一种电缆隧道巡检机器人及导航方法

摘要

本发明提供一种电缆隧道巡检机器人及导航方法，所述机器人包括移动体、通讯网络和远程终端，移动体通过通讯网络与远程终端连接。所述移动体包括运动执行机构和控制系统，运动执行机构的电机电源接线端与控制系统相连接。所述运动执行机构包括云台、基座、升降机构、铰接座、走行机构。采用双履带移动式走行机构设计，可上下伸缩、旋转调整、360度无死角范围的云台设计，使机器人整体结构体积小，可调整范围大，监控无死角，并且采用四驱加履带设计，整个基座采用重量轻的铝合金材料，使驱动能力更强，增加了机器人的越障能力和环境适应能力，采用多种检测传感器和射频卡识别装置，实现机器人的自动检测和自动导航功能。

权利要求

1.一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述机器人包括移动体、通讯网络和远程终端，移动体通过通讯网络与远程终端连接；

所述移动体包括运动执行机构和控制系统，运动执行机构的电机电源接线端与控制系统相连接；

所述运动执行机构包括云台、基座、升降机构、铰接座、走行机构；走行机构安装在基座两侧，铰接座安装在基座上部，升降机构一端安装在云台上，另一端通过铰接座铰接在基座上；

所述控制系统包括核心控制器、电缆检测装置、气体检测装置、导航定位装置、通讯装置和驱动装置，电缆检测装置、气体检测装置、导航定位装置、通讯装置和驱动装置均与核心控制器连接，核心控制器包括互相连接的DSP控制板和单片机；

所述升降机构包括丝杆座、丝杆、螺纹座以及连接臂；所述螺纹座固定在云台上，螺纹座内设有与丝杆相应的丝杆螺母，丝杆一端安装在螺纹孔内；另一端与丝杆电机相连，丝杆电机安装在丝杆座上，丝杆座通过铰接座铰接在基座上；连接臂一端铰接在云台上，另一端铰接在铰接座上。

2.根据权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述走行机构为双履带式结构，包括走行电机、前驱动轮、后驱动轮、履带，前驱动轮与后驱动轮通过履带连接，走行电机通过两个锥齿轮与驱动轮相连；所述履带上设有等间距分布的凸起，凸起采用橡胶材料制作。

3.根据权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述云台包括旋转机构以及安装在旋转机构上的云台镜头，旋转机构包括舵机，旋转机构通过安装在云台内后方舵机的正逆旋转实现云台镜头部分的左右旋转，云台镜头由内外两层弧形结构组成，内层为正常半圆弧结构，外层由半圆弧和平直挡板组成。

4.根据权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述基座采用铝合金材料制作。

5.根据权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述气体检测装置包括温湿度传感器、空气质量传感器和声光报警器，温湿度传感器、空气质量传感器和声光报警器均连接至核心控制器的单片机。

6.根据权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述电缆检测装置包括摄像头、视频卡和红外测温装置，摄像头通过视频卡连接至核心控制器的DSP控制板,红外测温装置连接至核心控制器的DSP控制板。

7.根据权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述导航定位装置包括超声波传感器组、三轴陀螺仪和设射频卡识别装置，超声波传感器组、三轴陀螺仪和设射频卡识别装置均连接至核心控制器的单片机。

8.根据权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述驱动装置包括全桥驱动模块和编码器，全桥驱动模块输入信号端连接核心控制器的单片机，动力输出端连接各运动执行机构的电机，编码器与电机同轴连接，编码器信号线连接至核心控制器的单片机。

9.权利要求1所述的一种电缆隧道巡检机器人的导航方法，其特征在于，使用射频卡充当“路牌”，在交叉路口的各个路段地表处设置射频卡，射频卡中存储其所在路段信息，导航定位装置使用射频卡读卡装置充当机器人的“眼睛”，机器人移动到该路口时，通过读取卡片信息，判定自身的位置，并结合给定路径做出正确的转向动作。

说明书

一种电缆隧道巡检机器人及导航方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种电缆隧道巡检机器人。

背景技术

[0002] 目前变电站的隧道管网总长度与日俱增。故此，隧道电缆的稳定运行直接关系到变电站的安全性与可靠性。

[0003] 在环境相对复杂的隧道中，电缆长期运行，时常出现老化、断股、磨损、腐蚀或小动物噬咬等问题，加之隧道环境恶劣，常年沉积有易燃有毒气体，如不及时采取措施，极有可能酿成火灾爆炸事故，损失惨重。所以，必须对隧道中的电缆定期检查维护，随时了解电缆运行情况及其周围环境，及时发现并消除隐患，确保供电安全。由于传统的人工检查方法效率低，且存在较多不安全因素，因此，采用搭载红外设备的移动式履带机器人对隧道电缆进行巡检，即保障了电能安全输送又促进智能电网建设。

[0004] 在变电站地下电缆沟中，时常出现电缆线路过热，引燃隧道内易燃气体的事故。究其根本，总共有两大类原因——自身原因与外部原因。自身原因则有：电缆线路长期运行导致的线路老化、断股、磨损；而外部原因则有：小动物的噬咬，气体的腐蚀等等。对于线路问题，通常需要人为进行修复，更新等工作。每一次都要消耗大量的人力物力，并且极易对维修人员造成身体伤害。故此，对于电缆沟的监测力度的要求与日俱增，然而类似于修护的问题，监测人员同样需要面临高温、有毒气体、空间狭小闭塞等问题，对于监测工作的实施造成了巨大的障碍，而工作人员的人身安全，同样存在着巨大的隐患。

[0005] 目前，变电站电缆沟的巡检工作一般至少会出动4人进行“钻沟”，其间必须携带红外测温仪、有毒气体检测仪、手电筒和相机等一大堆工具，在夏天最高温度可达五十多度，对于工作人员的体力、耐力都是极大的考验。一旦电缆沟发生紧急事件时，如起火、冒烟或不明原因的断电等，工作人员就必须穿戴齐全，即刻进行电缆沟检测，具有极大的危险性，极易造成人身伤害。旧时的巡检，费时又费力，不仅效率低下，还时常会造成工作人员的人身伤害，人体需要新陈代谢，工作方式同样需要。

[0006] 综上所述，传统的人工工作方式缺陷明显。劳动强度大、作业效率低、作业质量不稳定，存在严重的人身安全隐患，已经越来越适应不了现代社会的发展需要。随着机器人技术日趋成熟，智能机器人设备将会成为智能电网的重要组成部分，电缆隧道巡检机器人具有很大的发展潜力与市场前景，我国经济持续发展，全面小康社会的建设会使得人们用电量的需求大大增加，人民群众生产生活对电力的依赖度越来越高，对变电站供电能力和供电质量提出更高的要求。

[0007] 2012年由杭州市电力局和浙江大学共同研发的电缆隧道巡检智能机器人问世，该机器人具有自主巡检、突发事件处理、远程监控功能，续航能力长达4小时，配有高清可见光和红外摄像机、有害气体检测装置，可实现对隧道内电缆形变、温度及有害气体的监测，并将隧道内实时情况通过隧道综合监控系统传输至输电线路状态监测中心，以取代人工巡检，实现隧道内全路径自主巡检，能有效解决高压电缆隧道巡检难度大、人工巡检危险系数高等问题。线路运检人员足不出户即可掌握电缆隧道内部设备运行情况，实现了综合智能监控与智能逻辑连锁的管控一体化。但是，该机器人采用轮式移动结构，越障能力较差，只能在大型的地面相对平缓的电缆隧道中进行工作。

[0008] 目前，采用履带移动方式的机器人结构设计体积仍然较大，并且其云台设计结构调整功能也无法满足小型电缆管道的巡检任务。

发明内容

[0009] 为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种电缆隧道巡检机器人及导航方法，采用双履带移动式走行机构设计，可上下伸缩、旋转调整、360度无死角范围的云台设计，使机器人整体结构体积小，可调整范围大，监控无死角，并且采用四驱加履带设计，整个基座采用重量轻的铝合金材料，使驱动能力更强，增加了机器人的越障能力和环境适应能力，采用多种检测传感器和射频卡识别装置，实现机器人的自动检测和自动导航功能。

[0010] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0011] 一种电缆隧道巡检机器人，所述机器人包括移动体、通讯网络和远程终端，移动体通过通讯网络与远程终端连接。

[0012] 所述移动体包括运动执行机构和控制系统，运动执行机构的电机电源接线端与控制系统相连接。

[0013] 所述运动执行机构包括云台、基座、升降机构、铰接座、走行机构；走行机构安装在基座两侧，铰接座安装在基座上部，升降机构一端安装在云台上，另一端通过铰接座铰接在基座上。

[0014] 所述控制系统包括核心控制器、电缆检测装置、气体检测装置、导航定位装置、通讯装置和驱动装置，电缆检测装置、气体检测装置、导航定位装置、通讯装置和驱动装置均与核心控制器连接，核心控制器包括互相连接的DSP控制板和单片机。

[0015] 所述走行机构为双履带式结构，包括走行电机、前驱动轮、后驱动轮、履带，前驱动轮与后驱动轮通过履带连接，走行电机通过两个锥齿轮与驱动轮相连；所述履带上设有等间距分布的凸起，凸起采用橡胶材料制作。

[0016] 所述升降机构包括丝杆座、丝杆、螺纹座以及连接臂；所述螺纹座固定在云台上，螺纹座内设有与丝杆相应的丝杆螺母，丝杆一端安装在螺纹孔内；另一端与丝杆电机相连，丝杆电机安装在丝杆座上，丝杆座通过铰接座铰接在基座上；连接臂一端铰接在云台上，另一端铰接在铰接座上。

[0017] 所述云台包括旋转机构以及安装在旋转机构上的云台镜头，旋转机构包括舵机，旋转机构通过安装在云台内后方舵机的正逆旋转实现云台镜头部分的左右旋转，云台镜头由内外两层弧形结构组成，内层为正常半圆弧结构，外层由半圆弧和平直挡板组成。

[0018] 所述基座采用铝合金材料制作。

[0019] 所述气体检测装置包括温湿度传感器、空气质量传感器和声光报警器，温湿度传感器、空气质量传感器和声光报警器均连接至核心控制器的单片机；

[0020] 所述电缆检测装置包括摄像头、视频卡和红外测温装置，摄像头通过视频卡连接至核心控制器的DSP控制板,红外测温装置连接至核心控制器的DSP控制板；

[0021] 所述导航定位装置包括超声波传感器组、三轴陀螺仪和设射频卡识别装置，超声波传感器组、三轴陀螺仪和设射频卡识别装置均连接至核心控制器的单片机；

[0022] 所述驱动装置包括全桥驱动模块和编码器，全桥驱动模块输入信号端连接核心控制器的单片机，动力输出端连接各运动执行机构的电机，编码器与电机同轴连接，编码器信号线连接至核心控制器的单片机。

[0023] 所述通讯装置包括电力载波线缆、电力载波调制解调器和单体WIFI模块；电力载波线缆连接电力载波调制解调器，电力载波调制解调器连接单体WIFI模块，单体WIFI模块通过移动无线WIFI模块连接核心控制器的DSP控制板和外网接口。

[0024] 一种电缆隧道巡检机器人的导航方法，使用射频卡充当“路牌”，在交叉路口的各个路段地表处设置射频卡，射频卡中存储其所在路段信息，导航定位装置使用射频卡读卡装置充当机器人的“眼睛”，机器人移动到该路口时，通过读取卡片信息，判定自身的位置，并结合给定路径做出正确的转向动作。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0026] 1、本发明的一种电缆隧道巡检机器人，选用了双履带式结构，整个基座采用铝合金材料。分析电缆隧道机器人的工作状况，需要机器人完成低速向前运动，左右原地转向，能适应斜坡地面。为满足以上要求，设计采用四驱轮式结构，用全桥电机驱动模块控制直流减速电机，实现电机低速正反转。履带上设计有凸起的等间距分布的橡胶结构，进一步增加了机器人的越障能力和环境适应能力。

[0027] 2、本发明的一种电缆隧道巡检机器人，云台的旋转机构依靠云台内后方的舵机的正逆旋转实现云台镜头部分的左右旋转，整个镜头部分由内外两层弧形结构组成，内层为正常半圆弧结构，而外层由半圆弧和平直挡板组成，挡板部分无弧度，这就在机械的层面上解决了云台镜头的旋转边界阈值问题。当镜头旋转到设定位置，外层结构由原先的间隙配合变为过盈配合，旋转则被阻碍，舵机停止运行。

[0028] 3、本发明的一种电缆隧道巡检机器人，使用射频卡充当“路牌”，使用射频卡读卡装置充当机器人的“眼睛”。在各个路口地表铺设射频卡，作为该路口的“路牌”。机器人移动到该路口时，通过读取卡片信息，判定自身的位置，并结合给定路径做出正确的转向动作。

附图说明

[0029] 图1是本发明运动机构立体机构示意图；

[0030] 图2是本发明运动机构另一角度云台升起后立体机构示意图；

[0031] 图3是本发明走行机构结构示意图；

[0032] 图4是本发明摄像头与云台安装结构示意图；

[0033] 图5是本发明控制系统结构示意图；

[0034] 图6是本发明控制系统组成结构示意图；

[0035] 图7是本发明的行走定位判断示意图；

[0036] 图8是本发明采用的温度传感器的单总线时序图。

[0037] 图中：1-云台 2-基座 3-升降机构 4-铰接座 5-走行机构 6-走行电机 7-前驱动轮 8-后驱动轮 9-履带 10-丝杆座 11-丝杆 12-螺纹座 13-连接臂 14-丝杆电机 15-旋转机构 16-云台镜头。

具体实施方式

[0038] 以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

[0039] 一种电缆隧道巡检机器人，其特征在于，所述机器人包括移动体、通讯网络和远程终端，移动体通过通讯网络与远程终端连接。

[0040] 所述移动体包括运动执行机构和控制系统，运动执行机构的电机电源接线端与控制系统相连接。

[0041] 如图1、2所示，所述运动执行机构包括云台1、基座2、升降机构3、铰接座4、走行机构5；走行机构5安装在基座2两侧，铰接座4安装在基座2上部，升降机构3一端安装在云台1上，另一端通过铰接座4铰接在基座2上。

[0042] 所述走行机构5为双履带式结构，包括走行电机6、前驱动轮7、后驱动轮8、履带9，前驱动轮7与后驱动轮8通过履带9连接，走行电机6通过两个锥齿轮17与前驱动轮7相连。所述履带9上设有等间距分布的凸起，凸起采用橡胶材料制作。

[0043] 电缆隧道巡检机器人代替人工进入隧道作业，由于机器人所在的电缆隧道环境复杂，地面坑洼不平，很可能有积水，小石块等障碍物。因此，选用了双履带式结构。分析电缆隧道机器人的工作状况，需要机器人完成低速向前运动，左右原地转向，能适应斜坡地面。为满足以上要求，设计采用四驱轮式结构，用全桥电机驱动模块控制直流减速电机，实现电机低速正反转。履带9上设计有凸起的等间距分布的橡胶结构，进一步增加了机器人的越障能力和环境适应能力。

[0044] 如图3所示，机器人的驱动力来源与机体下部的直流减速走行电机6，走行电机6通过两对锥齿轮17改变扭矩方向，将动力分别传递到左右轮上，左右驱动轮带动整个履带的运动。

[0045] 整个装置的基座2部分采用了强度高、密度小的铝合金，使得机器人整体重量大大减少，也不会影响其使用寿命，且便于加工，并且重量的减小又进一步提高了走行电机6的效率，后驱动轮7的扭矩进一步增大，使得机器人的越障能力、环境适应能力进一步提高。

[0046] 所述升降机构3包括丝杆座10、丝杆11、螺纹座12以及连接臂13。所述螺纹座12固定在云台1上，螺纹座12内设有与丝杆11相应的丝杆螺母，丝杆11一端安装在螺纹孔内，另一端与丝杆电机14相连，丝杆电机14安装在丝杆座10上，丝杆座10通过铰接座4铰接在基座2上；连接臂13一端铰接在云台1上，另一端铰接在铰接座4上。

[0047] 如图4所示，云台1包括旋转机构15以及安装在旋转机构15上的云台镜头16，旋转机构15包括舵机，旋转机构15通过安装在云台内后方舵机的正逆旋转实现云台镜头16部分的左右旋转，云台镜头16由内外两层弧形结构组成，内层为正常半圆弧结构，外层由半圆弧和平直挡板组成。

[0048] 云台1的升降机构3依靠调节中心丝杠11的收缩量实现装置的升降功能，一对连接臂13两端分别连接云台1与基座2，共同构成一个稳定的连杆机构。丝杠11末端装有一组丝杆电机14，通过无线遥控器控制丝杆电机14顺时针旋转，使得丝杠顺时针旋转，丝杠11拧入丝杆螺母部分增加，使得连杆机构的丝杠11部分变短。根据连杆机构的机械原理进行分析，由于装置的连接臂13部分为固定长度，因此，为了保持结构稳定，连接臂13与基座的夹角将变大，实现云台1的上升；反之丝杆电机14逆时针旋转，连杆机构的丝杠11部分，则其夹角将会变小，云台1下降。丝杠螺母可为装置升降提供平稳的工作速度，高精度的丝杠螺母保证了云台1升降机构3在升降过程中的稳定与可靠。连接臂13采用高强度铝合金材料制作，在保证机械强度的前提下通过对连接臂13开孔使整体不仅强度高而且重量轻。

[0049] 云台1的旋转机构15依靠云台内后方的舵机的正逆旋转实现云台镜头16部分的左右旋转，整个镜头部分由内外两层弧形结构组成。内层为正常半圆弧结构，而外层由半圆弧和平直挡板组成，挡板部分无弧度，这就在机械的层面上解决了云台镜头16的旋转边界阈值问题。当镜头旋转到设定位置，外层结构由原先的间隙配合变为过盈配合，旋转则被阻碍，舵机停止运行。为了使得装置运行更为精确，在云台的地步安装了两个限位开关，在达到设定角度，限位开关被碰触，运动停止。与升降机构类似，旋转机构15也使用了铝合金为材料，轻便坚固，节能环保。

[0050] 所述基座采用铝合金材料制作。

[0051] 如图5、6所示，所述控制系统包括核心控制器、电缆检测装置、气体检测装置、导航定位装置、通讯装置和驱动装置，电缆检测装置、气体检测装置、导航定位装置、通讯装置和驱动装置均与核心控制器连接，核心控制器包括互相连接的DSP控制板和单片机。

[0052] 所述气体检测装置包括温湿度传感器、空气质量传感器和声光报警器，温湿度传感器、空气质量传感器和声光报警器均连接至核心控制器的单片机；

[0053] 所述电缆检测装置包括摄像头、视频卡和红外测温装置，摄像头通过视频卡连接至核心控制器的DSP控制板,红外测温装置连接至核心控制器的DSP控制板；

[0054] 所述导航定位装置包括超声波传感器组、三轴陀螺仪和设射频卡识别装置，超声波传感器组、三轴陀螺仪和设射频卡识别装置均连接至核心控制器的单片机；

[0055] 所述驱动装置包括全桥驱动模块和编码器，全桥驱动模块输入信号端连接核心控制器的单片机，动力输出端连接各运动执行机构的电机，编码器与电机同轴连接，编码器信号线连接至核心控制器的单片机。

[0056] 所述通讯装置包括电力载波线缆、电力载波调制解调器和单体WIFI模块；电力载波线缆连接电力载波调制解调器，电力载波调制解调器连接单体WIFI模块，单体WIFI模块通过移动无线WIFI模块连接核心控制器的DSP控制板和外网接口。

[0057] 如图7所示，隧道内部路口较多，要完成各个路段的巡检工作，需要设定好机器人的行进路线。如果机器人有“认路”功能，那么隧道遍历工作就可以顺利完成。联想到公路路口设置的道路指示牌，如果在隧道内部各路口处也设置“路牌”，那么机器人就可以参考“路牌”，对自身定位。然而公路路牌是文字，机器人较难实现识字功能。此处，我们使用射频卡充当“路牌”，使用射频卡读卡装置充当机器人的“眼睛”。射频卡中存储其所在路段信息，导航定位装置使用射频卡读卡装置充当机器人的“眼睛”，机器人移动到该路口时，通过读取卡片信息，判定自身的位置，并结合给定路径做出正确的转向动作。

[0058] 所述气体检测装置含多种空气质量传感器，有：硫化氢传感器，一氧化碳传感器，氢气传感器，温湿度传感器，烟雾传感器，甲烷传感器等。

[0059] 其中，温湿度传感器DHT11器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；如图8所示，为单总线时序图。

[0060] 所述气体检测传感器均输出模拟电压量，其电压值正比于检测的气体含量。气体传感器将模拟量转化为数字量。需要进行ADC转化的传感器较多。

[0061] 所述电缆检测装置用于及时发现电缆破损并进行维修更换，是巡检工人工作的重点。在机器人上搭载高清摄像头和红外测温装置，实时拍摄隧道内部电缆的画面，检测电缆温度，并将数据存储在存储卡上，在机器人充电位置通过无线网络将数据上传到控制终端，在上位机软件界面显示出来。

[0062] 电缆检测装置中摄像头的电缆图像采集采用彩色CMOS型图像采集集成芯片，提供高性能的单一小体积封装，分辨率可以达到640X480，传输速率30帧。数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种，能够满足一般图像采集系统的要求。OV7620的控制采用SCCB(SeriaI Camera ControlBus)协议。SCCB是简化的I2C协议，SIO.l是串行时钟输入线，SIO.O是串行双向数据线，分别相当于I2C协议的SCL和SDA。

[0063] 电缆温度测量采用红外非接触温度计，探测视场并不是点，而是一个夹角平面。传感器测量的温度为视场里所有物体温度的平均值。运用此特性，可测量隧道中一定面积电缆的整体温度。

[0064] 以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。