基于电缆高速网络传输技术的管道爬行机器人研究

严正国+楚航

摘要：为了解决管道爬行机器人在管道中高速、远距离实时传输管道中的高清图像与数据，本文采用电缆高速网络传输技术使高清的图像以及实时的数据传输到上位机系统，实现主控系统与机器人间的高速、长距离通信。通过高清网络摄像头将拍摄到的图像进行编码、压缩，经过高速图传模块后通过高速电缆进行传输，经过解调、图像解码后，可以进行录像、存储、回放。同时，高速网络图传技术也可运用于测井中，提高灵活性。

关键词：高速；长距离通信；高清图像；高速图传

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

工業与城市发展中，管道已经得到了广泛的应用，且工业管道与石油管道通常传输距离达几公里甚至几十公里。由于腐蚀、重压等作用，管道不可避免地会出现裂纹、漏孔等现象，或是由于建筑物在管道之上，人们不方便进入或者由于空间狭小不允许人们进入，这时管道爬行机器人的出现就显得极为的重要。而国内大多管道爬行机器人只能爬行几百米，国外最先进的管道爬行机器人也只能爬行2000m，这就使得长距离通信技术变得尤为重要。管道机器人是一种先进的管道检测设备，它可以携带一种或者多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道检测工作[1]。

图1 管道机器人技术对比

上图为国外两款最先进的管道爬行机器人与我们实验室自主研发的管道爬行机器人进行的技术对比图，可以看出我们的管道爬行机器人不同于大多数的管道机器人，采用数字图像进行传输，有着更远的通信距离。管道爬行机器人是否能爬的远，是否能将图像、数据信息实时传输给主控系统，关键在于电缆是不是能够高速传输。目前绝大多数的管道爬行机器人采用的是模拟信号传输方式。模拟图像信号当在电缆上传输距离大于2000米时，信号失真严重、信噪比降低、图像模糊、同步不良。而对于数字信号，对其进行适当的编码压缩，便可适用于远距离传输，且信号完整，不失真，成本也较低。数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路[2]。

1 系统整体设计

为了使机器人高速、实时的与主控系统进行通信，本次管道爬行机器人系统主要由三部分组成：主控系统、高速电缆、机器人部分。人机显示屏通过串行通信显示机器人在管道中检测的温湿度、气体信息以及姿态数据；通过遥控手柄控制管道爬行机器人在管道中进行随意地行走，使其能够运动自如。主控系统的一端连接高速遥传模块，一端连接电缆，通过两个高速遥传模块连接在电缆的两端，使得机器人可以高速的将其在管道中采集到的图像及数据信息传递给主控系统。而对于机器人部分，主控处理器通过控制舵机使高清网络摄像头将拍摄到的图像信息传递给主控系统，同时通过发出PWM波控制电机使得其拖动机器人与电缆在管道中进行运动，加速度陀螺仪将检测管道中的传感器信号显示在人机显示屏上，以供工作人员进行进一步的指示命令。

2 电缆网络高速图传模块

传统电缆带宽比较小，当远距离传输信号时，不能达到高速传输，目前绝大多数视频传输系统仍然采用传统的模拟传输方式。模拟传输是传输模拟信号的方法，在传输过程中，模拟信号经过一定距离的传输之后，必定会信号衰减，为实现长距离传输，模拟信号传输都要使用信号放大器，但是放大器也会增加噪音分量，如果通过串联的放大器来实现长距离传输，信号将会越来越畸形[3]。而光纤虽然传输特性比较好，但由于其抗拉性不好，在复杂的管道中会由于其强度不够，造成光纤损伤，对于图像和数据等信息无法有效的传输。因此遥传技术已经成了制约成像测井系统发展的瓶颈。从某种程度上说，遥传技术的水平代表了测井采集系统的水平[4]。

电缆高速图传模块有着三大特点：其一，具有很强的自适应性，而这种自适应性分为速率自适应和电缆自适应，当接上电缆后其会自动匹配电缆，自动连接；其二具有高速传输特性，当高速遥传接上1000m的电缆，速度会达到5Mb/s，当高速遥传接上7000m的电缆，速度会达到1.5Mb/s，可以高速的传输管道机器人拍摄到的信息，以及获取的数据；其三具有网络接口，用的时候接上网线就能够使用，对于工作人员极为的方便。

3 测试过程及结果分析

测试之前，连接好高速网络图传模块，未建立连接时，高速遥传的红灯亮表示遥传与电缆未建立起链接关系，当绿灯开始亮起，由慢闪变为快闪，表示正在自适应电缆，正在建立链接，当绿灯常亮，表明建立链接完成。打开电脑网络配置，设置合适的IP地址、子网掩码、默认网关，之后打开电脑软件，进行网络摄像头IP地址的搜索后，下图是在管道中捕获到的管道图像。

4 结论

本文介绍了管道爬行机器人在管道中运行的系统组成，及电缆高速网络传输技术在管道爬行机器人上的应用。通过应用验证，可以得出电缆高速图传模块可以很好的应用于机器人上，它的宽度只有28cm宽，由于体积小可以进入内径小的管径；由于传输板有网络接口、电缆接口，更为方便，用两芯即可进行供电，传输信号信息；同时电缆高速模块具有自适应、自动连接、自动匹配的优点，还可以进行高速传输，可以在7000m电缆的距离达到传输速率1.5Mb/s，在1000m电缆的距离传输速率达到5Mb/s。电缆高速图传模块不仅可以应用于主控处理器与主控系统间进行远距离通信，同时也可以应用于水文测井、石油测井等领域中。

参考文献：

[1] 甘小明，徐滨士，董世运.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003（6）.

[2] 何小敏，王正勇.数字图像通信及其应用[M].成都：四川大学出版社，2006.

[3] 李燕杰.模拟信号源的研究与设计[J].河北：河北师范大学，2007.

[4] 杨建军，林兴春，郝秀权等.测井电缆通信系统综述.石油仪器，2007，21（3）：1-4.