CN104122890A - 城市地下轨道巡检机器人系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种城市地下轨道巡检机器人系统，该系统通过定位系统对机器人准确导航、定位，采集电气设备状态和轨道运行状态，即时向监控中心返回检测数据和机器人本体工作状态，同时，监控中心通过无线网络对机器人实施监控并对返回的数据进行处理，即时发现轨道状态的外观异常和内部热缺陷等故障，从而实现对城市地下轨道网络安全、可靠地巡检。

Description

城市地下轨道巡检机器人系统及检测方法

技术领域

本发明涉及轨道设备维护领域， 特别涉及一种用于城市地下轨道巡检机器人系统及检测方法。

背景技术

传统的市地下轨道巡检工作主要由工作人员来完成， 对于夜间巡检的城市地下轨道，会加大工作人员的劳动强度。 巡检工作是一件非常困难的工作， 尤其对线路较长、环境较恶劣的城市地下轨道， 需要耗费大量的人力和时间 ；同时对于无人巡检或少人巡检的地下轨道， 当电气设备故障时的应急指挥调度难度也非常大。 因此运用智能机器人系统在一定程度上代替人工对地下轨道实行自动巡检， 将成为地下轨道巡检的发展趋势。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种城市地下轨道巡检机器人系统， 该系统通过定位系统对机器人准确导航、定位， 采集电气设备状态和轨道运行状态，即时向监控中心返回检测数据和机器人本体工作状态， 同时， 监控中心通过无线网络对机器人实施监控并对返回的数据进行处理， 即时发现轨道状态的外观异常和内部热缺陷等故障， 从而实现对城市地下轨道网络安全、可靠地巡检。      

本发明的目的是通过以下技术方案实现的 ：  

      该城市地下轨道巡检机器人系统包括监控中心、通讯网络和巡检机器人， 所述监控中心通过通讯网络与巡检机器人实现远程监控和数据交换， 其中，

   所述监控中心包括以下组成部分 ：      

     监控主机平台

其作用表现为中央数据处理系统； 

     巡检监测后台

其作用表现为接收巡检机器人发回的监测数据并进行处理；

     机器人远程控制通讯装置、

其作用表现为向巡检机器人交换控制指令和检测数据；

  所述巡检机器人包括以下组成部分： 

     机器人控制模块

其作用表现为巡检机器人本体数据控制中心；

     机器人本体

其包括运动结构、驱动系统，其中，驱动系统与机器人控制模块电联接；      

     机器人导航系统 

其作用表现为用于调整机器人的运动路径规划，其与机器人控制模块电联接；    

     机器人通讯模块，

其作用表现为监控中心与机器人控制模块间信息交换；    

     检测系统，其包括图像检测装置和超声检测装置

其作用表现为检测地下轨道运行状态和电气设备状态；  

进一步， 所述巡检监测后台块包括现场信号处理子模块、电气设备监控模块、轨道状态监控模块和监测数据存储模块， 所述现场信号处理子模块通过通讯网络得到巡检机器人采集的相关数据，经过处理后传输至电气设备监控模块、轨道状态监控模块和监测数据存储模块；  

      进一步， 所述监控中心监测数据存储模块还包括电子地图， 用于显示城市地下轨道模拟场景以及巡检机器人的实时位置和行走路线 ；  

      进一步， 所述机器人导航系统包括多个定位传感器，以及与机器人本体机构相联接的电控系统，所述电控系统根据定位传感器采集的数据调整巡检机器人的运动姿态 ；  

      进一步， 所述定位传感器包括超声波传感器、激光传感器和室内GPS，所述室内GPS根据事先设置在城市地下轨道系统的基站网络进行实时数据交换，保证行走路线 ；  

      进一步， 所述检测系统包括图像检测装置和超声检测装置，所述的图像检测装置包括可见光摄像机和红外摄像仪；所述超声检测装置包括超声波传感器；所述检测系统采集现场数据信息通过通信网络输送至监控中心。

      进一步， 所述通信网络采用2.4G无线网络，同时在城市地下轨道网络中，设有2.4G无线信号转发基站；  

本发明的有益效果是 ：      

  1.    本系统通过巡检机器人对城市地下轨道的电气设备状态和轨道运行状态检测，并通过通讯网络实时将采集的相关数据发送至监控中心，工作人员可以对城市地下轨道的电气设备状态和轨道运行状态做实时监控；      

  2.    本系统通过信号处理子模块、电气设备状态巡检子模块、轨道运行状态监测子模块针对监控数据进行分析、处理，并对危险区域进行预警；

  3.    本系统还包括电子地图模块， 监控中心根据电子地图，对巡检机器人的工作过程进行全面展现，其显示直观，便于工作人员及时地了解现场的巡检状况 ；      

  4.    本发明还具有可靠的机器人导航系统，使机器人要能够沿着预设路线巡游， 同时对电气设备状态和轨道运行状态能够准确定位；      

     本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述， 并且在某种程度上， 基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的， 或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。      

附图说明

  为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中 ：  

    图1    为本发明的系统布局框图；

图2    为通讯网络连接拓扑图；

图3    为巡检机器人控制流程图；

图4    为检测系统传输的结构示意图；

图5    为电子地图的组成示意图。      

具体实施方式

  以下将参照附图， 对本发明的优选实施例进行详细的描述。 应当理解， 优选实施例仅为了说明本发明， 而不是为了限制本发明的保护范围。 

图 1为本发明的系统布局框图， 如图1所示，本发明的城市地下轨道巡检机器人系统，主要包括控制中心6、通讯网络7和巡检机器人8三大部分，监控中心6通过通讯网络7与巡检机器人8实现远程操控和数据传输，其中，监控中心主要包括以下组成部分 ：      

      监控主机平台16；

      巡检监控后台17：包括信号处理子模块1、电机设备控制子模块2、轨道状态监控模块3、监控数据储存模块4；

      远程控制装置5；

 巡检机器人7包括以下组成部分 ：      

     机器人控制模块9，其作用表现为巡检机器人本体数据控制中心；

     机器人本体15，其包括运动结构、驱动系统，其中，驱动系统与机器人控制模块电联接；      

     机器人导航系统 10，其作用表现为用于调整机器人的运动路径规划，其与机器人控制模块电联接；    

     机器人通讯模块11，其作用表现为监控中心与机器人控制模块间信息交换；    

     检测系统12，其包括图像检测装置和超声检测装置，其作用表现为检测地下轨道运行状态和电气设备状态；  

图2 为通讯网络连接拓扑图， 如图所示， 通讯网络包括监控中心端天线、转发基站、机器人本体端天线、 机器人本体。

图3 为巡检机器人控制流程图图，如图所示，巡检机器人的运动控制主要分为三部分 ：1. 路径规划：机器人执行运动指令，全局轨道运行轨迹，运行到局部区域内，按局部区域运行轨迹行驶；2.运动控制: 当机器人没有收到停车命令或者转弯命令时， 机器人按直线行走；当机器人收到由导航定位装置发出的转弯命令后， 便开始转弯， 当转弯结束后， 机器人会开始直线运动 ； 3.停车控制：由于出现检测设备和遇到障碍时，机器人会停止前进， 等现场排除故障或检测结束时，机器人会继续前进；   

      本实施例中， 巡检机器人的导航系统通过以下传感器模块实现 ：      

  1）超声波传感器模块：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。 具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透性好，超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

激光传感器模块：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

因此，本发明中采用超声波传感器模块和激光传感器模块融合用于探查前方障碍，为巡检机器人提供信息 ；    

  2 ）室内GPS模块：室内GPS是通过发射和接收信号观测待测点的位置,室内GPS发射器发射的是红外光线，利用角度来建立一个测量空间。主要包括件红外线发射器；用于通过工作空间发射红外光信号；传感器：用于接受光信号并将模拟信号传到扩大器中；扩大器用于将模拟信号转化为数字信号；处理器：将接收到的数字信号转化为解码；位置计算软件:将解码转换成更高精度的位置信息并使得这些信息能够被很好地利用。 城市地下轨道巡检机器人根据事先设置在地下轨道网络室内GPS辐射上红外信号实时数据采集，保障行走路线。 

 图4 为检测系统传输的结构示意图， 本传输结构将图像检测装置、超声检测装置采集的数据信息，通过通讯网络与监控后台的电气设备监控模块和轨道状态监控模块经行数据交换，使监控后台获取电气设备和轨道运行状态数据。  

 图5 为电子地图的组成示意图，如图所示，该电子地图主要包含电子地图，机器人状态和路径规划三大板块，其中，电子地图用于展现城市地下轨道的模拟场景，巡检机器人通过无线网络将自身所处的位置、行走路线、正在进行的工作等状态信息回传至监控中心后台， 经过处理后在电子地图上展现给工作人员。 这使得工作人员以非常直观的方式了解现场的情况，也使得人机界面十分友好。   

机器人状态显示是在利用虚拟地图技术的基础上，通过3D图形方式实时展现机器人行走路径、机器人运行状态、设备定位位置以及实施路径规划等。在虚拟地图开发软件和计算机硬件的支持下，将实际的地理空间信息与计算机虚拟的图形界面关联起来实现对机器人状态的远程监控。  

路径规划分为全局路径规划和局域路径运行，全局路径规划是由电子地图提供相应地图信息和任务信息，按照路径最短、转弯最少、综合最优等多种策略，规划处机器人的运动路径；局域路径运行时机器人通过导航系统收集周围环境数据和全局路径规划的结果进行综合分析，实时给出机器人局部路径，即巡检机器人的速度和转弯角度命令，传输给控制模块。 

控制模块通过实时接收局部行为规划结果，对车体进行动力学建模，将接收到的速度指令分解到各个电机，解算出各个电机需要承受的速度，从而实现机器人的自主运动。

最后说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本技术方案的宗旨和范围， 其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种城市地下轨道巡检机器人系统包括监控中心、通讯网络和巡检机器人， 所述监控中心通过通讯网络与巡检机器人实现远程监控和数据交换。

2.根据权利要求1，所述监控中心包括：监控主机平台，其作用表现为中央数据处理系统；巡检监测后台，其作用表现为接收巡检机器人发回的监测数据并进行处理；机器人远程控制通讯装置，其作用表现为向巡检机器人交换控制指令和检测数据。

3. 根据权利要求1,所述巡检机器人包括以下组成部分：机器人控制模块,其作用表现为巡检机器人本体数据控制中心；机器人本体,其包括运动结构、驱动系统，其中，驱动系统与机器人控制模块电联接；机器人导航系统,其作用表现为用于调整机器人的运动路径规划，其与机器人控制模块电联接；机器人通讯模块，其作用表现为监控中心与机器人控制模块间信息交换；检测系统，其包括图像检测装置和超声检测装置。

4.根据权利要求1、2， 所述巡检监测后台块包括现场信号处理子模块、电气设备监控模块、轨道状态监控模块和监测数据存储模块， 所述现场信号处理子模块通过通讯网络得到巡检机器人采集的相关数据，经过处理后传输至电气设备监控模块、轨道状态监控模块和监测数据存储模块。

5. 根据权利要求1、2，所述监控中心监测数据存储模块还包括电子地图， 用于显示城市地下轨道模拟场景以及巡检机器人的实时位置和行走路线。

6.根据权利要求1、3，所述机器人导航系统包括多个定位传感器，以及与机器人本体机构相联接的电控系统，所述电控系统根据定位传感器采集的数据调整巡检机器人的运动姿态。

7. 根据权利要求1、3， 所述定位传感器包括超声波传感器、激光传感器和室内GPS，所述室内GPS根据事先设置在城市地下轨道系统的基站网络进行实时数据交换，保证行走路线 。

8. 根据权利要求1、3， 所述检测系统包括图像检测装置和超声检测装置，所述的图像检测装置包括可见光摄像机和红外摄像仪；所述超声检测装置包括超声波传感器；所述检测系统采集现场数据信息通过通信网络输送至监控中心。

9.根据权利要求1、3， 所述通信网络采用2.4G无线网络，同时在城市地下轨道网络中，设有2.4G无线信号转发基站。