CN103002574A - 基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于无线定位技术领域的一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统及方法。整个系统由随动网络节点，巡检机器人、无线传感网络和无线传感网络基站组成。电缆隧道内巡检机器人定位的方法是首先建立无线电信号的强度随距离变化的衰减模型：将隧道内无线电信号的传播环境划分成四种，分别对上述四种隧道情况铺设无线传感网络基站及基站内设置多个无线传感网络定位模块，在电缆隧道内，当巡检机器人经过隧道内某一位置时，维护人员通过无线传感网络基站得到巡检机器人发送定位请求信号，最终送到布置在隧道口的无线传感网络基站，通过数据接口将该位置信息显示在监控计算机上，方便维护人员寻找巡检机器人位置，对电缆及时维修。

Description

基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统及方法

技术领域

本发明属于无线定位技术领域，特别涉及一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统及方法。

背景技术

近年来随着我国电力电缆隧道铺设长度的增加，对隧道内电缆工作状况的巡视工作越加繁重，不仅耗费大量人力和财力，隧道内恶劣的环境对巡检人员的健康安全也构成很大的威胁。隧道巡检机器人可以代替人工来完成对隧道的巡视工作。它的主要功能为，通过无线网络向隧道外的技术人员实时地传输隧道内电缆的工作状态画面，隧道内的温度、湿度，电力电缆的表面温度等参数，当这些状态参数发生异常时，隧道外技术人员可以确定巡检机器人所处位置的电力电缆存在安全隐患，这样就可以组织人员对相应部位进行维修。

在国内，电缆隧道的长度可达几十公里，巡检机器人在巡检途中，检测到电缆工作状态发生异常时，由于缺少定位装置，不能将电缆故障的准确位置传送给维护人员。维护人员只能在巡检机器人发现电缆故障时向其发送停止巡检指令，然后再进入隧道寻找巡检机器人的位置，来确定发生故障的确切位置。而在这期间巡检机器人是不能继续巡检的，这不仅降低了巡检机器人的巡检效率，同时也给维护人员增加了很多不必要的麻烦。如果巡检机器人在隧道内的某一位置发生故障或是电池耗尽，不能运动，维护人员就无法找到巡检机器人对其进行抢修。因此，必须找到一种实时的方法来对巡检机器人进行定位。当前的较为成熟的定位方法是基于无线电信号强度衰减模型的定位算法。当通过无线电进行通讯时，在发射强度不变的情况下，这一信号被接收时的衰减程度与它的传播距离具有一定的函数关系。根据信号强度衰减模型就可以根据信号衰减的程度得到信号传播的距离。但是由于隧道的铺设走向和铺设环境的变化，使隧道每一区段的信号强度衰减模型都不太一样，无法对巡检机器人进行准确的定位，因此找到一种广泛适用于电力隧道环境的巡检机器人定位系统就成为巡检机器人定位研究的重点和难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统及方法。

一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统的结构如下：整个系统由在电缆隧道顶部固定机器人巡检轨道，轮式单臂悬吊式结构的巡检机器人悬吊在巡检轨道内，随动网络节点固定在巡检机器人上面，1-M个无线传感网络基站等距离固定在电缆隧道顶部和隧道的出口处；每个无线传感网络基站内设置1-N个无线传感网络定位模块，布置在隧道顶部组成，其中安装在隧道顶部无线传感网络定位模块组成无线传感网络。

所述每两个无线传感器定位模块之间的距离为60~100m。

所述无线传感网络定位模块由微处理器、固定网络节点、无线电信号强度检测电路和储存器组成；

所述无线传感网络基站由无线传感网络定位模块，数据接口，监控计算机构成。

所述1-M个无线传感网络基站以串联的方式连接。

所述N的个数由实际的电缆隧道长度决定；M由每两个无线传感网络定位模块之间的距离和实际的电缆隧道长度决定。

所述网络节点具有组网，数据的存储和转发功能。

所述随动网络节点与固定网络节点由无线传感网络组网模块、电池组和无线电收发电路组成；无线传感网络定位模块由固定网络节点内的电池组供电。

一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位的方法包括以下步骤：

1）首先建立无线电信号的强度随距离变化的衰减模型：将隧道内无线电信号的传播环境划分成四种，分别是直道、单弯道、双弯道、三个连续弯道，由于隧道在建设时考虑到成本以及技术，安全方面的问题，隧道内不会出现超过3个以上的连续弯道，或是弯折角度过大的情况，对这四种情况的环境模型进行建立，测出在无线传感网络的有效通讯距离内每一种隧道情况下的无线电信号强度随距离变化的衰减模型；

2）构建整个隧道无线传感网络定位系统，分别对上一步所划分的四种隧道情况铺设无线传感网络定位模块，在布置隧道顶部定位模块前，根据其铺设的隧道情况，在每个模块的存储器中都储存该节点所处隧道情况的信号衰减模型和所布置地点的位置信息；

3）在隧道顶部的无线传感网络定位模块中的网络节点内部集成一块无线传感网络组网模块，网络节点通过该组网模块和无线电收发电路，在2.4Ghz 的频段实现与临近定位模块中的网络节点进行组网和通信，在组成的网络内，任意两个节点都可以直接或间接的进行通信；隧道内组网模块布置的间距以网络节点能够组网并进行有效通信为基准；

4）维护人员在尚未发送定位请求信号前，位于巡检机器人顶部的随动网络节点与位于隧道顶部的固定网络节点在巡检机器人巡视过程中处于睡眠状态，当巡检机器人经过隧道内某一位置时，维护人员通过无线传感网络基站发送定位请求信号，隧道内的所有网络节点通过串联的方式逐一被唤醒，此时随动网络节点加入隧道顶部网络节点所组建的网络，并与其中一个顶部节点实现网络拓扑上的直接连接；

5）在取得网络连接后，随动网络节点发送一个空数据包给该顶部节点，隧道顶部定位模块在接收该无线电信号时，首先由无线电信号强度检测电路对接收到的无线电信号进行采样，得到该信号的强度后传送给无线传感网络定位模块内的微处理器，再由微处理器访问无线传感网络定位模块内存储器，根据事先存储在存储器中的该隧道段的数学模型计算出随动网络节点，即巡检机器人距离该固定网络节点的实际距离，微处理器再根据该距离和储存器内该无线传感网络定位模块的位置信息就可以得到巡检机器人的在整个隧道内的位置信息；由于整个网络从收到定位请求信息到计算出位置信息这一过程的处理速度很快，在很短的时间内巡检机器人的运动距离可以忽略不计，因此 巡检机器人定位可以看做是实时的；

6）在得到巡检机器人的位置之后，无线传感网络定位模块微处理器将该信息通过固定节点传送到无线传感网络的网络之中，并在隧道内布置的顶部无线传感网络网络节点间进行储存转发，最终送到布置在隧道口的无线传感网络基站，通过数据接口将该位置信息显示在监控计算机上。

7）在发送完位置信息后，所有无线传感网络定位模块与随动网络节点随之进入睡眠状态，网络解体。这样可以节约网络节点内的电池组的电能，延长定位系统的使用时间，巡检机器人在整个数据的处理，储存，转发过程中不会停止巡检。

本发明的有益效果是：当维护人员发出定位请求信号时，无线传感网络定位模块能够根据当地环境的无线电信号随传播距离而衰减的数学模型，根据随动节点发出信号的衰减程度来判断巡检机器人的具体位置，这使得该定位系统能够适应隧道内多变复杂的环境。在没有收到定位请求命令的时候无线传感网络定位系统处于休眠裂解状态，可以节约有限的电能，增加整个系统的运行时间。将巡检机器人的位置信息通过自组的无线网络出送到无线网络基站，通过基站设置的上位机通知维护人员巡检机器人的具体位置，而巡检机器人在此过程中不会停止巡检，从而提高了巡检的效率。定位系统内所有的定位模块和巡检机器人顶部的随动网络节点都采用独立的电池组供电，当巡检机器人由于电池耗尽或故障时，不会影响定位系统的运行。可以对失去运动功能的巡检机器人进行定位，方便维护人员寻找巡检机器人，及时对巡检机器人进行充电或解除其故障。

附图说明

图1为电缆隧道巡检机器人定位系统连接示意图。

图2 为无线传感网络定位模块组成示意图。

图3为一个无线传感网络基站内定位系统网络节点示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统及方法。下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统的结构如下：整个系统由随动网络节点，巡检机器人、无线传感网络和无线传感网络基站组成；在电缆隧道7顶部固定机器人巡检轨道6，巡检机器人3通过单臂4上电机轮5悬吊在巡检轨道6内，随动网络节点2固定在巡检机器人3上面，1-M个无线传感网络基站1等距离固定在电缆隧道7顶部和隧道的出口处；每个无线传感网络基站内设置1-N个无线传感器定位模块，组成无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统。其中安装在隧道顶部无线传感器定位模块组成无线传感网络。所述N的个数由实际的电缆隧道长度决定；M由每两个无线传感器定位模块之间的距离和实际的电缆隧道长度决定。所述每两个无线传感器定位模块之间的距离为60~100m。无线传感网络由安装在隧道顶部的n个无线传感网络定位模块组建（如图3所示），无线传感网络定位模块由微处理器分别连接固定网络节点、无线电信号强度检测电路和储存器组成（如图2所示），1-M个无线传感网络基站以串联的方式连接，在隧道的出口处设置无线传感网络基站，每个无线传感网络基站内设置1-N个无线传感网络定位模块、数据接口和监控计算机。

所述随动网络节点与固定网络节点具有组网，数据的存储和转发功能；无线传感网络定位模块由固定网络节点内的电池组供电。

一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位的方法包括以下步骤：

1）首先建立无线电信号的强度随距离变化的衰减模型：将隧道内无线电信号的传播环境划分成四种，分别是直道、单弯道、双弯道、三个连续弯道，由于隧道在建设时考虑到成本以及技术，安全方面的问题，隧道内不会出现超过3个以上的连续弯道，或是弯折角度过大的情况，对这四种情况的环境模型进行建立，测出在无线传感网络的有效通讯距离内每一种隧道情况下的无线电信号强度随距离变化的衰减模型；

2）构建整个隧道无线传感网络定位系统，分别对上一步所划分的四种隧道情况铺设无线传感网络定位模块，在布置隧道顶部无线传感网络定位模块前，根据其铺设的隧道情况，在每个无线传感网络定位模块的存储器中都储存该节点所处隧道情况的信号衰减模型和所布置地点的位置信息；

3）在隧道顶部的无线传感网络定位模块中的网络节点内部集成一块无线传感网络组网模块，网络节点通过该组网模块和无线电收发电路，在2.4Ghz的频段实现与临近无线传感网络定位模块中的网络节点进行组网和通信，在组成的网络内，任意两个节点都可以直接或间接的进行通信；隧道内模块布置的间距以网络节点能够组网并进行有效通信为基准；

4）维护人员在尚未发送定位请求信号前，位于巡检机器人顶部的随动网络节点与位于隧道顶部的固定网络节点在巡检机器人巡视过程中处于睡眠状态，当巡检机器人经过隧道内某一位置时，维护人员通过无线传感网络基站发送定位请求信号，隧道内的所有网络节点通过串联的方式逐一被唤醒，此时随动网络节点加入隧道顶部网络节点所组建的网络，并与其中一个顶部节点实现网络拓扑上的直接连接；

5）在取得网络连接后，随动网络节点发送一个空数据包给该顶部节点，隧道顶部定位模块在接收该无线电信号时，首先由无线电信号强度检测电路对接收到的无线电信号进行采样，得到该信号的强度后传送给无线传感网络定位模块内的微处理器。再由微处理器访问无线传感网络定位模块内存储器，根据事先存储在存储器中的该隧道段的数学模型计算出随动网络节点，即巡检机器人距离该固定网络节点的实际距离，微处理器再根据该距离和储存器内该无线传感网络定位模块的位置信息就可以得到巡检机器人的在整个隧道内的位置信息；由于整个网络从收到定位请求信息到计算出位置信息这一过程的处理速度很快，在很短的时间内巡检机器人的运动距离可以忽略不计，因此 巡检机器人定位可以看做是实时的；

6）在得到巡检机器人的位置之后，无线传感网络定位模块微处理器将该信息通过固定节点传送到无线传感网络的网络之中，并在隧道内的顶部布置无线传感网络网络节点间进行储存转发，最终送到布置在隧道口的无线传感网络基站，通过数据接口将该位置信息显示在监控计算机上。

7）在发送完位置信息后，所有无线传感网络定位模块与随动网络节点随之进入睡眠状态，网络解体。这样可以节约网络节点内的电池组的电能，延长定位系统的使用时间，巡检机器人在整个数据的处理，储存，转发过程中不会停止巡检。

Claims (9)

1.一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统其特征在于，整个系统由在电缆隧道顶部固定机器人巡检轨道，轮式单臂悬吊式结构的巡检机器人悬吊在巡检轨道内，随动网络节点固定在巡检机器人上面，1-M个无线传感网络基站固定在电缆隧道顶部和隧道的出口处；每个无线传感网络基站内设置1-N个无线传感网络定位模块，布置在隧道顶部组成，其中安装在隧道顶部无线传感网络定位模块组成无线传感网络。

2.根据权利要求1所述基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统，其特征在于，所述每两个无线传感网络定位模块之间的距离为60~100m。

3.根据权利要求1所述基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统，其特征在于，所述无线传感网络定位模块由微处理器、固定网络节点、无线电信号强度检测电路和储存器组成。

4.根据权利要求1所述基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统，其特征在于，所述无线传感网络基站由无线传感网络定位模块，数据接口，监控计算机构成。

5.根据权利要求1所述基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统，其特征在于，所述1-M个无线传感网络基站以串联的方式连接。

6.根据权利要求1所述基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统，其特征在于，所述N的个数由实际的电缆隧道长度决定；M由每两个无线传感网络定位模块之间的距离和实际的电缆隧道长度决定。

7.根据权利要求1所述基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统，其特征在于，所述网络节点具有组网，数据的存储和转发功能。

8.根据权利要求1所述基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位系统，其 特征在于，所述随动网络节点与固定网络节点由无线传感网络组网模块、电池组和无线电收发电路组成；无线传感网络定位模块由固定网络节点内的电池组供电。

9.一种基于无线网络的电缆隧道内巡检机器人定位的方法包括以下步骤：

1）首先建立无线电信号的强度随距离变化的衰减模型：将隧道内无线电信号的传播环境划分成四种，分别是直道、单弯道、双弯道、三个连续弯道，由于隧道在建设时考虑到成本以及技术，安全方面的问题，隧道内的走向不会连续出现超过3个以上的弯道，或是弯折角度过大的情况，对这四种情况的环境模型进行建立，测出在无线传感网络的有效通讯距离内每一种隧道情况下的无线电信号强度随距离变化的衰减模型；

2）构建整个隧道无线传感网络定位系统，分别对上一步所划分的四种隧道情况铺设无线传感网络定位模块，在布置隧道顶部定位模块前，根据其铺设的隧道情况，在每个无线传感网络定位模块的存储器中都储存该节点所处隧道情况的信号衰减模型和所布置地点的位置信息；

3）在隧道顶部的无线传感网络定位模块中的网络节点内部集成一块无线传感网络组网模块，网络节点通过该组网模块和无线电收发电路，在2.4Ghz的频段实现与临近无线传感网络定位模块中的网络节点进行组网和通信，在组成的网络内，任意两个节点都可以直接或间接的进行通信；隧道内模块布置的间距以网络节点能够组网并进行有效通信为基准；

4）维护人员在尚未发送定位请求信号前，位于巡检机器人顶部的随动网络节点与位于隧道顶部的固定网络节点在巡检机器人巡视过程中处于睡眠状态，当巡检机器人经过隧道内某一位置时，维护人员通过无线传感网络基站发送定位请求信号，隧道内的所有网络节点通过串联的方式逐一被唤醒，此时随动网络节点加 入隧道顶部网络节点所组建的网络，并与其中一个顶部节点实现网络拓扑上的直接连接；

5）在取得网络连接后，随动网络节点发送一个空数据包给该顶部节点，隧道顶部定位模块在接收该无线电信号时，首先由无线电信号强度检测电路对接收到的无线电信号进行采样，得到该信号的强度后传送给无线传感网络定位模块内的微处理器，再由微处理器访问无线传感网络定位模块内存储器，根据事先存储在存储器中的该隧道段的数学模型计算出随动网络节点，即巡检机器人距离该固定网络节点的实际距离，微处理器再根据该距离和储存器内该无线传感网络定位模块的位置信息就可以得到巡检机器人的在整个隧道内的位置信息；由于整个网络从收到定位请求信息到计算出位置信息这一过程的处理速度很快，在很短的时间内巡检机器人的运动距离可以忽略不计，因此 巡检机器人定位可以看做是实时的；

6）在得到巡检机器人的位置之后，无线传感网络定位模块微处理器将该信息通过固定节点传送到无线传感网络的网络之中，并在隧道内布置的顶部无线传感网络网络节点间进行储存转发，最终送到布置在隧道口的无线传感网络基站，通过数据接口将该位置信息显示在监控计算机上。

7）在发送完位置信息后，所有无线传感网络定位模块与随动网络节点随之进入睡眠状态，网络解体，这样可以节约网络节点内的电池组的电能，延长定位系统的使用时间，巡检机器人在整个数据的处理，储存，转发过程中不会停止巡检。 

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