李懷正，柏 蔚，邱平平，劉振華

（1.同濟(jì)大學(xué) 長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.上海中為智能機(jī)器人有限公司，上海 201199）

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的深入，城市地下管網(wǎng)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大，但大批的排水管道已經(jīng)接近使用年限，很多管道沒(méi)有達(dá)到使用年限就因老化而發(fā)生泄漏、破爆等事故。我國(guó)排水管道的現(xiàn)狀并不樂(lè)觀，修建于20世紀(jì)50年代左右的排水管道已使用了大約60年，它們?cè)谖鬯L(zhǎng)年累月的侵蝕以及其他外界因素的作用下，容易破損而引起污水泄漏[1]，造成環(huán)境污染和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，危害不容小覷[2]。

城市地下管道一般具有以下一些特點(diǎn)：可接近性有限（Limited Accessibility）；空間的局限性（Constrained Volumes）；水（Water）的存在；氣體（Gases）的存在，一些排水管道里面有甲醛、H2S，需要格外注意；允許（Permission），進(jìn)管檢查需要相關(guān)部門(mén)的許可；地勢(shì)（Terrain）；缺乏光亮（Absence of illumination）；與機(jī)器人的聯(lián)通是通過(guò)系繩或無(wú)線電（Communication with robot by tether or radio）等[3]。這些問(wèn)題的存在使得協(xié)助和代替人類(lèi)進(jìn)行排水管道檢測(cè)、維修的檢測(cè)設(shè)備成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。

從80年代第一臺(tái)排水管道檢測(cè)機(jī)器設(shè)備開(kāi)始，國(guó)外已有技術(shù)較成熟的產(chǎn)品上市，例如，英國(guó)雷迪（Radiodetection），德國(guó)伊伯克（IBAK），美國(guó)確視（CUES），加拿大因克吐恩（INUKTUN）[4，5]等，這些管道檢測(cè)設(shè) 備構(gòu)造精良，成像清晰，自動(dòng)化程度較高；互換性好，適應(yīng)性強(qiáng)，均配有圖像刻錄裝置；但與此同時(shí)，其價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高。因此，自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)設(shè)備成為趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)排水管道檢測(cè)設(shè)備的研究起步較晚，從90年代末開(kāi)始研制。上海交通大學(xué)，哈爾濱工程大學(xué)等早期都對(duì)管道檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了研制：上海交通大學(xué)的履帶式管道機(jī)器設(shè)備仿造履帶式車(chē)輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備上部裝有CCD圖像傳感器，由另一個(gè)直流伺服電機(jī)控制CCD圖像傳感器作俯仰運(yùn)動(dòng)，以擴(kuò)大檢測(cè)范圍，此外設(shè)備上還裝有角度傳感器[6]；哈爾濱工程大學(xué)研究的城市主排水管道穿纜、檢測(cè)設(shè)備通過(guò)自主設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，雙履帶式的行進(jìn)方式能夠適應(yīng)排水管里面的坡度和惡劣工作環(huán)境[7，8]。北京信息科技大學(xué)針對(duì)排水管道內(nèi)壁漏損、變形、淤積等問(wèn)題，將多波束聲納相控檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于管道內(nèi)壁檢測(cè)，提出采用Mills換能器交叉布陣技術(shù)通過(guò)相控旋轉(zhuǎn)掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)壁水下部分的二維探測(cè)掃描，基于梯度搜索法和小波變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到良好三維成像效果[9]。

國(guó)內(nèi)很多大學(xué)和研究所都對(duì)管道機(jī)器設(shè)備進(jìn)行了研發(fā)，并制造出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但很少達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平。并且現(xiàn)有的排水管道機(jī)器設(shè)備缺少管道淤泥厚度測(cè)量模塊以及管道清洗模塊，距離方便可靠的實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。目前排水管道設(shè)備在檢測(cè)管道時(shí)需提前對(duì)管道進(jìn)行清洗，以便觀察管道狀況，從而增加了檢測(cè)用時(shí)和檢測(cè)成本。針對(duì)市政排水管道檢測(cè)任務(wù)的特殊要求，通過(guò)開(kāi)展新型排水管道檢測(cè)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研究，研制一套新型排水管道檢測(cè)和維護(hù)設(shè)備系統(tǒng)，包括具有友好人機(jī)交互界面的控制系統(tǒng)并達(dá)到實(shí)用程度是非常必要的[2]。我們?cè)O(shè)計(jì)的新型排水管道在線檢測(cè)設(shè)備能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出排水管道底部沉積淤泥的厚度，還能根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中的需求，對(duì)需仔細(xì)觀察的管壁進(jìn)行定點(diǎn)清洗，從而節(jié)約檢測(cè)成本和檢測(cè)時(shí)間，這也是我們研發(fā)該種設(shè)備需要解決的問(wèn)題之一。該檢測(cè)設(shè)備采用世界先進(jìn)的TOPJET高壓清洗噴頭的技術(shù)，對(duì)排水管道內(nèi)粘附在管壁上的污物進(jìn)行清洗，效果顯著。

2 排水管道在線檢測(cè)設(shè)備總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型排水管道在線檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)主要包含遠(yuǎn)程操控終端和移動(dòng)平臺(tái)兩大基本單元，如圖1所示。

圖1 排水管道在線檢測(cè)設(shè)備

其中移動(dòng)平臺(tái)由傳動(dòng)裝置、攝像機(jī)、沉積物厚度測(cè)量裝置、污垢清洗裝置組成；遠(yuǎn)程操控終端由高亮度液晶屏以及面板開(kāi)關(guān)、指示燈、按鈕等組成。

用戶通過(guò)操控終端上的手柄和按鍵即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、視頻監(jiān)控、測(cè)量等控制，并實(shí)時(shí)顯示從高亮度液晶屏前端現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)平臺(tái)傳回的視頻圖像（圖2）。

圖2 排水管道在線檢測(cè)系統(tǒng)操控終端樣

3 排水管道檢測(cè)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)集成方案研究

3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

大量研究表明[10－12]，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于提高車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性和安全性起著非常大的作用，它是在車(chē)輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC或稱(chēng)ESP）普遍采用的差動(dòng)制動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)相對(duì)差動(dòng)制動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在于，其控制實(shí)施過(guò)程車(chē)輛的縱向車(chē)速保持較好，能量損耗小。其目標(biāo)就是將總的驅(qū)動(dòng)力矩和需要施加的繞質(zhì)心的橫擺控制力矩合理地分配到每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上。根據(jù)該檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行及盡可能減少能耗的需求，我們采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式作為在線檢測(cè)設(shè)備的傳動(dòng)方式。

3.2 車(chē)輪

根據(jù)設(shè)備的整體要求，在比較了履帶式和輪式移動(dòng)方式后，考慮到排水管道內(nèi)填充物比較復(fù)雜，包括泥水、石塊、木頭、枝干等雜物，履帶式移動(dòng)方式易卡死，故采用輪式移動(dòng)方式?？紤]到設(shè)備自身總量，同時(shí)要求車(chē)輛通過(guò)時(shí)有一定的緩沖能力，而車(chē)體自身的減震正好可以通過(guò)充氣輪胎來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，在選擇輪子時(shí)，選擇橡膠充氣輪胎（圖3）。

圖3 檢測(cè)設(shè)備車(chē)輪示意

3.3 散熱

研制的檢測(cè)設(shè)備散熱的方式是根據(jù)發(fā)熱程度、散熱空間大小以及使用可靠度進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于主動(dòng)式的風(fēng)冷與循環(huán)水冷散熱而言，因設(shè)備的有效散熱空間有限，同時(shí)一旦風(fēng)扇或循環(huán)水泵出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)將出現(xiàn)熱故障。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分對(duì)比了主動(dòng)散熱與被動(dòng)接觸式散熱的特點(diǎn)，并根據(jù)散熱需要，采用了導(dǎo)熱硅膠墊接觸式的散熱方式。導(dǎo)熱硅膠片是以硅膠為基材，添加金屬氧化物等各種輔材，通過(guò)特殊工藝合成的一種導(dǎo)熱介質(zhì)材料.導(dǎo)熱硅膠片能夠填充縫隙，完成發(fā)熱部位與散熱部位間的熱傳遞，還能起到絕緣、減震、密封等作用，滿足排水管道檢測(cè)設(shè)備小型化及超薄化的設(shè)計(jì)要求。除了傳統(tǒng)的PC行業(yè)，現(xiàn)在新的散熱方案就是去掉傳統(tǒng)的散熱器，將結(jié)構(gòu)件和散熱器統(tǒng)一成散熱結(jié)構(gòu)件。在PCB（Printed Circuit Board，印制線路板，簡(jiǎn)稱(chēng)印制板，電子工業(yè)的重要部件之一）布局中，將散熱芯片布局在背面或布局在正面時(shí)，在需要散熱的芯片周?chē)_(kāi)散熱孔，將熱量通過(guò)銅箔等導(dǎo)到PCB背面，然后通過(guò)導(dǎo)熱硅膠片填充建立導(dǎo)熱通道導(dǎo)到PCB下方或側(cè)面的散熱結(jié)構(gòu)件（金屬支架，金屬外殼），對(duì)整體散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也降低整個(gè)散熱方案的成本。因此，需散熱的器件與機(jī)箱底部通過(guò)導(dǎo)熱硅墊接觸實(shí)現(xiàn)有效散熱，電機(jī)通過(guò)散熱片與箱體連接，進(jìn)行有效散熱，并通過(guò)內(nèi)部溫度傳感器感覺(jué)電機(jī)溫度，通過(guò)軟件進(jìn)行有效控制。

3.4 防水密封

研制的檢測(cè)設(shè)備防水密封包括驅(qū)動(dòng)主軸與機(jī)箱動(dòng)密封和箱體箱蓋密封，驅(qū)動(dòng)主軸與機(jī)箱動(dòng)密封采用帶骨架橡膠密封皮碗，箱體箱蓋密封采用橡膠密封圈。

該密封技術(shù)適用于汽車(chē)、拖拉機(jī)及其他機(jī)械，對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起到封油的作用。由于在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有油進(jìn)入，為防止這些油從機(jī)械的間隙中泄漏，并且除了油以外還需要防止水以及塵埃及土砂從外部侵入，這時(shí)候就要用到油封的密封狀態(tài)。一是油封外緣和腔體之間為靜態(tài)密封，同時(shí)保證油封外緣在腔體之間的可靠定位。二是油封密封唇和軸之間的密封狀態(tài)，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)為動(dòng)態(tài)密封，當(dāng)軸靜止時(shí)為靜態(tài)密封。各種影響因素的綜合作用及其相互作用，都對(duì)油封的密封性能和使用壽命產(chǎn)生了很大影響。

骨架油封主要由密封體、加強(qiáng)骨架和自緊螺旋彈簧等幾部分組成。金屬骨架就如同混凝土構(gòu)件里面的鋼筋，起到加強(qiáng)的作用，并使油封能保持形狀及張力。通常，在自由狀態(tài)下的骨架油封，其內(nèi)徑比軸徑小，即具有一定的“過(guò)盈量”。因此，當(dāng)油封裝入油封座和軸上之后，油封刃口的壓力和自緊螺旋彈簧的收縮力對(duì)軸產(chǎn)生一定的徑向緊力，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，該壓力會(huì)迅速減小乃至消失，因而，加上彈簧可以隨時(shí)補(bǔ)償油封自緊力。油封外緣使油封在腔體孔內(nèi)固定的同時(shí)，起防止流體從油封外周面與腔體內(nèi)表面的接觸面之間泄漏及侵入的作用。另外金屬骨架是當(dāng)油封固定在腔體內(nèi)時(shí)，起保持配合力的作用。密封唇部是柔性彈性體，設(shè)計(jì)成在機(jī)械的震動(dòng)及密封流體壓力變動(dòng)的影響下仍可保持穩(wěn)定的密封作用，并起到保持唇部與軸表面穩(wěn)定接觸狀態(tài)的作用。彈簧可提高密封唇向軸的壓緊力，起維持此壓緊力的作用。唇端部被制作成斜鍥形狀，在端部處按壓軸表面，起密封流體的作用。防塵唇是沒(méi)有與彈簧連接的副唇，起防止塵埃侵入的作用。油封外部為圓筒形，用來(lái)保證對(duì)腔體的靜態(tài)密封，采用內(nèi)包金屬骨架的橡膠外緣；此類(lèi)產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)研究的結(jié)果，油封的密封唇結(jié)構(gòu)已經(jīng)提高到極佳的性能，進(jìn)而提高在更寬的負(fù)荷范圍內(nèi)的密封可靠性。帶防塵唇的骨架油封，可防止外界污染物和灰塵的侵入。

3.5 減振措施

機(jī)箱結(jié)構(gòu)上下尺寸全控制在輪子范圍內(nèi)，跌落、翻轉(zhuǎn)時(shí)不直接撞擊機(jī)箱。電子板卡的固定采用導(dǎo)熱硅防震墊，導(dǎo)熱硅防震墊除了具有良好的熱傳導(dǎo)率、高可壓縮性、電氣絕緣的優(yōu)點(diǎn)外，還是高性能間隙填充材料，主要用于電子設(shè)備與散熱片或產(chǎn)品外殼間的傳遞界面。能夠充分彌合結(jié)構(gòu)工藝工差，降低散熱器以及散熱結(jié)構(gòu)件的工藝工差要求。導(dǎo)熱硅膠片的硅膠載體決定了會(huì)有很好彈性和壓縮比，從而有很好減震效果。

4 新型排水管道檢測(cè)設(shè)備搭載裝置集成技術(shù)研究

4.1 全方位、全視角的圖像觀察技術(shù)

檢測(cè)設(shè)備端的視頻通過(guò)專(zhuān)用的視頻線連接到通訊與視頻壓縮傳輸模塊，然后通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程操作控制模塊（圖4、圖5）。

圖4 圖像觀察模塊組示意

圖5 視頻傳輸過(guò)程

從技術(shù)層面看，一體化攝像機(jī)鏡頭的自動(dòng)聚焦功能、DSP和CCD決定了攝像機(jī)的性能。首先就自動(dòng)聚焦功能來(lái)說(shuō)，攝像機(jī)的聚焦速度、準(zhǔn)確性和定焦效果至關(guān)重要，這也是制約一體化攝像機(jī)應(yīng)用的瓶頸，關(guān)系到攝像機(jī)能否快速、清晰地捕獲到圖像。當(dāng)攝像機(jī)能夠快速跟蹤、監(jiān)控移動(dòng)物體時(shí)，聚焦的準(zhǔn)確性和速度會(huì)受到實(shí)時(shí)考驗(yàn)；另一方面，當(dāng)攝像機(jī)持續(xù)監(jiān)控同一畫(huà)面時(shí)，光線變化很容易造成攝像機(jī)反復(fù)聚焦，影響到定焦效果。目前國(guó)產(chǎn)一體化攝像機(jī)的聚焦問(wèn)題無(wú)法得到很好解決，所以只能用于中速和低速球，以減少因高速旋轉(zhuǎn)而聚焦不良的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用的攝像機(jī)已經(jīng)很好地解決了此類(lèi)問(wèn)題。

本系統(tǒng)采用的攝像機(jī)其內(nèi)在性能更具明顯特點(diǎn)，首先是自動(dòng)聚焦功能，使得圖像非常清晰，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)控。避免出現(xiàn)視頻圖像模糊、拖尾等現(xiàn)象，并能達(dá)到很好的定焦效果。

4.2 智能遠(yuǎn)程控制技術(shù)

操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程操作控制模塊發(fā)出控制命令，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給設(shè)備本體，設(shè)備本體對(duì)命令進(jìn)行解析，然后將解析的命令通過(guò)工業(yè)CAN總線發(fā)送給相應(yīng)的控制對(duì)象，如：設(shè)備本體移動(dòng)模塊（左電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊、右電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊）、攝像機(jī)控制模塊、三自由度云臺(tái)模塊。其控制操作過(guò)程圖見(jiàn)圖6。

圖6 控制操作過(guò)程

4.3 智能遠(yuǎn)程供電技術(shù)

為了保證長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)，避免充電帶來(lái)的不便，采用交流供電。遠(yuǎn)程220V的電源，通過(guò)有線盤(pán)供給檢測(cè)設(shè)備。在檢測(cè)設(shè)備端安裝了智能開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源將電壓控制在24V。然后通過(guò)能源管理模塊給各個(gè)功能模塊供電，其系統(tǒng)能源供應(yīng)圖如圖7。

圖7 系統(tǒng)能源供應(yīng)

4.4 排水管道沉積厚度測(cè)量技術(shù)

排水管道沉積物厚度的測(cè)量在排水管道檢測(cè)中一直是個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)的量泥斗法只能粗略的測(cè)量，設(shè)備比較落后，逐漸將被淘汰。目前常用的有以下幾種方法：①圖像法：通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行判斷，可以了解管道中沉積物的大致厚度，這是一種定性的方法；②超聲波測(cè)量法：超聲波在兩種物質(zhì)的界面反射波有明顯的變化，以此來(lái)測(cè)量沉積物的厚度，相對(duì)準(zhǔn)確。但是超聲波最大的問(wèn)題是排水管道中沉積物并不均勻，同時(shí)水中也有各種漂浮物直接影響超聲波探頭的使用；另外如果考慮被測(cè)物體表面涂層、耦合劑、沉積物、材料缺陷及溫度等因素對(duì)超聲波測(cè)量的影響，測(cè)量誤差將會(huì)比較大。為此，本研究提出了一種新型沉積物厚度測(cè)量方法，利用已有的壓力傳感器技術(shù)來(lái)進(jìn)行厚度測(cè)量（圖8）。

圖8 壓力桿測(cè)量沉積物厚度示意

在管道中，我們直接測(cè)量沉積物的厚度相對(duì)比較困難，因此采用間接測(cè)量方式，測(cè)量沉積物上面的高度。由于管道的直徑是已知的，我們能夠通過(guò)反算得到待測(cè)沉積物的厚度。按示意圖，可得沉積物的厚度：

其中：管道直徑為D；PSD測(cè)量距離為H1；沉積物測(cè)量模塊高度為H2；沉積物測(cè)量探頭伸出距離為H3。

沉積物測(cè)量探頭由壓力桿組成，其原理是壓力桿在空氣、水和污泥這幾種不同介質(zhì)中行進(jìn)時(shí)所受的阻力不同，其端面受到的壓力也不同，通過(guò)其壓力的變化值來(lái)判斷水面、泥面的位置，從而通過(guò)上述計(jì)算公式確定排水管道污泥的厚度。

4.5 排水管道在線檢測(cè)設(shè)備高壓清洗系統(tǒng)

常見(jiàn)的管道清洗方式包括化學(xué)清洗、超聲波清洗、干冰清洗和高壓水射流清洗等等，其中高壓水射流清洗具有清洗效率高、適用范圍廣、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，高壓清洗機(jī)逐漸成為管道清洗的主要手段。

高壓噴頭是高壓清洗機(jī)的一個(gè)重要的工作配件，是清洗原理中的最終的執(zhí)行元件。高壓噴頭分為幾種，不同的清洗環(huán)境和要求下，如何選擇適當(dāng)?shù)母邏簢婎^非常的重要。合適的噴頭能達(dá)到提高清洗效率和提升清洗效果的目的（圖9）。

圖9 管道清洗示意

常見(jiàn)的管道清洗噴頭包括扇形噴頭、柱形噴頭、錐形噴頭、旋轉(zhuǎn)噴頭等，通過(guò)國(guó)內(nèi)外不同種類(lèi)的噴頭篩選[13～15]，選用TOPJET高壓旋轉(zhuǎn)噴頭，符合工程需要，可以達(dá)到預(yù)計(jì)清洗效果。

該產(chǎn)品具有獨(dú)特的噴頭設(shè)計(jì)，阻力位最小，打擊力高于同類(lèi)其他產(chǎn)品；同時(shí)節(jié)省投資，其較高的作業(yè)效率最大發(fā)揮了主設(shè)備的效益，節(jié)省了項(xiàng)目投資。

5 排水管道在線檢測(cè)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)在管徑為600mm的城市排水管道內(nèi)進(jìn)行一系列的性能測(cè)試，得出該種排水管道在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的行進(jìn)速度保持在0～0.5m／s，并且速度可調(diào)。由于排水管道等環(huán)境比較復(fù)雜，檢測(cè)設(shè)備需要一定的越障能力，通過(guò)在管道內(nèi)加設(shè)障礙物進(jìn)行測(cè)量，我們得出輪徑200mm的最大越障高度為6cm；同時(shí)，將其置于4m深的河道里進(jìn)行防水能力的測(cè)試，得出其防水能力滿足4m水深要求；此外，該產(chǎn)品具有優(yōu)良的視覺(jué)觀測(cè)系統(tǒng)，使用方便、觀測(cè)圖像清晰。通過(guò)設(shè)置不同的水深、泥厚工況，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備上壓力傳感器對(duì)沉積物厚度的檢測(cè)，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了沉積物厚度檢測(cè)精度小于10mm的目標(biāo)。

該種新型排水管道在線檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)思路是集成國(guó)內(nèi)外應(yīng)用效果最優(yōu)的模塊組件，包括良好的機(jī)械系統(tǒng)和圖像檢測(cè)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了管道沉積物厚度檢測(cè)和高壓清洗的功能，設(shè)計(jì)思路超前，具有很好的推廣意義。

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