组成，机器人主体(2)的前端安设摄像头(1)，后端连接手持控制器(3)、牵引绳和供电电源；所述的摄像头主要由摄像头模块和照明灯构成，所述的机器人主体(2)采用椭圆曲尺机体，主要在机体内设有电源、微控制器、电机驱动、CAN驱动器和滚轮(4)组成，使机器人能在不同管径的排管中行驶，将牵引绳从排管的一端拉到另一端，同时可以以数字图像方式实时监视排管内部的情况；所述的手持控制器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总线发送命令给微控制器，由微控制器控制前后电机的前转，反转和停止；电缆绕线轮单元主要用于给机器人提供电源和CAN通讯线路，并可以记录机器人运行距离；牵引绳主要用于收放牵引绳，将机器人从地下排管中拉出来。
其中，机器人主体是本系统的最重要组成部分，安装有电机驱动装置，电机驱动装置的前进、后退或停止是可以远程控制的，通过与手持控制器的交互来实现。
通常电缆排管会有积水或浸水，因此要求机器人有较好的密封防水性能；同时由于积水，排管内表面会变得很光滑而摩擦较小，这就要求机器人必须采用特殊的机械结构，以提供足够的正压力，防止机器人在排管中打滑。
由于要求能够长时间在地下恶劣的工作环境中工作，系统除应该能适应较宽的温度范围外，控制内核还应该有较强的抗干扰能力，以克服施工现场的各种电磁干扰。机器人以高性能的工业级ARM芯片和单片机芯片为核心，保证控制系统具有极高的可靠性；同时系统采用抗干扰性能极好的CAN总线技术，不仅增加了系统可靠性(与RS485总线相比)，也减少了连线芯数(与以太网通讯相比)，并具有较高的通讯速率。机器人设计有照明光源和摄像头，照明光源用来照亮排管内部，使用56个超亮白光发光二极管，提供广角照明。摄像头将排管内部的情景图片拍摄下来，照片尺寸设计为320×240，CPU读取摄像头的数据帧，并将其拆分为适合CAN总线通信的数据短帧，通过CAN现场总线上传至手持控制器，然后在手持控制器拼合，并通过软件实现JPEG解码，将图像显示在一个2.82寸的TFT液晶屏上。
CAN总线具有双向通讯能力，机器人将拍摄的排管内部图像和自身状态等信息实时上传到手持控制器；手持控制器根据操作者的要求发出指令给单片机，让单片机驱动机器人前进、后退或停止。机器人与手持控制器的通讯通过一个自定义通讯协议来规范，该协议给出完整的图像数据帧拆分和拼装的方法，并定义出不同的数据帧类型来实现机器人与主控计算机的交互，包括手持控制器对机器人控制其前进、后退等指令。
系统采用了一个单独的电源模块，考虑到电机的额定负载电流，堵转状态下的最大电流，输电线上的损耗，电源模块的转换效率等诸多因素，最终采用220VAC转75VDC，分别给机器人和手持控制器供电。
参照附图2和3，牵引机器人的机械结构主要由：广角摄像头、增力臂结构、微电机、电路板、驱动轮、耐腐蚀外壳、密封圈等部件组成，是整个管道探测仪系统的执行机构，它的性能将直接影响整个系统的功能实现，使用时选择不同的椭圆曲尺组件安装在机器人上，以适应不同的管径5。
1、采用增力臂结构，解决了如下几方面问题：1)机器人能在直径规格不同的排管中正常行驶，其机构能调节尺寸大小，并且要能做到在每个直径规格管子里所给驱动轮的正压力值基本相同，从而保证机器人驱动特性稳定；2)机构应具有防翻覆的能力；3)机构应有安全回收措施，不会造成进不得，退不得的现象；
2、防水和防腐蚀设计：在机器人的设计中，还考虑了防水的问题。排管埋于地下，地下水或雨水可能进入排管，因此，端盖处设计为静密封，轮轴处设计为动密封。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。
参照附图4和5，基于视频监控的电缆管道牵引机器人的电气硬件组成如下：
电源模块：由于控制电缆设计长度为250米，考虑到线阻损耗及电缆线径等因素，同时又要保证机器人电机150W以上的电源功率，供电电压必须较高。结合施工现场的条件，采用一个AC-DC电源转换电路，将220V交流电转化为75V直流电分别给机器人和手持控制器供电。
电源模块将220V交流通过AC-DC转换为75V直流输入控制电缆，75V直流分成2路，一路为机器人提供电源，另一路通过DC-DC变换成5V直流，再通过低压差稳压器(LDO)转换成3.3V直流和1.8V直流，用于给手持控制器提供电源。
处理器模块：
1、ARM7TDMILPC2119
微处理器模块作为牵引机器人的控制核心，主要负责协调各功能模块，控制机器人工作。摄像头部分设计采用Philips公司的LPC2119ARM微处理器。该芯片是基于ARM7TDMI-S内核的ARM微控制器，具有处理速度快、功耗低、封装小等特点，同时还集成了CAN通讯模块。
2、C8051F040
牵引机器人内部采用Cygnal公司的C8051F040单片机，此MCU具有速度快，功能强等特点，同时还集成了CAN通讯模块，可以接收手持控制器发送来的命令，驱动电机，控制机器人前进后退和停止。
具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F040单片机是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。每个MCU都可在工业温度范围(-45℃到+85℃)工作，工作电压为2.7～3.6V。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F040为100脚TQFP封装。
摄像监视器
摄像监视器负责实时采集机器人前方排管内部的图像，将其转换为数字信号后由CAN总线传输给控制器。主要由广角镜头、CMOS图像传感器、图像处理芯片组成。
CMOS传感器使用VV6501。该传感器特性如下：
VV6501 CMOS传感器能提供640×480(VGA)分辨率，其内部集成的10位ADC能提供最大30帧(VGA)/秒的采样速率，并通过ST公司内部定义的4/5线高速数字接口输出数字图像数据。VV6501自带电压调整器，可以接收3.3V或者USB5V供电。
图像处理芯片采用STV0676数字图像处理芯片。目前市场上硬件JPEG压缩芯片种类繁多，很多公司都推出各自的图像处理芯片。STV0676是ST半导体公司的数字图象处理器，提供USB接口和Digiport接口，可以把从图像传感器接收到的数据压缩成JPEG格式，然后传输到USB接口或者主机接口。包括4个功能模块：视频处理器(VP)、视频压缩器(VC)、USB控制块、8052通用控制器内核。
STV0676内部的8052微处理器控制数据流，把MCU发送给STV0676的信息转发到VP。VP模块为图像传感器提供SCLK，10位的图像数据通过SDATA[4:0]进行传输。另外，VP模块还实现颜色空间转换，把RGB转换为YCbCr。STV0676包括3个寄存器组：Bank0、Bank1、Bank2，这些寄存器分别用于配置输出图像格式、操作模式、帧率、电源控制等。和VV6501一样，这些寄存器也是通过I2C总线来配置，而不是通过地址总线来直接进行操作。
电机驱动模块
本系统不仅要完成电缆敷设的功能，还可以起到管道检测和清扫的作用；由于涉及物体牵引，机器人必须提供很大的牵引力。
电机驱动模块主要负责控制微型电机工作。机器人采用双直流电机，通过控制电机两端的电压方向即可控制电机的转动方向。
采用MC33186H桥电机驱动芯片，其原理是通过改变电机接入的桥臂来改变电机两端的电压方向。利用单片机控制芯片输出来实现。
CAN通讯模块
通过对整个系统的功能需求分析，要求系统必须能采集和处理排管内部实时图像和能进行远距离高速通讯(用来传输图像)，CAN总线用于本设计具有极大的优势。
参照附图6，对本发明的手持控制器(3)进行描述：手持控制器通过CAN总线接受机器人传回的管道前方及管壁的图像数据，经过软件JPEG解码，在LCM液晶上显示出来。通过手持控制器面板上的前进、后退、停止按键，控制机器人的动作。同时，手持控制器根据机器人当前的运行状态，在LCM液晶屏幕上显示机器人的运动状态。因此控制器需要实现以下功能：
1.按键控制：响应手持器的按键信号，并转换成对应命令通过CAN总线上传给机器人。
2.CAN总线通讯：通过CAN总线，接收机器人端传输过来的JPEG图像数据，同时按要求将手持控制端的命令上传给机器人。
3.JPEG解码：将收到的JPEG图像数据通过软件解码成相应的RGB(565)原始数据。
4.彩色液晶图像显示：将解码后的RGB(565)数据在TFT-G240320UTSW-39WLCD(320×240)彩色液晶屏上显示。
微控制器模块
由于涉及到JPEG图像的软件解码工作，所以微控制器应该具有高速的处理能力、足够的数据缓冲区，同时为了和液晶模块连接，微控制器还需要有足够的外部总线端口资源。控制器设计采用NXP公司的LPC2292ARM微控制器[24]，该处理器除了具有LPC2119的高处理速度、低功耗等各项特点之外，具有更丰富的通用IO口(112个)，可以很方便的分配给液晶模块及外部存储器使用。
彩色液晶显示模块
彩色液晶模块用于显示摄像监视器拍摄到的管道前方和管壁的图像，并可显示当前小车的运行状态。采用TFT-G240320UTSW-39W LCD彩色液晶显示屏。
控制器面板
手持控制器上的按键主要有前进、后退、停止。分别控制牵引机器人前进、后退与停止。按键采取薄膜开关实现，美观方便。
Claims (1)
1.一种基于视频监控的电缆管道牵引机器人，其特征是：主要由摄像头(1)、机器人主体(2)、手持控制器(3)、电缆绕线轮单元、牵引绳和供电电源组成，机器人主体(2)的前端安设摄像头(1)，后端连接手持控制器(3)、牵引绳和供电电源；
所述的摄像头主要由摄像头模块和照明灯构成，
所述的机器人主体(2)采用椭圆曲尺机体，主要在机体内设有机体电源、微控制器、电机驱动、CAN驱动器和滚轮(4)，使机器人能在不同管径的排管中行驶，将牵引绳从排管的一端拉到另一端，同时可以以数字图像方式实时监视排管内部的情况；
所述的手持控制器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总线发送命令给机器人主体(2)的微控制器，由微控制器通过电机驱动控制前后电机的前转，反转和停止；
电缆绕线轮单元用于给机器人提供供电电源和CAN总线的通讯线路，并记录机器人运行距离；
牵引绳的收放用于将机器人从地下排管中拉出来。
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