專利名稱：基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機器人，特別涉及一種基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人。
二、 背景技術(shù)-
排管敷設(shè)是一種將電纜敷設(shè)于預(yù)先建好的地下管道中的安裝方式，適用于城市交 通比較繁忙、地下走廊比較擁擠、敷設(shè)條數(shù)比較多的地段。目前多以人力敷設(shè)為主。 通過人力牽引塑料通棒來疏通排管損耗大，攜帶不便，而且對排管長度限制很大。隨 著非開挖技術(shù)的逐步推廣，部分過河排管的長度都較長，目前的通棒根本無法使用， 給管道疏通造成困難，也影響了電纜敷設(shè)質(zhì)量。同時，由于施工、長時間擱置等及各 種原因，地下管道內(nèi)會有堵塞、管道錯位等許多的異?，F(xiàn)象，因此需要進行內(nèi)部管道 圖象檢查，探明原因，排除電纜排管中存在的隱患。這些工作的妥善解決，對城市電 網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行，具有極其重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)一種新的先進 的機械化工具來替代原先落后、繁瑣的手工勞動，提高工作效率，降低施工成本勢在 必行。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于視頻監(jiān)控的電纜 管道牽引機器人，大大提高了敷設(shè)電纜的效率，根本改變現(xiàn)階段用人力牽引塑料通棒 來疏通的復(fù)雜工序，并且可以應(yīng)用于更長的管道。
其技術(shù)方案是主要由攝像頭、機器人主體、手持控制器、電纜繞線輪單元、牽 引繩和供電電源組成，機器人主體的前端安設(shè)攝像頭，后端連接手持控制器、牽引繩 和供電電源；
所述的攝像頭主要由攝像頭模塊和照明燈構(gòu)成，
所述的機器人主體采用橢圓曲尺機體，主要在機體內(nèi)設(shè)有電源、微控制器、電機 驅(qū)動、CAN驅(qū)動器和滾輪組成，使機器人能在不同管徑的排管中行駛，將牽引繩從 排管的一端拉到另一端，同時可以以數(shù)字圖像方式實時監(jiān)視排管內(nèi)部的情況；
所述的手持控制器主要用于讀取攝像頭采集到的排管數(shù)字圖像，實時解碼顯示， 手持控制器通過CAN總線發(fā)送命令給微控制器，由微控制器控制前后電機的前轉(zhuǎn)， 反轉(zhuǎn)和停止；
電纜繞線輪單元主要用于給機器人提供電源和CAN通訊線路，并可以記錄機器 人運行距離；
牽引繩主要用于收放牽引繩，將機器人從地下排管中拉出來。
其中，上述的手持控制器主要由電源模塊、微控制器模塊、液晶模塊、鍵盤及控
3制面板部分組成，所述的微控制器模塊采用高性能的工業(yè)級ARM芯片和單片機芯片 為核心。
上述的攝像頭中采用的照明燈用來照亮排管內(nèi)部，使用56個超亮白光發(fā)光二極 管，提供廣角照明；攝像頭模塊將排管內(nèi)部的情景圖片拍攝下來，CPU讀取攝像頭的 數(shù)據(jù)幀，并將其拆分為適合CAN總線通信的數(shù)據(jù)短幀，通過CAN現(xiàn)場總線上傳至手 持控制器，然后在手持控制器拼合，將圖像顯示在液晶屏上。
上述的CAN總線具有雙向通訊能力，機器人將拍攝的排管內(nèi)部圖像和自身狀態(tài) 等信息實時上傳到手持控制器；手持控制器根據(jù)操作者的要求發(fā)出指令給單片機，讓 單片機驅(qū)動機器人前進、后退或停止。
上述的機器人主體內(nèi)部采用Cygnal公司的C8051F040單片機，其集成CAN通訊 模塊，用于接收手持控制器發(fā)送來的命令，驅(qū)動電機，控制機器人前進后退和停止。
本發(fā)明的工作原理是使用時根據(jù)不同的電纜排管管徑，選擇不同的橢圓曲尺組 件安裝在機器人上，以適應(yīng)不同的管徑，將機器人攝像頭朝前放入電纜排管一端入口， 將電纜及牽引繩掛在機器人后部，接通電源，電纜的電源芯線負責(zé)為機器人提供75V 電源，操作者通過手持控制器及CAN總線，遙控機器人前行或后退、停止，機器人 前端安裝有攝像監(jiān)視器及照明設(shè)備，后端掛有電纜及牽引繩，攝像頭實時采集機器人 前端排管內(nèi)部圖像，圖像通過綜合電纜中的CAN總線傳到操作者手中的控制器中， 操作者可以通過控制器上的彩色液晶屏來觀察排管內(nèi)部的情況，當前方管道中存在障 礙物時，操作者可通過控制來控制機器人停止工作甚至倒退出來，如果前方管道中沒 有障礙物，機器人可以一直前進直到電纜排管另一端出口，將牽引尼龍繩帶到排管的 另一端，將尼龍繩解下，機器人返回，即完成了電纜拉繩的敷設(shè)工作。
本發(fā)明具有的特點是1、機器人主體采用橢圓曲尺機構(gòu)，解決了機器人直徑規(guī) 格不同的管道中正常行駛的要求。同時具有防顛覆，易回收的特點；2、設(shè)計采用CAN 總線進行圖像數(shù)據(jù)傳輸和控制信號傳輸。由于使用數(shù)字方式傳輸數(shù)據(jù)，可以簡單實現(xiàn) 控制信號和數(shù)據(jù)信號的電纜復(fù)用；同時，CAN總線傳輸只需普通屏蔽雙絞線，而非 模擬方式使用銅軸AV電纜，使得長距離電纜的重量得以控制在機器人拖動力承受范 圍之內(nèi)；3、手持控制器的采用，使得整套系統(tǒng)具有很好的移動性和靈活性，可以很 方便進行作業(yè)地點的轉(zhuǎn)移；4、機器人采用防水防腐蝕設(shè)計，能夠適應(yīng)于各種地下惡 劣工作環(huán)境，工作穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的有益效果是將電纜敷設(shè)過程中的管道監(jiān)測和敷設(shè)拉線功能集于一身。 通過前端的攝像監(jiān)測器實時監(jiān)視管道前方及管壁的圖像，不僅能在機器人穿越管道的 同時，完成敷設(shè)電纜拉線的要求；而且能夠?qū)艿乐械臓顩r進行圖像監(jiān)視，有效地促 進電纜排管土建質(zhì)量及電纜施工中的敷設(shè)質(zhì)量，為電纜敷設(shè)提供了有效的輔助手段。 通過該機器人的使用，能夠降低電纜損傷事故、延長電纜使用壽命，具有廣泛的社會 及經(jīng)濟效益。四

附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖； 附圖2是本發(fā)明的正面機械結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖3是本發(fā)明的側(cè)面機械結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖4是本發(fā)明的機器人主體的電氣硬件組成框圖； 附圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)電源模塊功能示意圖； 附圖6是本發(fā)明的手持控制器的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)框圖。 五具體實施例方式
結(jié)合附圖l一6，對本發(fā)明作進一步的描述
其技術(shù)方案是主要由攝像頭(1)、機器人主體(2)、手持控制器(3)、電纜繞 線輪單元、牽引繩和供電電源組成，機器人主體(2)的前端安設(shè)攝像頭(1)，后端 連接手持控制器(3)、牽引繩和供電電源；所述的攝像頭主要由攝像頭模塊和照明燈 構(gòu)成，所述的機器人主體(2)采用橢圓曲尺機體，主要在機體內(nèi)設(shè)有電源、微控制 器、電機驅(qū)動、CAN驅(qū)動器和滾輪(4)組成，使機器人能在不同管徑的排管中行駛， 將牽引繩從排管的一端拉到另一端，同時可以以數(shù)字圖像方式實時監(jiān)視排管內(nèi)部的情 況；所述的手持控制器主要用于讀取攝像頭采集到的排管數(shù)字圖像，實時解碼顯示， 手持控制器通過CAN總線發(fā)送命令給微控制器，由微控制器控制前后電機的前轉(zhuǎn)， 反轉(zhuǎn)和停止；電纜繞線輪單元主要用于給機器人提供電源和CAN通訊線路，并可以 記錄機器人運行距離；牽引繩主要用于收放牽引繩，將機器人從地下排管中拉出來。
其中，機器人主體是本系統(tǒng)的最重要組成部分，安裝有電機驅(qū)動裝置，電機驅(qū)動 裝置的前進、后退或停止是可以遠程控制的，通過與手持控制器的交互來實現(xiàn)。
通常電纜排管會有積水或浸水，因此要求機器人有較好的密封防水性能；同時由 于積水，排管內(nèi)表面會變得很光滑而摩擦較小，這就要求機器人必須采用特殊的機械 結(jié)構(gòu)，以提供足夠的正壓力，防止機器人在排管中打滑。
由于要求能夠長時間在地下惡劣的工作環(huán)境中工作，系統(tǒng)除應(yīng)該能適應(yīng)較寬的溫 度范圍外，控制內(nèi)核還應(yīng)該有較強的抗干擾能力，以克服施工現(xiàn)場的各種電磁干擾。 機器人以高性能的工業(yè)級ARM芯片和單片機芯片為核心，保證控制系統(tǒng)具有極高的 可靠性；同時系統(tǒng)采用抗干擾性能極好的CAN總線技術(shù)，不僅增加了系統(tǒng)可靠性(與 RS485總線相比)，也減少了連線芯數(shù)(與以太網(wǎng)通訊相比)，并具有較高的通訊速率。
機器人設(shè)計有照明光源和攝像頭，照明光源用來照亮排管內(nèi)部，使用56個超亮白光 發(fā)光二極管，提供廣角照明。攝像頭將排管內(nèi)部的情景圖片拍攝下來，照片尺寸設(shè)計 為320X240， CPU讀取攝像頭的數(shù)據(jù)幀，并將其拆分為適合CAN總線通信的數(shù)據(jù)短 幀，通過CAN現(xiàn)場總線上傳至手持控制器，然后在手持控制器拼合，并通過軟件實 現(xiàn)JPEG解碼，將圖像顯示在一個2.82寸的TFT液晶屏上。CAN總線具有雙向通訊能力，機器人將拍攝的排管內(nèi)部圖像和自身狀態(tài)等信息 實時上傳到手持控制器；手持控制器根據(jù)操作者的要求發(fā)出指令給單片機，讓單片機 驅(qū)動機器人前進、后退或停止。機器人與手持控制器的通訊通過一個自定義通訊協(xié)議 來規(guī)范，該協(xié)議給出完整的圖像數(shù)據(jù)幀拆分和拼裝的方法，并定義出不同的數(shù)據(jù)幀類 型來實現(xiàn)機器人與主控計算機的交互，包括手持控制器對機器人控制其前進、后退等 指令。
系統(tǒng)采用了一個單獨的電源模塊，考慮到電機的額定負載電流，堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的最 大電流，輸電線上的損耗，電源模塊的轉(zhuǎn)換效率等諸多因素，最終采用220VAC轉(zhuǎn) 75VDC，分別給機器人和手持控制器供電。
參照附圖2和3，牽引機器人的機械結(jié)構(gòu)主要由廣角攝像頭、增力臂結(jié)構(gòu)、微 電機、電路板、驅(qū)動輪、耐腐蝕外殼、密封圈等部件組成，是整個管道探測儀系統(tǒng)的 執(zhí)行機構(gòu)，它的性能將直接影響整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，使用時選擇不同的橢圓曲尺組 件安裝在機器人上，以適應(yīng)不同的管徑5。
1、 采用增力臂結(jié)構(gòu)，解決了如下幾方面問題l)機器人能在直徑規(guī)格不同的排 管中正常行駛，其機構(gòu)能調(diào)節(jié)尺寸大小，并且要能做到在每個直徑規(guī)格管子里所給驅(qū) 動輪的正壓力值基本相同，從而保證機器人驅(qū)動特性穩(wěn)定；2)機構(gòu)應(yīng)具有防翻覆的能 力；3)機構(gòu)應(yīng)有安全回收措施，不會造成進不得，退不得的現(xiàn)象；
2、 防水和防腐蝕設(shè)計在機器人的設(shè)計中，還考慮了防水的問題。排管埋于地 下，地下水或雨水可能進入排管，因此，端蓋處設(shè)計為靜密封，輪軸處設(shè)計為動密封。 用高性能的抗腐蝕材料，防止機器人在帶有酸或堿性的水介質(zhì)中腐蝕。
參照附圖4和5，基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人的電氣硬件組成如下
電源模塊由于控制電纜設(shè)計長度為250米，考慮到線阻損耗及電纜線徑等因素， 同時又要保證機器人電機150W以上的電源功率，供電電壓必須較高。結(jié)合施工現(xiàn)場 的條件，采用一個AC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，將220V交流電轉(zhuǎn)化為75V直流電分別給 機器人和手持控制器供電。
電源模塊將220V交流通過AC-DC轉(zhuǎn)換為75V直流輸入控制電纜，75V直流分 成2路， 一路為機器人提供電源，另一路通過DC—DC變換成5V直流，再通過低壓 差穩(wěn)壓器(LDO)轉(zhuǎn)換成3.3￥直流和1.8V直流，用于給手持控制器提供電源。
處理器模塊
1、 A脂7T畫I LPC2119
微處理器模塊作為牽引機器人的控制核心，主要負責(zé)協(xié)調(diào)各功能模塊，控制機器 人工作。攝像頭部分設(shè)計采用Philips公司的LPC2119 ARM微處理器。該芯片是基于 ARM7TDMI-S內(nèi)核的ARM微控制器，具有處理速度快、功耗低、封裝小等特點， 同時還集成了 CAN通訊模塊。
62、 C8051F040
牽引機器人內(nèi)部采用Cygnal公司的C8051F040單片機，此MCU具有速度快， 功能強等特點，同時還集成了 CAN通訊模塊，可以接收手持控制器發(fā)送來的命令， 驅(qū)動電機，控制機器人前進后退和停止。
具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F040單片機是真正 能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。每 個MCU都可在工業(yè)溫度范圍(-45。C到+85。C)工作，工作電壓為2.7 3.6V。端口 I/O、 /RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F040為100腳TQFP封 裝。
攝像監(jiān)視器
攝像監(jiān)視器負責(zé)實時采集機器人前方排管內(nèi)部的圖像，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由 CAN總線傳輸給控制器。主要由廣角鏡頭、CMOS圖像傳感器、圖像處理芯片組成。
CMOS傳感器使用VV6501。該傳感器特性如下
VV6501 CMOS傳感器能提供640X480(VGA)分辨率，其內(nèi)部集成的10位ADC 能提供最大30幀(VGA) /秒的采樣速率，并通過ST公司內(nèi)部定義的4/5線高速數(shù) 字接口輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。VV6501自帶電壓調(diào)整器，可以接收3.3V或者USB5V供電。
圖像處理芯片采用STV0676數(shù)字圖像處理芯片。目前市場上硬件JPEG壓縮芯片種類繁多， 很多公司都推出各自的圖像處理芯片。STV0676是ST半導(dǎo)體公司的數(shù)字圖象處理器，提供USB 接口和Digiport接口 ，可以把從圖像傳感器接收到的數(shù)據(jù)壓縮成JPEG格式，然后傳輸?shù)経SB 接口或者主機接口。包括4個功能模塊視頻處理器(VP)、視頻壓縮器(VC)、 USB控制塊、 8052通用控制器內(nèi)核。
STV0676內(nèi)部的8052微處理器控制數(shù)據(jù)流，把MCU發(fā)送給STV0676的信息轉(zhuǎn)發(fā)到VP。 VP模塊為圖像傳感器提供SCLK， 10位的圖像數(shù)據(jù)通過SDATA[4:0]進行傳輸。另外，VP模塊 還實現(xiàn)顏色空間轉(zhuǎn)換，把RGB轉(zhuǎn)換為YCbCr。STV0676包括3個寄存器組BankO、Bankl、Bank2， 這些寄存器分別用于配置輸出圖像格式、操作模式、幀率、電源控制等。和VV6501 —樣，這 些寄存器也是通過工2C總線來配置，而不是通過地址總線來直接進行操作。
電機驅(qū)動模塊
本系統(tǒng)不僅要完成電纜敷設(shè)的功能，還可以起到管道檢測和清掃的作用由于涉 及物體牽引，機器人必須提供很大的牽引力。
電機驅(qū)動模塊主要負責(zé)控制微型電機工作。機器人采用雙直流電機，通過控制電 機兩端的電壓方向即可控制電機的轉(zhuǎn)動方向。
采用MC33186H橋電機驅(qū)動芯片，其原理是通過改變電機接入的橋臂來改變電
7機兩端的電壓方向。利用單片機控制芯片輸出來實現(xiàn)。 CAN通訊模塊
通過對整個系統(tǒng)的功能需求分析，要求系統(tǒng)必須能采集和處理排管內(nèi)部實時圖像
和能進行遠距離高速通訊(用來傳輸圖像)，CAN總線用于本設(shè)計具有極大的優(yōu)勢。 參照附圖6，對本發(fā)明的手持控制器(3)進行描述手持控制器通過CAN總線 接受機器人傳回的管道前方及管壁的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件JPEG解碼，在LCM液晶 上顯示出來。通過手持控制器面板上的前進、后退、停止按鍵，控制機器人的動作。 同時，手持控制器根據(jù)機器人當前的運行狀態(tài)，在LCM液晶屏幕上顯示機器人的運 動狀態(tài)。因此控制器需要實現(xiàn)以下功能
1. 按鍵控制響應(yīng)手持器的按鍵信號，并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)命令通過CAN總線上傳給 機器人。
2. CAN總線通訊通過CAN總線，接收機器人端傳輸過來的JPEG圖像數(shù)據(jù)， 同時按要求將手持控制端的命令上傳給機器人。
3. JPEG解碼將收到的JPEG圖像數(shù)據(jù)通過軟件解碼成相應(yīng)的RGB (565)原 始數(shù)據(jù)。
4. 彩色液晶圖像顯示將解碼后的RGB(565)數(shù)據(jù)在TFT-G240320UTSW-39W LCD (320X240)彩色液晶屏上顯示。
微控制器模塊
由于涉及到JPEG圖像的軟件解碼工作，所以微控制器應(yīng)該具有高速的處理能力、 足夠的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時為了和液晶模塊連接，微控制器還需要有足夠的外部總線端 口資源?？刂破髟O(shè)計采用NXP公司的LPC2292ARM微控制器[24]，該處理器除了具 有LPC2119的高處理速度、低功耗等各項特點之外，具有更豐富的通用10 口 (112 個)，可以很方便的分配給液晶模塊及外部存儲器使用。
彩色液晶顯示模塊
彩色液晶模塊用于顯示攝像監(jiān)視器拍攝到的管道前方和管壁的圖像，并可顯示當 前小車的運行狀態(tài)。采用TFT-G240320UTSW-39WLCD彩色液晶顯示屏。
控制器面板
手持控制器上的按鍵主要有前進、后退、停止。分別控制牽引機器人前進、后退 與停止。按鍵采取薄膜開關(guān)實現(xiàn)，美觀方便。
權(quán)利要求
1、一種基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人，其特征是主要由攝像頭(1)、機器人主體(2)、手持控制器(3)、電纜繞線輪單元、牽引繩和供電電源組成，機器人主體(2)的前端安設(shè)攝像頭(1)，后端連接手持控制器(3)、牽引繩和供電電源；所述的攝像頭主要由攝像頭模塊和照明燈構(gòu)成，所述的機器人主體(2)采用橢圓曲尺機體，主要在機體內(nèi)設(shè)有電源、微控制器、電機驅(qū)動、CAN驅(qū)動器和滾輪(4)組成，使機器人能在不同管徑的排管中行駛，將牽引繩從排管的一端拉到另一端，同時可以以數(shù)字圖像方式實時監(jiān)視排管內(nèi)部的情況；所述的手持控制器主要用于讀取攝像頭采集到的排管數(shù)字圖像，實時解碼顯示，手持控制器通過CAN總線發(fā)送命令給微控制器，由微控制器控制前后電機的前轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止；電纜繞線輪單元主要用于給機器人提供電源和CAN通訊線路，并可以記錄機器人運行距離；牽引繩主要用于收放牽引繩，將機器人從地下排管中拉出來。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人，其特征是所 述的手持控制器(3)主要由電源模塊、微控制器模塊、液晶模塊、鍵盤及控制面板 部分組成，所述的微控制器模塊采用高性能的工業(yè)級ARM芯片和單片機芯片為核心。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人，其特征是所 述的攝像頭(l)中采用的照明燈用來照亮排管內(nèi)部，使用56個超亮白光發(fā)光二極管， 提供廣角照明；攝像頭模塊將排管內(nèi)部的情景圖片拍攝下來，CPU讀取攝像頭的數(shù)據(jù) 幀，并將其拆分為適合CAN總線通信的數(shù)據(jù)短幀，通過CAN現(xiàn)場總線上傳至手持控制 器，然后在手持控制器拼合，將圖像顯示在液晶屏上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人，其特征是所 述的CAN總線具有雙向通訊能力，機器人將拍攝的排管內(nèi)部圖像和自身狀態(tài)等信息實 時上傳到手持控制器；手持控制器根據(jù)操作者的要求發(fā)出指令給單片機，讓單片機驅(qū) 動機器人前進、后退或停止。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人，其特征是所 述的機器人主體(2)內(nèi)部采用Cygnal公司的C8051F040單片機，其集成CAN通訊 模塊，用于接收手持控制器發(fā)送來的命令，驅(qū)動電機，控制機器人前進后退和停止。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于視頻監(jiān)控的電纜管道牽引機器人。技術(shù)方案是主要由攝像頭、機器人主體、手持控制器、電纜繞線輪單元、牽引繩和供電電源組成，機器人主體的前端安設(shè)攝像頭，后端連接手持控制器、牽引繩和供電電源；有益效果是將電纜敷設(shè)過程中的管道監(jiān)測和敷設(shè)拉線功能集于一身，通過前端的攝像監(jiān)測器實時監(jiān)視管道前方及管壁的圖像，不僅能在機器人穿越管道的同時，完成敷設(shè)電纜拉線的要求；而且能夠?qū)艿乐械臓顩r進行圖像監(jiān)視，有效地促進電纜排管土建質(zhì)量及電纜施工中的敷設(shè)質(zhì)量，為電纜敷設(shè)提供了有效的輔助手段。通過該機器人的使用，能夠降低電纜損傷事故、延長電纜使用壽命，具有廣泛的社會及經(jīng)濟效益。
文檔編號F16L55/28GK101493174SQ20081023779
公開日2009年7月29日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者盧國筠, 吳洪勛, 姜吉平, 宋繼中, 崔其會, 王兆軍, 健 裴, 高永強 申請人:山東電力集團公司東營供電公司