CN108844576A - 一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，包括主节点计算机(10)，所述主节点计算机(10)与预设种类的多个传感器之间为无线信号连接；所述预设种类的多个传感器安装在地下空间(100)内铺设的热力管道(3)和供水管道(6)中以及地下空间的侧墙上；所述预设种类的多个传感器用于采集对应的地下空间的检测数据。本发明公开的一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，其可以安全、可靠地对地下管网的环境进行全方位的监测，能够减少地下管网的安全隐患，保证地下管网的安全使用，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

Description

一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络

技术领域

本发明涉及地下空间环境监测技术领域，特别是涉及一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络。

背景技术

目前，地下管网是我国城市化建设进程中的重中之重，是发挥城市功能，确保城市经济、社会健康、协调发展的重要物质基础，呈现着错综复杂、相互交叠的立体特征，城市地下管网是城市基础设施建设的重要组成部分，是一座城市能量输送、物质传输、信息传递、排涝减灾和废物排弃的重要载体。

但是，我国有相当一部分城市对地下管网没有进行统一的布局规划和管理，地下管网的管理工作各自为政、互相缺乏沟通，处于无序的管理状态，与城市建设速度相比。管理严重落后，事故经常发生。因事故造成的停水、停电、停气、通讯中断、火灾爆炸等后果，不仅严重地影响到人民的生活质量和生命安全，同时也影响到经济建设和国防建设的正常进行。

对于目前的地下管网，其主要存在的问题为：由于地下管网的空间结构复杂，无法对地下管网的环境进行全方位的监测，从而无法减少地下管网的安全隐患，保证地下管网的安全使用。

因此，目前迫切需要开发出一种技术，其可以安全、可靠地对地下管网的环境进行全方位的监测，能够减少地下管网的安全隐患，保证地下管网的安全使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，其可以安全、可靠地对地下管网的环境进行全方位的监测，能够减少地下管网的安全隐患，保证地下管网的安全使用，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，包括主节点计算机，所述主节点计算机与预设种类的多个传感器之间为无线信号连接；

所述预设种类的多个传感器安装在地下空间内铺设的热力管道和供水管道中以及地下空间的侧墙上；

所述预设种类的多个传感器用于采集对应的地下空间的检测数据。

其中，所述预设种类的多个传感器包括：第一温度传感器、第二流量传感器和第二压力传感器；

所述第一温度传感器、第二流量传感器和第二压力传感器安装在所述供水管道中，用于检测所述供水管道中水的温度、流量以及水压，然后发送给主节点计算机。

其中，所述预设种类的多个传感器还包括：第一压力传感器、第一流量传感器和第二温度传感器；

所述第一压力传感器、第一流量传感器和第二温度传感器安装在所述热力管道中，用于检测所述热力管道中所传输介质的压力、流量和温度，然后发送给主节点计算机。

其中，所述预设种类的多个传感器还包括：氧气传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、温湿度传感器和氮氧化物传感器；

所述氧气传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、温湿度传感器和氮氧化物传感器分别安装在地下空间的侧墙上，用于收集地下空间中的氧气气体浓度、一氧化碳气体浓度、硫化氢气体浓度、温度、湿度以及氮氧化物浓度，然后发送给主节点计算机。

其中，还包括：第一监控摄像头和第二监控摄像头；

所述第一监控摄像头位于第二监控摄像头的右上方；

所述第一监控摄像头和第二监控摄像头安装在地下空间的侧墙上，分别用于采集所覆盖区域的图像，然后发送给主节点计算机。

其中，所述主节点计算机，包括：数据存储模块、数据处理模块和无线数据传输模块，其中：

数据存储模块，用于将所述预设种类的多个传感器采集的地下空间的检测数据，实时进行存储；

数据处理模块，与数据存储模块相连接，用于将所述预设种类的多个传感器采集的地下空间的检测数据，分别与预设的、对应的正常取值范围进行比较，如果位于预设的、对应的正常取值范围之内，则判断相应的数据合格，否则，则判断相应的数据不合格，同时，实时将比较情况通过无线数据传输模块发送给地面基站的计算机；

数据处理模块还用于将所述第一监控摄像头和第二监控摄像头所采集的图像，通过无线数据传输模块发送给地面基站的计算机。

其中，还包括：巡检机器人，所述巡检机器人设置在热力管道和供水管道之间的地面上。

其中，所述主节点计算机也设置在热力管道和供水管道之间的地面上；

所述主节点计算机的上部为中空的腔体；

所述主节点计算机上部中空腔体的底面中心位置设置有一个可水平移动的滑块，所述滑块顶部通过一个推杆与一个机械臂相连接；所述主节点计算机顶部内侧左右两边分别设置有第二充电桩和第一充电桩；

所述巡检机器人的底部设置有一个可左右移动的夹板；

所述夹板的顶部用于放置主用电池；

所述主节点计算机顶部中心位置具有一个用于通过主用电池的开口。

其中，所述主节点计算机的左右两侧还具有倾斜的坡道。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，其可以安全、可靠地对地下管网的环境进行全方位的监测，能够减少地下管网的安全隐患，保证地下管网的安全使用，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

此外，本发明提供的通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，其使用了巡检机器人，并可以方便地为巡检机器人换装电池，延长巡检机器人的工作时长，从而显著提高对地下管网的监控效果。

附图说明

图1为本发明提供的一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络的结构示意图；

图2为本发明提供的一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络基于紫蜂ZigBee无线通信技术形成的数据传输示意图；

图3为本发明提供的一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络中主节点计算机与巡检机器人的配合工作状态示意简图；

图4为本发明提供的一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络进行GPS数据传输的示意简图；

图中，1为第一监控摄像头；2为第二监控摄像头；3为热力管道；4为第一压力传感器；5为第一温度传感器；6为供水管道；7为巡检机器人；8为第一流量传感器；9为第二流量传感器；

10为主节点计算机；11为第二温度传感器；12为第二压力传感器；13为氧气传感器；14为一氧化碳传感器；15为硫化氢传感器；16为温湿度传感器；17为氮氧化物传感器；

18为主用电池，19为第一充电桩，20为备用电池；

21为数据存储模块；22为机械臂，23为数据处理模块；24为滑块，25为无线数据传输模块；

26为第二充电桩；27为夹板；

28为自组网络；29为GPS卫星；30为地面接收基站，31为推杆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更换地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图4，本发明提供了一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，包括主节点计算机10，所述主节点计算机10与预设种类的多个传感器(即作为次节点)之间为无线信号(具体通过紫蜂ZigBee无线通信技术)连接；

所述预设种类的多个传感器安装在地下空间100(即地下管网空间)内铺设的热力管道3和供水管道6中以及地下空间的侧墙上；

所述预设种类的多个传感器用于采集对应的地下空间的检测数据，例如，温度传感器用于检测所安装位置的温度数据。

在本发明中，具体实现上，所述预设种类的多个传感器包括：第一温度传感器5、第二流量传感器9和第二压力传感器12；

所述第一温度传感器5、第二流量传感器9和第二压力传感器12安装在所述供水管道6中，用于检测所述供水管道6中水的温度、流量以及水压，然后发送给主节点计算机10(具体通过紫蜂ZigBee无线通信技术)。

在本发明中，具体实现上，所述预设种类的多个传感器还包括：第一压力传感器4、第一流量传感器8和第二温度传感器11；

所述第一压力传感器4、第一流量传感器8和第二温度传感器11安装在所述热力管道3中，用于检测所述热力管道3中所传输介质(例如热水或者蒸汽)的压力、流量和温度，然后发送给主节点计算机10(具体通过紫蜂ZigBee无线通信技术，如ZigBee自组网)。

需要说明的是，热力管道是高温气体或者高温液体的传输管道，例如城市中的暖气管道。

在本发明中，具体实现上，所述预设种类的多个传感器还包括：氧气传感器13、一氧化碳传感器14、硫化氢传感器15、温湿度传感器16和氮氧化物传感器17；

所述氧气传感器13、一氧化碳传感器14、硫化氢传感器15、温湿度传感器16和氮氧化物传感器17分别安装在地下空间的侧墙上，用于对地下空间的整体环境信息进行收集，具体用于收集地下空间中的氧气气体浓度、一氧化碳气体浓度、硫化氢气体浓度、温度、湿度以及氮氧化物浓度，然后发送给主节点计算机10(具体通过紫蜂ZigBee无线通信技术，如ZigBee自组网)。

在本发明中，具体实现上，本发明提供的地下空间环境监控网络，还包括：第一监控摄像头1和第二监控摄像头2；

所述第一监控摄像头位于第二监控摄像头2的右上方；

所述第一监控摄像头1和第二监控摄像头2安装在地下空间的侧墙上，分别用于采集所覆盖区域的图像，然后发送给主节点计算机10(具体通过紫蜂ZigBee无线通信技术，如ZigBee自组网)，从而实现实时对所覆盖区域进行监视。

具体实现上，所述第一监控摄像头1和第二监控摄像头2可以为监控枪机。

需要说明的是，具体实现上，所述第一监控摄像头1可以位于地下管网入口15米处吊顶，支持360度的红外实时监控。所述第二监控摄像头2位于地下管网入口的18米处侧墙，可实时监视所覆盖区域。

需要说明的是，对于本发明，在所述预设种类的多个传感器中，每个传感器都包括供电模块、中央控制模块、环境采集模块和无线通信模块。

对于本发明，所述主节点计算机10，包括：数据存储模块21、数据处理模块23和无线数据传输模块24，其中：

数据存储模块21，用于将所述预设种类的多个传感器(即作为次节点)采集的地下空间的检测数据，实时进行存储，以形成数据库；

数据处理模块23，与数据存储模块21相连接，用于将所述预设种类的多个传感器(即作为次节点)采集的地下空间的检测数据，分别与预设的、对应的正常取值范围(例如预设的温度数值范围、预设的湿度数值范围)进行比较，如果位于预设的、对应的正常取值范围之内，则判断相应的数据合格，否则，则判断相应的数据不合格，同时，实时将比较情况通过无线数据传输模块25发送给地面基站的计算机，使得地面上的工作人员可以了解到地下空间的各项环境参数情况，获得地下空间的环境信息，实现地下管网的实时监控。此外，数据处理模块23还用于将所述第一监控摄像头1和第二监控摄像头2所采集的图像，通过无线数据传输模块25发送给地面基站的计算机。

对于本发明，为了更好地对地下空间进行监控，本发明提供的地下空间环境监测网络还包括：巡检机器人7，所述巡检机器人7设置在热力管道3和供水管道6之间的地面上。

需要说明的是，所述巡检机器人7主要用于进行地下管线的安全信息监控，收集地下管线的安全信息。所述巡检机器人的底部具有车轮，其上可以安装有红外热成像仪、可见光摄像头和激光导航模块(现有的激光导航模块即可)；

其中，通过红外热成像仪，可以检测温度变化，从而可以实时监测热力管道3和供水管道6等地下管线的泄漏问题；

可见光摄像头，用于对地下空间的图像进行实时监控，对于保障管线运行安全有着重要的作用。

激光导航模块，用于保障巡检机器人7的路线规划与智能探测。

需要说明的是，所述巡检机器人7用于移动和进行环境监测的主体结构，为现有的巡检机器人的结构，在此与现有技术类似，在此不展开描述。

对于本发明，具体实现上，鉴于使用了巡检机器人，为方便对巡检机器人换装电池，延长巡检机器人的工作时长，从而显著提高对地下管网的监控效果，主要包括以下改进：

所述主节点计算机10也设置在热力管道3和供水管道6之间的地面上；

所述主节点计算机10的上部为中空的腔体；

所述主节点计算机10上部中空腔体的底面中心位置设置有一个可水平移动的滑块24，所述滑块4顶部通过一个推杆31与一个机械臂22相连接；(所述滑块24具体可以安装在一个横向分布的滑轨上，通过外部电机的曲线，进行横向左右移动)；

所述主节点计算机10顶部内侧左右两边分别设置有第二充电桩26和第一充电桩19；

所述巡检机器人7的底部设置有一个可左右移动的夹板27(所述夹板27为可左右滑开的夹板，具有与带有信号感应开关的驱动电机相连接，可在驱动电机的驱动下，进行横向左右移动，具体还可以安装在滑动轨道上)；

所述夹板27的顶部用于放置主用电池18；

当巡检机器人7位于所述主节点计算机10顶部中心位置时(具体可以由工作人员进行远程无线控制其移动回到主节点计算机的顶部)，所述主节点计算机10顶部中心位置(即与所述夹板27相对应的位置)具有一个开口，该开口可以通过主用电池18。

需要说明的是，所述机械臂可以为现有的任意一种可以进行抓取动作的机械臂，例如可以为现有任意一种能够通过机械爪执行抓取动作的五轴关节机器人的机械爪。

需要说明的是，所述巡检机器人7具有可向上收缩的车轮，可以将车轮收缩进车体中；具体结构，可以为现有任意一种可以实现将车轮收缩的结构。

具体实现上，所述机械臂可以为现有的机械臂，例如可以为丹麦优傲机器人公司生产的机器人机械臂。

需要说明的是，所述推杆为31电动推杆，电动推杆又名直线驱动器，主要是由电机推杆和控制装置等机构组成的一种新型直线执行机构，通过控制通电的正负以控制电动推杆伸出及收缩。

具体实现上，所述主节点计算机10的左右两侧还具有方便巡检机器人7的车轮上下移动的、倾斜的坡道。

具体实现上，巡检机器人7可以在主用电池18的电量低于预设值时，由外部地面上的工作人员进行远程无线控制，控制巡检机器人回到主节点计算机10顶部。

具体实现上，所述数据存储模块21、数据处理模块23和无线数据传输模块25位于主节点计算机10的下部。

需要说明的是，对于本发明，巡检机器人7主要在地下空间采集管线安全信息，当其电池电量不足(例如低于预设的正常电量值的20％，即将耗尽时)时，能够自动回到主节点计算机10处进行电池换装。具体操作过程为：通过发送触发信号，触发巡检机器人7背部的夹板27所连接的驱动电机，从而使得夹板27滑开，通过主节点计算机10可以控制机械臂22下端的推杆31，来推动机械臂22抓取主用电池18，抓牢后推杆31回收，然后滑块24开始移动，将主用电池18放至第二充电桩26处无线充电(具体为：通过给主节点计算机10上第二充电桩26具有的无线充电发射端中的初级线圈预设频率的交流电，通过电磁感应，在主用电池18上设置的无线充电接收端的次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从主节点计算机10上第二充电桩26的无线充电发射端转移到主用电池18中的无线充电接收端)，之后控制滑块24滑至第一充电桩19处抓取备用电池20，返回原点处进行电池安装，即：通过控制推杆31推动机械臂22上升至巡检机器人7的内部，松开机械臂22的爪子并回收推杆31，完成电池的换装。同理，下次换装过程在第一充电桩19处完成。本发明简便迅速，能够实现巡检机器人7的快速电池换装，实现巡检机器人24小时连续工作的目的，使得地下空间信息连续采集，提供有力的安全保障。

具体实现上，所述第一充电桩19和第二充电桩26可以为现有的充电模块，例如可以为艾默生网络能源有限公司生产的无线充电模块。

需要说明的是，在本发明中，具体实现上，所述无线充电发射端可以包括直流输入电源、逆变电路和无线充电发射线圈；所述无线充电接收端可以包括无线充电接收线圈、整流电路和稳压电路；所述无线充电发射端和无线充电接收端基于电磁感应原理，对特定的电池进行充电。需要说明的是，对于本发明，其采用的无线充电技术是一种利用电磁波传输电能的技术，它基于电磁感应原理进行输电。在此，与现有技术类似，不展开描述。

还需要说明的是，为了回到主节点计算机10处，巡检机器人7主要通过预先获取主节点计算机10上充电座的感应器的位置信息(例如GPS定位信息)，从而可以从最初位置向充电座方向移动，直到对接上充电座的电源接触弹片，从而规划更加合理的自动返回充电路径、高效完成与电源接触弹片的对接。

同理，下次换装电池由多个电磁铁的轮换开关来完成。因此，本发明简便迅速，能够实现巡检机器人7的快速电池换装，实现巡检机器人全天候无间歇工作，保障地下管网的安全运行。

如图4所示，在地下空间中存在若干独立的传感器次节点与一个主节点计算机。多个传感器(即作为次节点)不具有GPS(全球定位系统)模块，主节点计算机上安装有GPS模块。次节点将采集的数据通过zigbee自组网络28的方式传输至主节点计算机，通过GPS卫星29的信号中转作用，最终发送给地面接收基站30，供研究人员使用，实现数据的采集、传输、展示和利用，保障地下管廊生命周期的安全运行。

需要说明的是，对于本发明，所有次节点的数据均可以通过zigbee网络传输至主节点计算机中，通过主节点计算机的各个数据模块对数据进行收集、处理、对比和检索，最后将得出的环境信息，可以通过zigbee无线通讯模块传输出去。通过整个系统的数据采集、存储、处理和传输，实现了地下管廊信息的综合利用，为地下空间的统筹规划和综合调度提供强有力的数据支撑。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，其可以安全、可靠地对地下管网的环境进行全方位的监测，能够减少地下管网的安全隐患，保证地下管网的安全使用，有利于广泛地应用，具有重大的生产实践意义。

此外，本发明提供的通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，其使用了巡检机器人，并可以方便地为巡检机器人换装电池，延长巡检机器人的工作时长，从而显著提高对地下管网的监控效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种通过机械臂换装电池的地下空间环境监测网络，其特征在于，包括主节点计算机(10)，所述主节点计算机(10)与预设种类的多个传感器之间为无线信号连接；

所述预设种类的多个传感器安装在地下空间(100)内铺设的热力管道(3)和供水管道(6)中以及地下空间的侧墙上；

所述预设种类的多个传感器用于采集对应的地下空间的检测数据。

2.如权利要求1所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，所述预设种类的多个传感器包括：第一温度传感器(5)、第二流量传感器(9)和第二压力传感器(12)；

所述第一温度传感器(5)、第二流量传感器(9)和第二压力传感器(12)安装在所述供水管道(6)中，用于检测所述供水管道(6)中水的温度、流量以及水压，然后发送给主节点计算机(10)。

3.如权利要求2所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，所述预设种类的多个传感器还包括：第一压力传感器(4)、第一流量传感器(8)和第二温度传感器(11)；

所述第一压力传感器(4)、第一流量传感器(8)和第二温度传感器(11)安装在所述热力管道(3)中，用于检测所述热力管道(3)中所传输介质的压力、流量和温度，然后发送给主节点计算机(10)。

4.如权利要求3所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，所述预设种类的多个传感器还包括：氧气传感器(13)、一氧化碳传感器(14)、硫化氢传感器(15)、温湿度传感器(16)和氮氧化物传感器(17)；

所述氧气传感器(13)、一氧化碳传感器(14)、硫化氢传感器(15)、温湿度传感器(16)和氮氧化物传感器(17)分别安装在地下空间的侧墙上，用于收集地下空间中的氧气气体浓度、一氧化碳气体浓度、硫化氢气体浓度、温度、湿度以及氮氧化物浓度，然后发送给主节点计算机(10)。

5.如权利要求4所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，还包括：第一监控摄像头(1)和第二监控摄像头(2)；

所述第一监控摄像头位于第二监控摄像头(2)的右上方；

所述第一监控摄像头(1)和第二监控摄像头(2)安装在地下空间的侧墙上，分别用于采集所覆盖区域的图像，然后发送给主节点计算机(10)。

6.如权利要求5所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，所述主节点计算机(10)，包括：数据存储模块(21)、数据处理模块(23)和无线数据传输模块(24)，其中：

数据存储模块(21)，用于将所述预设种类的多个传感器采集的地下空间的检测数据，实时进行存储；

数据处理模块(23)，与数据存储模块(21)相连接，用于将所述预设种类的多个传感器采集的地下空间的检测数据，分别与预设的、对应的正常取值范围进行比较，如果位于预设的、对应的正常取值范围之内，则判断相应的数据合格，否则，则判断相应的数据不合格，同时，实时将比较情况通过无线数据传输模块(25)发送给地面基站的计算机；

数据处理模块(23)还用于将所述第一监控摄像头(1)和第二监控摄像头(2)所采集的图像，通过无线数据传输模块(25)发送给地面基站的计算机。

7.如权利要求1至6中任一项所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，还包括：巡检机器人(7)，所述巡检机器人(7)设置在热力管道(3)和供水管道(6)之间的地面上。

8.如权利要求7所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，所述主节点计算机(10)也设置在热力管道(3)和供水管道(6)之间的地面上；

所述主节点计算机(10)的上部为中空的腔体；

所述主节点计算机(10)上部中空腔体的底面中心位置设置有一个可水平移动的滑块(24)，所述滑块(4)顶部通过一个推杆(31)与一个机械臂(22)相连接；所述主节点计算机(10)顶部内侧左右两边分别设置有第二充电桩(26)和第一充电桩(19)；

所述巡检机器人(7)的底部设置有一个可左右移动的夹板(27)；

所述夹板(27)的顶部用于放置主用电池(18)；

所述主节点计算机(10)顶部中心位置具有一个用于通过主用电池(18)的开口。

9.如权利要求8所述的地下空间环境监测网络，其特征在于，所述主节点计算机(10)的左右两侧还具有倾斜的坡道。