核工業耐輻照云臺攝像頭裝置的設計與功能

袁徽涌 高鵬飛 趙曉龍

（北京軒宇智能科技有限公司，北京 100086）

隨著核能技術的不斷開發和利用，各類核電站以及核能利用裝置也逐漸在一線中投產。這些核能利用設施在給社會帶來極大福利的同時，其工作場所的安全穩定運行也面臨嚴峻考驗。快速并且有效地監督生產流水線的工作情況，成為安全生產的必備要求[1]。基于此，該文開發了一種針對輻照云臺的攝像頭裝置，該裝置能夠廣泛地應用在各類核能工業以及高放射性的生產監控體系中。

1 系統構建及功能設計

耐輻射攝像機是針對核電站等高輻射環境下的應用而設計的，它能夠在高輻射環境下完成觀察、監視等工作。因為核工業環境內可能存在劑量不同的輻射，而輻射會對攝像成像器材核心傳感器CCD 或者CMOS 造成致命的損傷；所以在輻射環境內使用的攝像頭都需要進行專門的防輻射處理，傳統的方法是在鏡頭外部包裹高比重金屬材料（例如不銹鋼、鴿合金或鉛合金）來屏蔽輻射[2]。在光軸上放置含鉛玻璃來屏蔽與可見光一起射入的射線。但是由于鉛玻璃不能完全阻隔伽馬射線等常見射線，因此會導致內環境的成像質量下降。為了有效地平衡二者之間的互相影響，因此需要研制一款體積小巧、重量較輕且成像質量優良的新型防輻射攝像頭，同時該攝像頭還要具備體積小、重量輕、結構緊湊、可靠性高以及耐輻射能力強等特點。耐輻照攝像頭主要是由攝像頭主體、數據傳輸設備及裝置組成。攝像頭的部分主體以及傳輸部分主要由鋁箔包裹起來，有效地防止可見光對電磁信號的干擾。同時攝像頭采集到的視頻信號能夠通過USB通信線纜實時地傳輸到計算機中，通過有線傳輸最大程度地保證了數據傳輸的穩定性[3]。

但是在輻射環境中，除了可見光以外，還有很多種輻射射線，例如伽馬射線，而這些射線會對攝像頭核心傳感器CCD 和CMOS 等半導體造成很大損害，使攝像頭的快速實效。而在輻射環境中，對視頻信息的獲取尤其重要，因此需要研制防輻射攝像頭。攝像頭屬于電子設備，常見的電子設備中受到的干擾通常是由EMI 中非線性元件造成的，其內部結構通常是由時鐘電路、振蕩器、開關電源噪聲、數字邏輯電路和處理器組成[4]。這些部分幾乎是所有電子設備所共有的，因此其頻率都分布在短波和微波頻段，頻率較高。所有的設備在出廠前都會經過EMI 測試，確保其輻射能量的數值會控制在一定的標準范圍內，有的電子設備有屏蔽層，該信號是十分微弱的，在一個大范圍內容易被其他環境噪聲淹沒；因此在進行性能測試時，需要重點檢測該內容。

2 攝像頭系統的軟硬件及控制系統設計

在實際的核能產業環節中，由于工作場地基本都是密封場地，人員不得進入，云臺攝像頭發生故障時只能通過動力機械手進行快速更換。因此在對硬件系統進行設計時，其性能參數的設計至關重要。在設計硬件功能時，需要充分考慮可能出現的各種意外情況。在實際的工作進程中可以通過動力手臂進行遠程快換，能夠有效地對物料進行實時監控和跟隨監控，視覺跟隨技術組件主要是通過貨叉來實現轉運；因此在該過程中，組件對貨叉狀態的監控至關重要。該文設計的攝像頭裝置的視頻監控系統和貨叉的隨動技術在核工業領域內尚屬首次應用，在叉取的過程中，攝像頭與貨叉進行聯動；攝像頭能夠快速地進行切換。視頻系統根據接收的信號切換到對應區域攝像頭的圖像，實現視覺跟隨的功能。監視貨叉叉取的過程中，攝像頭與貨叉進行聯動，保證組件的安全性。根據轉運流程切換到相關畫面，畫面按照區域顯示、切換。實現了貨叉與攝像頭的聯動，貨叉運行到相應位置，攝像頭就旋轉到與貨叉對應好的坐標點。旋轉攝像頭控制網絡結構如圖1 所示。

圖1 旋轉攝像頭控制網絡圖

在實際的運行過程中，需要實時觀察組件運行的狀況以及監視貨叉叉取組件的運行狀態，根據轉運流程切換到相應的畫面；在轉運組件時，顯示屏對應組件所在的不同區域進行切換，這兩項技術可提高產線運行的可靠性以及產線的智能化程度，達到人機結合的效果。其功能的組成部分如下：1）組件轉運跟蹤功能。視頻系統中設定有多個監控坐標。每個監控坐標對應不同的監控區域，當轉運車轉運時，視頻系統通過設備運行數據判斷當前設備的運行區域，并控制旋轉攝像頭旋轉到該區域對應的坐標，從而實現對組件轉運的跟蹤。2）畫面自動切換功能。轉運車轉運組件時，視頻系統通過讀取轉運車的狀態信息自動地把監控畫面切換到設備轉運區域的攝像頭畫面上，實現對轉運過程的實時監控。3）場景切換功能。通過操作屏切換視頻監控場景來切換不同顯示屏要監控的設備區域。其裝置的空間位置關系圖如圖2 所示。

圖2 裝置的位置區域

如圖2 所示，攝像頭位于D 區域的上部，通過旋轉攝像頭預先設定多個區域坐標，當組件轉運到某個區域時，視頻系統對其進行聯動跟蹤，通過采集到的數據判斷組件的轉運區域，并控制攝像頭運行到該區域的位置坐標，實現對組件轉運的跟蹤。

3 耐輻照云臺攝像頭單體選型設計

3.1 圖像傳感器選型

攝像頭是目前各路監控電子系統中應用最為廣泛的圖像傳感器，依據圖像信號處理方式的不同，可以分為模擬類型號傳感器和數字類信號傳感器。同時，根據采用芯片的不同，也可以分為CMOS 型芯片和CCD 模擬芯片；但是模擬芯片類的攝像頭在圖像質量、感光度和噪聲等方面的效果都比數字類攝像頭更好，因此該文最終采用Sony 的模擬CCD 攝像頭作為循跡機器人的圖像傳感器，攝像頭的分辨率參數至少能夠達到30 萬像素，輸出的信號每秒能夠傳輸60 張圖像。

3.2 視頻信號處理

機器人采用CCD模擬攝像頭作為圖像傳感器，采集過程中首先需要分裂輸出的復合視頻信號，在系統內分解成為脈沖信號和同步脈沖信號。該文采用LM1881 視頻同步信號來提取圖像信號中的時序信息，并且在采集過程中轉換成TTL的電平信號，直接輸出給單片機的I/O 口（作為中斷控制信號）。

3.3 硬件二值化電路

由于模擬攝像頭采集到的信息主要是模擬信號，并不能直接被單片機處理，因此還需要將模擬得到的灰度信號轉換成為數字信號才能被利用。模數的轉化過程中采用的是AD芯片；在傳輸至單片機之后，通過二值化閥值進行黑白判斷，但是由于不同環境下的二值化閥值的大小往往不同，因此極大地影響了軟件算法的適應性。基于此，該文將模擬CCD信號值直接輸入單片機的一位I/O 口中，并在端口中進行讀取。此時1 代表的是采集到的白色圖像，而0 代表的是采集的黑色圖像。根據現場的光照等因素，通過調節滑動變阻器就能夠有效地改變圖像的二值化閾值。

3.4 電機驅動模塊

電路是由2 片IR2060 半橋式芯片和4 片NMOS 的驅動芯片搭建而成的，其中攝像頭的功能單體模型如圖3 所示。

圖3 攝像頭耐輻照云臺攝像頭

耐輻照云臺的模型編號包括1 浮動夾頭、2 防護罩、3耐輻照攝像頭、4 攝像頭驅動機構、5 導向套、6 導向塊、7底座、8 水平旋轉驅動機構、9 水平旋轉限位以及10 攝像頭旋轉限位。模型功能見表1。

表1 功能名稱列表及功能表述

通過對各類構件的功能進行組合，能夠有效地隔絕各類輻射射線，最大程度地保證設備的運行安全。在輻射機理中，主要通過原子能級躍遷產生的高能輻射，其波長很短，都具有較高的穿透能力。以伽馬射線為例，在遇到非金屬材料或較薄金屬時，可以直接穿透物體；但遇到反射鏡面時，并不會像可見光一樣被反射而改變傳播路線。利用可見光和輻射射線物理性質的不同，可以通過反射鏡分離射線和可見光的傳播路徑。因此，該文采用復合型結構充分地保證了攝像頭的運行安全和穩定性。在該過程中，能夠實現的作用主要有以下3 點。

3.4.1 云臺控制功能

通過鼠標的點選和滾輪的滾動能夠實現前端攝像機的鏡頭變焦、圖像放大和縮小，通過方向鍵可以控制云臺在各個方向上的轉動。并且通過單擊按鍵就可以實現自動掃描的過程。按照權限進行分配，控制級別高的可以優先對云臺進行控制。

3.4.2 數字矩陣功能

畫面內支持各類單像畫面、四想畫面以及多向畫面，能夠通過監控主機實現對輸出外掛解碼的控制。其控制模式主要包括組切換、點對點切換和計劃切換等，可以實現數字矩陣功能。

3.4.3 錄像及回放功能

管理人員可以結合多個時間段設定的方式進行錄像，錄像結果實時保存在主機硬盤中，便于后期實時查看。其中錄像的方式可以分為定時錄像和單次錄像2 種模式。

4 豎直角度調整機構傳動計算

4.1 最大輸出轉速

最大輸出轉速計算過程如公式（1）所示。

式中：n電為電機轉速；i為傳動減速比。

已知，傳動減速比i=30，電機的最大轉速為nm=15 rps。

由公式（1）計算可得n輸=0.5 rps。

4.2 最大負載

最大負載計算過程如公式（2）所示。

式中：fm為最大負載扭矩；lm為最大力臂；m為攝像機重量；g為重力加速度。

已知，lm=170 mm，m=5.5 kg。

由公式（2）計算可得fm=9.2 N·m。

4.3 最小輸出扭矩

最小輸出扭矩計算過程如公式（3）所示。

式中：η為傳動效率；f電為電機輸出扭矩。

當電機轉速為最大轉速nm=15 rps 時，f電=0.5 N·m，此時的電機輸出扭矩最小。

已知，η=85%。

由公式（3）算可得f輸=12.75 N·m。

綜上可得f輸>fm，豎直角度調整機構傳動設計合理。

5 結語

該文針對核工業的現場工作環境開發了一種耐輻照的云臺攝像頭，同時參照核能工業的實際產能，依據流水線的功能需求展開了對產品的設計，通過建立輻照云平臺的攝像頭裝置，有效地保證了核能流水線的安全穩定運行。對系統運行過程中軟硬件系統的功能進行了設計，并依據各個子節點的功能需求明確了功能列表及功能表述，實現了自動化的運行。該文設計的系統自動化程度較高，能夠實現完整的數據探測、數據傳輸以及數據保存的全過程功能，進而最大限度地保障現場工作人員的生命財產安全，同時該文結合系統結構的性能參數需求，對結構內部的豎直角度調整機構傳動過程進行了演算，最大限度地保證了系統結構運行的穩定性和合理性。同時在單體裝置的軟硬件功能板塊，尤其重點介紹了組件轉運跟蹤、畫面的自動切換以及場景切換，充分保證了構件設計功能的穩定性。