CN102880179B - 一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，包括车体，在车体顶部设有驱动轮和从动轮，在车体上设有智能定位模块、智能化跟踪模块、智能避障模块、智能成像模块、智能测距模块和智能控制模块。本发明的电力隧道内多功能智能化巡检机器人巡视工作内容丰富，隧道内人员巡视工作效率高，而且能够实现对隧道内情况的完全覆盖，当发生紧急情况时能够将现场情况第一时间内最清晰地采集到监控中心，在必要时对隧道或电缆的特定部位采取有效处理措施。

Description

一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人

技术领域

本发明涉及一种智能化机器人，尤其涉及一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人。

背景技术

随着城市的快速发展，国内电力隧道的长度每年增长上千公里，隧道内电力电缆及各种电力设施的安全运行严重影响着供电的可靠性和稳定性。目前对隧道的巡检方式依然以人工巡视和电力监控系统相结合，存在以下问题：1）巡视人员在隧道内主要关注电缆的蠕动变形情况、电缆和隧道外观、电力隧道金属构件锈蚀情况以及隧道积水情况，巡视工作内容逐渐单一，隧道内人员巡视工作效率低。2）智能监控系统安装在隧道内的固定位置，是一种固定、离散的监测系统，该系统有覆盖面大、运行比较稳定可靠，但也存在着不能实现对隧道内情况的完全覆盖，当发生紧急情况时无法将现场情况第一时间内最清晰地采集到监控中心，无法在必要时对隧道或电缆的特定部位采取有效处理措施等缺点。

发明内容

本发明即是为了解决以上问题，提供一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，机器人具有智能精确定位，智能化跟踪，智能避障，智能成像，智能测距，智能控制功能，通过多功能智能化巡检机器人的实施，可以实现对重点电力隧道的不间断智能机器人巡检，取代人工巡检；同时，还可以实现对电力隧道内突发性事件的现场处理，在第一时间采取最有效的处理措施，相对传统的人工干预，有其快速、安全、高效的优势，同时当发生紧急情况时可以将现场情况第一时间内最清晰地采集到监控中心，可以实现在必要时对隧道或电缆的特定部位采取有效处理措施。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人包括车体，在车体顶部设有驱动轮和从动轮，在车体上设有智能定位模块、智能化跟踪模块、智能避障模块、智能成像模块、智能测距模块和智能控制模块。

所述一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，在隧道内的移动轨迹可以实现智能精确定位。所述智能定位模块采用高精度定位模块与直流低压智能伺服电机为基础，在铝合金轨道内预埋RFID非接触卡，在机器人上安装超高速近场RFID读写器，通过RFID非接触卡和RFID精确定位读写器之间的信息交互，可以标识出电缆接头、重点巡检部位、道岔、井口穿越点、转弯点等位置，实现每个巡检位置的精确定位。轨道是一种专门特制加工的铝合金型材，它是多功能智能化巡检机器人的主体支撑轨道。

机器人在运动中的定位信息，以RFID非接触卡的精确定位信息为参照，用驱动轮的转速计算出机器人运动中的定位信息。具体方法为：机器人启动后，首先自动寻找参考点（起点）；之后机器人运动根据驱动轮旋转的圈数与轮子的周长计算出运动的相对位置，当运动过程中检测到RFID非接触卡后，机器人自动进行定位信息调整。每经过一个RFID精确定位卡自动校准一次定位信息，保证运动中模糊定位的精确性。

所述一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，具有智能化跟踪功能。所述智能化跟踪模块对进入隧道的人员、动物以及异常情况进行实时跟踪并向监控中心同步上报情况，如状态信息、图像信息等，同时可进行相应的智能化处理，如声光提示、指示、报警以及自动操控等。智能化跟踪功能又包括红外感应跟踪，图像识别分析跟踪，人工手动跟踪及隧道物联网网络联动跟踪。所述图像识别分析跟踪，又分为机器人联网视频图像后台分析跟踪和机器人嵌入式视频分析仪独立分析跟踪。

所述一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，具有智能避障功能。所述智能避障模块采用人体红外探测，激光雷达探测，对隧道内工作人员和障碍物进行探测，当探测到的障碍物在减速区域内时系统自动降速并发出声光警示信号，探测到的障碍物出现在刹车区内机器人将紧急刹车并报警；当探测到的障碍物或人员消失后，机器人还有未完成任务时，机器人将继续之前的任务。当机器人监测到有障碍物时，机器人的视觉系统会自动对准障碍物，进行视频分析。

所述一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，具有智能成像功能。智能成像模块采用运动过程中图像稳定技术，还有移动式红外成像技术。通过智能成像，可以实现隧道内电缆接头的安全检测。

所述运动过程中图像稳定技术，硬件上采用微机械陀螺仪作为云台姿态和转速的测量器件，采用DSP进行姿态角、角速度采样与控制补偿。因此机器人可以获得摄像头在惯性坐标系下的姿态角度；可以根据指令精确控制云台转角和转速，也可智能补偿由于云台本体运动产生的角度偏差，实时补偿因机器人抖动对摄像头姿态的影响；具有高精度、高可靠性的特点，能满足机器人高速移动时的图像稳定。

所述在线式移动红外成像技术，是在轨道机器人的腹部吊装了智能球机，内部集成红外热成像及可见光摄像头，机器人在隧道内巡检过程中，中央处理器控制智能球机调用云台的预置位，实现整条电力电缆隧道内关键部位（电缆接头等）定点在线诊断；操作人员也可以下发手动控制指令操控机器人进行红外目标检测工作，同时记录、传输并实时分析测得的温度数据，以供人员故障诊断，其自动化程度为电力工作提供了极大的方便。

所述一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，具有智能测距功能。所述智能测距模块中，机器人两端安装的红外激光雷达，在中央处理器的控制下不仅可以实现测距，从而实现蔽障，同时还能实现隧道的扫描3D成像功能。机器人上的激光雷达扫描范围为0~270°可设置，扫描频率0~50HZ，安装时斜向下与水平面成8°的夹角，可以对轨道以下隧道进行剖面扫描，形成隧道剖面线性轮廓；机器人以设定的速度匀速运动，扫描的轮廓线实时上传到上端监控平台，平台根据机器人的运动速度、运动时间、扫描角度与扫描频率将一帧帧切面数据组成连续的隧道草图，平台根据特定的3D贴图算法，还原出整条隧道的3D原貌，并将隧道内电缆的3D图一同呈现在出来，可以极大地降低人工测绘的劳动强度。

所述一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，具有智能控制功能。所述智能控制模块按照监控平台的设定，可以实现对隧道内智能巡检以及灾害现场处置。

所述智能巡检，可以实现隧道内自动常规巡检，也可以实现隧道内异常点自动或者手动复检。

所述现场灾害处置功能，可以实现手动现场灾害处置，当电力隧道内有异常情况时，值班人员可以远程手动操控机器人，控制机器人接近报警位置，通过视频图像和声音监视现场具体情况，也可以启动巡检机器人的交互语音广播功能，以紧急语音广播的方式，引导或者通知附近的施工人员撤离隧道，当有火灾发生时，值班人员可以手动控制机器人两端外挂的高压干粉灭火装置，通过远程控制机械臂运动调整激光瞄准装置对准火源，扣动操纵杆的扳机打开高压控制阀，高压氮气气瓶通过高压将灭火干粉喷向火源，迅速消灭火源。

所述现场灾害处置功能，可以实现现场智能灭火功能，针对此项功能，机器人有两种模式：一种是预警模式，机器人产生火灾预警后，必须得到值班人员的确认后方可使用灭火装置；另一种是灭火模式，机器人产生火灾预警后，有权自动使用灭火装置进行灭火。

本发明的有益效果是，巡视工作内容丰富，隧道内人员巡视工作效率高，而且能够实现对隧道内情况的完全覆盖，当发生紧急情况时能够将现场情况第一时间内最清晰地采集到监控中心，在必要时对隧道或电缆的特定部位采取有效处理措施。

附图说明

图1为本发明智能精确定位的一个实施逻辑框图。

图2为本发明智能化跟踪的一个实施逻辑框图。

图3为本发明智能避障的一个实施逻辑框图。

图4为本发明在运动过程中视频画面稳定技术的一个实施逻辑框图。

图5为本发明在线式移动红外成像技术的一个实施逻辑框图。

图6为本发明智能测距及3D成像技术的一个实施逻辑框图。

图7为本发明智能控制中火灾处理的一个实施逻辑框图。

其中，1.中央处理器；2.监控平台，3.RFID精确定位读写器，4.RFID非接触卡，5.智能定位模块，6.低压伺服控制器，7.低压直流电机，8.机器人核心控制器，9.红外感应跟踪，10.图像识别分析跟踪，11.人工手动跟踪，12.隧道物联网网络联动跟踪，13.机器人联网视频图像后台分析跟踪，14.机器人嵌入视频分析仪独立分析跟踪，15.红外激光雷达，16.智能运动控制器，17.声光报警器，18.目标障碍，20.网络交换机，21.智能视频编码器，22.微机械陀螺仪，23.DSP数字信号处理器，24.高清摄像头，25.精密电机，26.智能球机，27.红外热像仪，28.温\湿度传感器，29.视频分析模块，30.声光报警装置，31.灭火干粉瓶，32.机械臂。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，中央处理器1是机器人的智能精确定位功能的核心器件，它通过高速数据总线控制智能定位模块5，智能定位模块5输出驱动信号控制低压伺服控制器6，低压伺服控制器6驱动低压直流电机7运动，同时电机内部编码将增量计数值反馈到低压伺服控制器6，低压伺服控制器6将处理后的增量编码反馈给智能定位模块5，智能定位模块5根据当前机器人运动后所在位置与目标位置进行比较，再次控制低压直流伺服电机6运动，形成完整闭环控制。机器人在运动过程中RFID非接触读写器3扫描轨道上的RFID精确定位卡4，当发现RFID精确定位卡4后，RFID非接触读写器3将数据通过RS232总线发送到中央处理器1，中央处理器1串口中断响应后将位置信息校正后，通知智能定位模块5实现全程精确定位。

如图2，智能化跟踪通过机器人核心控制器8进行综合管理，对四种跟踪方式进行分析和切换处理，然后将相应数据上传至监控平台2，或者接受监控平台2的管理，选择某一种跟踪方式进行按需跟踪。

监控平台通过电力专用内部调通网络，从变电站敷设光纤进入电力隧道，采用无线基站设备，使用漏波电缆作为天线，沿着隧道敷设，与巡检机器人上的无线接入设备通信。

智能化跟踪包括红外感应跟踪9，图像识别分析跟踪10，人工手动跟踪11及隧道物联网网络联动跟踪12。所述图像识别分析跟踪10，又分为机器人联网视频图像后台分析跟踪13和机器人嵌入式视频分析仪独立分析跟踪14。

红外感应跟踪9是指当机器人上的红外探头感应到有红外入侵信号时，根据红外信号的方向、强弱等判别物体（人或动物等）的移动方向、速度等，机器人自动按照相应的速度和方向进行跟踪，同时实时上报相关信息特别是图像信息，监控中心可随时进行干预，如抓拍图像、视频录像以及进行声光告警等。进行红外感应跟踪时，系统可根据周围其他监控设备的监测数据作出相应的处理，如打开照明设备、打开通风系统以及启动录像等。

图像识别分析跟踪10，可根据物体的大小、移动方向、速度等自动调整视频图像质量，便于当时图像的保存及调阅研究。

机器人嵌入视频分析仪独立分析跟踪14是指在机器人内部有嵌入式智能视频分析盒，可以对摄像头采集的图像进行分析处理，根据预先设定的跟踪条件、跟踪规则进行判别，从而使机器人脱离网络束缚独立工作。机器人若发现目标视频分析盒将目标锁定，控制快速智能云台转动对准目标，机器人根据智能云台提供的坐标方位，向目标移动，配合雷达测距结果可以目标距离，现象机器人的快速跟踪。

机器人联网视频图像后台分析跟踪13是指当视频摄像机拍摄的实时图像经后台图像识别分析，如有异常情况，如人员、动物入侵或其他异常情况时，系统自动控制装载视频摄像机的机器人，根据图像分析结果，对异常情况进行图像跟踪，同时控制周围的相关监控设备作出相应的操控处理。

人工手动跟踪11，对于没有跟踪源的情况，如没有红外感应，没有后台图像分析数据时，用户可以通过监控平台自行启动跟踪，如手动跟踪某隧道人员施工维护情况，或某隧道A点到B点的无条件隧道内部视频跟踪（巡检）等。

隧道物联网网络联动跟踪12，是指监控平台2可以将某电缆的温度监测仪、隧道内的水位传感器等作为监测源，当电缆温度出现异常，系统可以自动控制启动该隧道内相应的机器人装载的视频摄像机、红外摄像机等移动至相应位置，并根据电缆不同监测点的温度变化，对该电缆进行跟踪扫描，同时实时上传状态、图像等相关信息到监控中心，监控中心根据上传的各种信息进行处理。也可根据隧道内水位的变化，进行相应的跟踪处理。

如图3，中央处理器1是整个系统的核心，负责控制智能运动控制器16、红外激光雷达15与声光报警器17的协调工作。

红外激光雷达15为主动式工作方式，它周期性的发射探测波束与接收波束，通过探测波束与接收波束的时间差进行距离探测，当设定的区域内出现目标障碍18时，红外激光雷达15产生报警信号，通过局部总线通知中央处理器1。智能运动控制器16接收中央处理器1控制指令，控制低压直流电机7减速或刹车，达到避障的目的。同时声光报警器17接收中央处理器1的控制指令，完成对现场施工人员或非法人员的警示与恐吓。

如图4，机器人在离线模式（不联网）下，中央处理器1可以调用各个预置位实现自动控制智能球机运动；当机器人在线模式（联网）下，监控平台2可以下发多组预置位保存到智能球机中，监控平台可以实现对机器人的远程控制及对视频数据的在线采集与存储。

网络交换机20用来实现机器人内部设备的数据与机器人外部网络设备的数据交换。

智能视频编码器21，实现对摄像头通过BNC传输的模拟视频数据进行编码，上传到网络平台，同时可以通过RS485总线控制智能球机调整旋转角度。

智能球机由微机械陀螺仪22，DSP数字信号处理器23，高清摄像头24，和精密电机25组成。

微机械陀螺仪22，实现对精密电机的转动姿态与转速进行检测，通过内部传感器将转动姿态与转速转换为模拟信号，在通过增益放大电路将模拟信号输出到A/D(模数转换芯片)。

DSP数字信号处理器23，通过PWM调制与I/O控制球机的转角和转速，同时DSP控制A/D进行数据采集转换，实时计算球机当前的姿态与角度偏差，进而可以对精密电机进行智能补偿控制，形成一个完整闭环控制。

高清摄像头24，在此应用中，负责视频图像采集，将光信号转换为模拟信号。

精密电机25，负责控制云台（球机）进行姿态调整与角度旋转。

如图5，监控平台2与中央处理器1进行数据交互，实现对高清视频与红外热成像数据的分析与存储；中央处理器1与智能球机26进行数据交互，控制智能球机26对高清摄像头24与红外热像仪27角度位置；控制红外热像仪27、高清摄像头24与监控平台2实现数据交换，同时实现红外成像数据与视频数据传输。

智能球机24，实现对红外热像仪27与普通摄像头镜头的焦距控制；在定点采集模式下机器人根据在隧道内当前所在位置控制智能球机26调用相应的预置位使摄像头与红外热像仪27对准目标；同时智能球机26通过电子微机械陀螺仪实现红外热像仪27与普通高清摄像头运动中图像的平稳。

红外热像仪27：采用电动变焦网络红外热像仪，实现电力电缆隧道内运行电缆在线热成像数据采集。

普通高清摄像头24：采用变倍、高清网络摄像头，对电力电缆隧道内图像采集。

如图6，在本实施案例中，监控平台2责处理机器人中央处理器1上传的数据，包括切面曲线、机器人运动速度、运动时间、雷达扫描频率等，按照一定的算法将数据还原为实际的隧道剖面线性轮廓3D图。中央处理器1是机器人的大脑，负责机器人的“器官”统一调度，这里主要控制红外激光雷达15进行目标信号采集、处理、传输。红外激光雷达15在中央处理器1的控制下，负责放射红外激光束到目标障碍18，然后接收目标障碍18反射的光束，根据时间差计算出物体离机器人的距离，同时激光雷达内部以0~50HZ的频率进行扫描，在0~270°的范围内形成一条距离曲线，上传给中央处理器1，完成数据采集。

如图7，机器人可以实现现场智能灭火功能，针对此项功能，机器人有两种模式：一种是预警模式，另一种是灭火模式。

在预警模式下，机器人在执行巡检任务时，通过温\湿度传感器28实时采集隧道内的温湿度信息，当隧道内温度异常（过高）时，机器人将自动启动火灾检测模式，通过高清摄像头24对隧道内可疑目标摄像，通过视频分析模块29摄像数据进行视频分析，主要针对烟雾和火苗进行图像分析确认锁定目标，通过中央处理器1将视频数据上传监控平台2进行自动分析确认，通过两级确认后平台产生报警信息，隧道内机器人与监控平台将启动声光报警装置30，通知值班人员进行报警确认与灾害处置。

在灭火模式下，机器人发现并确认现场火灾后，根据视频分析结果，调用机械臂32锁定目标后，自动打开灭火干粉瓶31瞄准目标发射灭火干粉，发射完毕后自动撤离现场。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人，其特征是，包括车体，在车体顶部设有驱动轮和从动轮，在车体上设有智能定位模块、智能化跟踪模块、智能避障模块、智能成像模块、智能测距模块和智能控制模块；

所述智能避障模块采用人体红外探测，激光雷达探测，对隧道内工作人员和障碍物进行探测，当探测到的障碍物在减速区域内时系统自动降速并发出声光警示信号，探测到的障碍物出现在刹车区内机器人将紧急刹车并报警；当探测到的障碍物或人员消失后，机器人还有未完成任务时，机器人将继续之前的任务；当机器人监测到有障碍物时，机器人的视觉系统会自动对准障碍物，进行视频分析；

所述智能成像模块采用运动过程中图像稳定技术和移动式红外成像技术，实现隧道内电缆接头的安全检测，采用DSP进行姿态角、角速度采样与控制补偿，机器人获得摄像头在惯性坐标系下的姿态角度；根据指令精确控制云台转角和转速，智能补偿由于云台本体运动产生的角度偏差，实时补偿因机器人抖动对摄像头姿态的影响；

所述智能测距模块中，机器人两端安装的红外激光雷达，在中央处理器的控制下不仅能够实现测距，从而实现蔽障，同时还能实现隧道的扫描3D成像功能，机器人以设定的速度匀速运动，扫描的轮廓线实时上传到上端监控平台，平台根据机器人的运动速度、运动时间、扫描角度与扫描频率将一帧帧切面数据组成连续的隧道草图，平台根据特定的3D贴图算法，还原出整条隧道的3D原貌，并将隧道内电缆的3D图一同呈现在出来。

2.如权利要求1所述的电力隧道内多功能智能化巡检机器人，其特征是，所述智能定位模块采用高精度定位模块与直流低压智能伺服电机为基础，在专用工字铝轨内预埋RFID非接触卡，在机器人上安装RFID精确定读写器，通过RFID非接触读写器和RFID精确定位卡之间的信息交互，标识出电缆接头、重点巡检部位、道岔、井口穿越点和转弯点位置，实现每个巡检位置的精确定位。

3.如权利要求1所述的电力隧道内多功能智能化巡检机器人，其特征是，所述智能化跟踪模块对进入隧道的人员、动物以及异常情况进行实时跟踪并向监控中心同步上报情况，同时进行相应的智能化处理。

4.如权利要求1所述的电力隧道内多功能智能化巡检机器人，其特征是，所述智能控制模块按照监控平台的设定，实现对隧道内智能巡检以及灾害现场处置。

5.如权利要求4所述的电力隧道内多功能智能化巡检机器人，其特征是，所述智能巡检，既能够实现隧道内自动常规巡检，也能够实现隧道内异常点自动或者手动复检。