管道内窥系统设计探究--零偏科技

1、管道内窥系统设计探究摘要：管道内窥系统是地下管线探测设备发展的重要方向，本文提岀一种管道内窥系统的设计方 案，详细介绍了各部分的设计思路和工作原理。首先在机械设计中分析了系统受力情况，根据受 力计算结果选择了电机。然后在电路部分针对所选电机设计驱动电路，并且设计了直流载波通讯 和视频传输等电路。最后在软件设计部分，对不同模块进行功能划分，给出了软件结构图。 关键词：管道内窥系统；机械设计；直流载波；视频传输；软件设计引言地下管线作为城市基础设施重要组成部分，主要承担着通信、供电、供水、能源供给等重要 职能，是城市的“生命线”。随着城市化进程的不断加快，地下管线的规模也不断增加，有限的地 下空间

2、中，交错分布着各类的管线，为其日常的管理和维护工作带来了巨大的挑战。近年来，我 国发生了很多山地下管线引起的安全事故，给人们的财产和安全带来了巨大的威胁。目前，国内 市场上也有很多类型的地下管线探测设备，按其使用特点可分为介入式探测设备和外置式探测设 备。这些设备只能探测地下管线的位置，无法满足实时查看管道内部画面的需求。由于西方国家 工业发展水平较高，管道内窥设备发展较早，早在2000年左右德国和澳大利亚就已经有基于 cctv的管内检测系统山，该检测系统可以在管道中运行，并且扑i摄管内画面。国内管道内窥设 备发展较晚，市场上还没有特别成熟的产品，而且价格都比较高，大大提髙了施工成本，不利于

3、工程应用。综合国外内窥设备的特点，立足国内施工需求，本文提岀设计的管道内窥系统具有简 单、高效、成本低等优点。（国内外的研究现状论述不够）（引用不够）1、管道内窥系统的整体设计思路本文提出的管道内窥系统。其功能框图如下：其中。o o ooooo包含机械、硬件电路和软件等三部分设计内容。机械部分是系统的载体，不同功能的 模块需要不同的机械结构。硕件电路为系统各个功能模块提供不同的电压和控制信号，硬件电路 的原理如图1所示。软件分为嵌入式软件和上位机软件，嵌入式软件与硬件电路配合产生所需要 的控制信号，上位机软件用于发送指令和查看实时画面。实现管道内窥系统的各项功能需耍这三 部分有机地配合。图1硕

4、件原理图2、管道内窥系统的设计方案在管道内窥系统的整体设计思路屮，我们将该系统主要设计内容划分为机械、硬件电路和软 件三部分。接下來分别介绍各部分的主要设计内容：(1) 机械设计合理的机械设计是系统高效、平稳运行的基础，本设计采用行走快速、控制简单的轮式机 器人作为系统载休。机器人的尺寸很大程度上受到电机尺寸的制约，一般情况下，电机输出力矩 越大其尺寸也会越大。为了设计岀更加合理机械，首先耍分析系统的受力情况，然后根据受力分 析结果选择符合要求的电机。另外内窥系统在管道中运行时，防尘防水也是其止常工作的保证。 下面从系统受力分析和电机选型以及防水设计这两方面进行介绍。 受力分析和电机选型如图2

5、所示内窥系统在管道中爬坡时主要受到两方面的力，一方面是电缆的拖曳阻力fc, 另一方面是系统自身受到的阻力fr。解释主动轮和从动轮的阻力区别木设计主要针对水平定向钻技术铺设的地下管线，管道弯曲部分的曲率半径比较大，近似为直线 段，根据微元法得到电缆在直管道屮拖曳阻力的计算公式：f = (/, cos 0 4- sin 3)g p,厶(1)根据表1屮的参数，分段计算200m电缆在管道中的拖曳阻力fc=77.3n。如图2所示，系统在爬坡时自身受到的阻力fr可以分为机器人轮子受到的摩擦阻力f|和自 身重力的分量mgsin& ,因此可得fr的计算公式为:fr = f+mgsino fy =pn

6、二 “mg cos &在管道中爬坡时系统不发牛滑动，则需要足够大的摩擦力，以便克服电缆拖曳阻力fc和重力分量mg sin & ,即满足下面公式：/&mgsin&+巴(3)内窥系统的设计质量以及其他计算参数如表1所示：表1计算参数表质量(kg)最大爬坡 角&(°)电缆线密度(kg/m)电缆与管道 摩擦系数“/轮胎与管道 摩擦系数仏.最大行走 距离(m)25200.10.40.7200将表1参数代入式(2)得到机器人自身受到的阻力fr二249.96n,摩擦力竹二164.45n。满足 式(3),因此，系统爬坡时不会滑动。电机是本设计的动力机构，其性能

7、直接影响到内窥系统在管道屮的越障能力和行走效率。 本设计中内窥系统需要满足以下技术指标：a行走速度v=15m/minb、车轮半径r=80mmc、防水等级ip68由受力分析结果可得，该系统受到的总阻力f为：f=fr+fc=327.26n(4)考虑到成本及尺寸限制，采用双电机独立驱动的方式，对于单台电机需要克服的阻力矩m 为：m =l?g/? = 13.09nm(5)在机械设计中，采用一对锥齿轮为电机换向，齿数比为1:1,因此，电机输出转速n为：n = v/(2-/?)=29.8i*pm(6)电机转速为整数，这里取n=30rpmo根据上述计算结果，本设计中采用口本山社电机，型号为57pg2440-

8、040。该型号电机工作 口j靠，价格低且有配套的减速器，输出转速0-40rpm,输出转矩25nm,完全满足设计要求。此 外，电机有足够的裕量方便系统更换不同轮径的车轮，使用管径更加宽泛。 防水设计：由于地下环境潮湿或者雨水等作用，地下管线中都会有一定的积水，为了防止积水损坏系统 内部的电机、电路等电气设备，要求系统主体能够承受一定的水压。本设计中要求系统达到ip68的防水等级，i大i此设汁机器人时在其边缘开槽，在槽内加上防水胶圈，该措施简单易实现h.效果 好，然而在驱动轴与车轮连接处，该方法就失效了。此时考虑使用骨架油封，它可以把旋转轴两 侧的空间隔离，同时不影响旋转轴运行，这样主体内外就隔开

9、了，起到防水的作用。采用上述防 水设计后机器人主体就成为一个密封的幣体，即使在有积水的管道屮也可以止常地工作。（2）硕件电路设计电机驱动模块：在本文设计的管道内窥系统中，电机选用两个24v两相混合式的山社步进电机，步进电机 比直流电机有更大的扭矩，在断电时冇锁紧功能，并且可以在dsp程序中方便地进行电机调速。 步进电机驱动芯片选用thb6064ah两相混合式步进电机专用驱动芯片，该芯片最大输出电流 4.5a,最高驱动电压42v,具有8个细分档，4个衰减档，内置温度保护及过流保护，满足该内 窥系统步进电机的需求。另外，该驱动芯片外围电路简单，通过控制两个信号（信号cw/ccw 设置电机正反转，信

10、号clk设置脉冲）就可以驱动电机.电机驱动电路如图2所示：g£set?n xlu-ki j£lfi£lcucmyalirtoct aovt:au thd&mah 14 c 0ct1au w outumhwniio wanoxi ir r d aout 3 out.% ihmloctu图2电机驱动电路该芯片具有25个引脚，其中vref是电流设定端，通过调节该端口电压可以调节电机驱动电 流值，计算公式如下所示：' = 3r,（1）rs表示检测电阻，推荐值0.2q/0.22w, v旗取值范围o.5v3v°该电机驱动芯片有4种电流衰减方式，通过控

11、制引脚osc1与地之间的外接电阻值（推荐 值51kq ）和dcy1、dcy2的电平选择不同的衰减方式，保证电机运行在平稳、低噪声的状态； 为了抑制感应毛刺电压对芯片的损坏，在输出端（out1a、out2a、out1b、out2b）与地z 间接入电阻，使得vm/rx的值在5ma左右，电阻封装推荐0805 上。根据设计经验当输出电 流大于3a时，需要使用续流二极管（推荐肖基特二极管）以降低芯片功耗，电流过大时，会对 电路控制信号产生干扰，本设讣中使用光耦隔离的方法将控制信号进行隔离，clk脉冲信号及cw/ccw if反转信号使用hcpl-2530芯片隔离，其余信号使用tlp281-4芯片隔离，光耦

12、隔离电路如下图所示：飞jcuci图3光耦隔离电路dsp+cpld核心控制模块设汁本设计的核心控制模块使用ti公司的tms320f28335芯片，该dsp是由c2000系列发展 而來，可以进行32位的高粘度浮点运算，具冇epwm （增强型脉宽调制模块、eqep （增强型 止交编码脉冲模块）等，适合应用在电机控制领域。另外，芯片还集成通用i/o、spl sci等资 源，增加了芯片使用的灵活性。cpld辅助dsp时，一般有两种功能，一种是用于扩展，如外部接口或者存储空间的扩展 等；另一种是作为协处理器使用，如片选、复位、时序或ad釆集等。本设计中使用xilinx公司 的xc9572xl系列的cpld

13、芯片，作为协控制器控制电机的使能、正反转和复位等，该芯片通过4 线jtag标准协议在线编程，内部集成72个宏单元，可以反复擦写多大1万次，i/o 口兼容5v 和3.3v电平。本设讣中dsp+cpld需要一些外国电路，在此主要介绍dsp复位电路，如图4所示，对于 使用双电源供电的dsp系统，对复位信号的脉宽和上升时间有比较严格的要求，本设计中采用 ti公司的电源检测芯片tps3828-3.3为dsp提供复位信号，复位电路如图5所示。该芯片可以 检测3.3v电源，当监视电压低于1.iv时，芯片话百引脚输出低电平，当监视电压高于门限值 （2.93v）芯片旺面引脚维持低电平一段时间（200ms）,然后

14、输岀高电平，保证dsp芯片可靠 复位。此外，芯片具有外部复位功能，当芯片引脚顾输入低电平，芯片复位引脚閘f立即产 牛复位信号使系统复位。图4 dsp复位电路 通信模块设计本设计中采用直流载波技术进行上下位机之间的通信。直流载波电路主要由网络接口控制器p485、功率放大器pill.滤波电路、放大电路和线性耦合电路组成。其原理如图5所示：at mircm.oz91113巧wt 1b、图5直流载波原理图其屮p485芯片主要实现的是扩频通信，所谓扩频通信即将待传送的基带信号用扩频序列发 生器产生的伪随机编码做扩频调制，实现频谱扩展后，形成相当带宽的低功率谱密度信号再传输, 接收端采用同样的伪随机码通过

15、相关处理恢复成窄带后再解调数据，恢复出原始信息。 视频传输模块视频传输模块是该内窥系统的“眼睛”，其传输原理如图6所示，通过ccd相机拍摄的管道 内部实时画面，经双绞线，上传到上位机。在双绞线上发送端增加无源模块，接收端增加有源模 块，这样可以使视频传输距离达到900m,并且画质较好。双绞线推荐超五类线且耍求承受一定的拉力°ijfii1nbhimfw4nu44-4 -“图6视频传输原理图（3）软件设计本设计屮软件包括嵌入式软件和上位机软件，嵌入式主耍包含dsp程序、cpld程序，上位机软件主要是发送控制命令，查看管道实时画面以及机器人状态等。上下位机之间的通讯使用 直流载波通讯技术，而视频传输通过双绞线模块进行，其结构框架如图7所示: a.舄專啊图7软件结构图3、总结木文简单介绍了地下管线内窥系统的发展情况，对国内外的发展现状有了初步的认识。考 虑到国内施工要求简单、实用和成本低等特点提出了一整套管道内窥系统设计方案，在方案中详 细介绍了各模块的功能和实现过程。目前，国内地下管线探测领域正在发展壮大，管道内窥系统 作为地下管线探测设备发展的重要方向，其发展前景不可估量。管道内窥系统是一个集成了机械 设计、电子电路、自动控制和计算机编程等综合学科知识在专业领域屮的应用，本文提出的设计 方案