CN110340902A - 一种电缆沟巡检机器人、系统及巡检方法 - Google Patents

一种电缆沟巡检机器人、系统及巡检方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电缆沟巡检机器人、系统及方法,电缆沟巡检机器人包括车体,车体内设有中央处理器;车体的底部两端分别设有至少一个驱动轮,车体内设置至少四个电机驱动器,一个驱动轮至少连接一个驱动电机、一个转向电机,驱动电机连接电机驱动器,转向电机连接电机驱动器;车体的后端设有至少两个超声波传感器,车体的底部设有气体传感器;电机驱动器、超声波传感器、气体传感器均与中央处理器电性连接。本发明的有益效果:结构紧凑,适用狭窄空间定位移动,质量轻,提高续航能力,系统扩展性能优越,方便搭载探测元件。

Description

一种电缆沟巡检机器人、系统及巡检方法
技术领域
本发明涉及一种巡检机器人、系统及方法,尤其涉及的是一种电缆沟巡检机器人、系统及巡检方法。
背景技术
变电站电缆沟内电缆密集敷设,空间狭窄,人工巡检难度大。目前主要采用感温电缆或光纤进行温度监测,手段相对单一,不能有效监测沟内电缆各种状态,隐患排查能力欠缺,接近于管控盲区。现有的检测装置,无法深入到电缆沟内对电缆沟内密集的电缆电缆设备进行检查,导致地面工作人员无法实时掌握电缆沟内对电缆的工作状态,一旦发生故障无法及时预警,采取相应的处理措施,进而造成电缆故障损失。
目前有采用电缆沟巡检的机器人进行检测,而且基本都是采用轮式或履带式结构在电缆沟内部行走巡检,存在很多不便和缺点,特别在拐弯、T型路口、十字形路口等处,不易实现拐弯的操作。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:如何解决现有电缆沟巡检机器人不易实现拐弯的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的:本发明公开一种电缆沟巡检机器人,包括车体,车体内设有中央处理器;车体的底部两端分别设有至少一个驱动轮,车体内设置至少四个电机驱动器,一个驱动轮至少连接一个驱动电机、一个转向电机,驱动电机连接电机驱动器,转向电机连接电机驱动器;车体的后端设有至少两个超声波传感器,车体的底部设有气体传感器;电机驱动器、超声波传感器、气体传感器均与中央处理器电性连接。
本发明可以通过驱动电机驱动驱动轮行驶,转向电机实现驱动轮的转向,设置至少两个超声波传感器对两侧进行获取信号,传输给中央处理器,对数据进行存储,气体传感器对电缆沟中有害气体进行检测,并将信号传输给中央处理器进行存储。
优选的,还包括安装在车体内的A/D转换模块,气体传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
优选的,还包括安装在车体内的湿度传感器或/和温度传感器,湿度传感器或/和温度传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
优选的,所述气体传感器模块为氯化氢气体传感器、一氧化碳传感器、硫化氢气体传感器、甲烷气体传感器中的一种或多种。
优选的,还包括安装在车体内的嵌入式以太网收发模块,嵌入式以太网收发模块通过串口与中央处理器连接。
优选的,所述驱动电机与驱动轮采用同步带传动,且传动比1:1;且在驱动电机上安装有光电开关。
本发明还提供一种电缆沟巡检机器人系统,包括上述电缆沟巡检机器人、上位机,中央处理器与上位机通过双向连通。
优选的,所述中央处理器通过GPRS模块与上位机的GPRS模块通过网络连接。
本发明还提供一种电缆沟巡检机器人系统巡检方法,采用上述所述的电缆沟巡检机器人系统进行的巡检方法,步骤如下:
S01:在机器人进入巡检沟前需要测得路径的长度;
SO2:直行路线时,车体左侧的超声波传感器信号不变,右侧的超声波传感器信号不变,驱动电机驱动驱动轮直行;
S03:遇到T型路线时;
若,车体左侧的超声波传感器信号不变,右侧的超声波传感器信号改变,上位机通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,并发出右转信号,电机驱动器得到信号驱动转向电机 16操作驱动轮进行右转;
若,车体左侧的超声波传感器信号改变,右侧的超声波传感器信号不变,上位机通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,并进行左转信号,电机驱动器得到信号驱动转向电机 16操作驱动轮进行左转;
若,车体左侧的超声波传感器信号改变,右侧的超声波传感器信号改变,上位机通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,可进行左转或右转。
优选的,在车体进行左拐弯或右拐弯时,车体后端驱动轮的速度为定值的情况下,要时刻调节车体前端驱动轮的速度以及前后驱动轮与车体的夹角。
本发明相比现有技术具有以下优点:本发明可以通过驱动电机驱动驱动轮行驶,转向电机实现驱动轮的转向,设置至少两个超声波传感器对两侧进行获取信号,传输给中央处理器,对数据进行存储,气体传感器对电缆沟中有害气体进行检测,并将信号传输给中央处理器进行存储;结构紧凑,适用狭窄空间定位移动,质量轻,提高续航能力,系统扩展性能优越,方便搭载探测元件。
附图说明
图1是本发明实施例一种电缆沟巡检机器人的主视图;
图2是图1的俯视图;
图3是图1的仰视图;
图4是图1的左视图;
图5是图1的立体图;
图6-1是电缆沟巡检机器人驱动部分的细节图;
图6-2是图6-1的俯视图;
图6-3是图6-1的剖视图;
图6-4是图6-1的右视图;
图7是本发明电缆沟巡检机器人系统的控制流程图;
图8是本发明电缆沟巡检机器人的连接示意图;
图9是T型通道示意图;
图10-1是路口拐弯判别示意图;
图10-2是路口拐弯判别示意图;
图10-3是路口拐弯判别示意图;
图11-1机器人t1时刻示意图;
图11-2机器人t2时刻示意图;
图11-3机器人t3时刻示意图;
图11-4车体前驱动轮与时间的数学函数曲线关系图;
图11-5车体后驱动轮与车体的角度与时间的数学函数曲线关系图。
图中标号:车体1、驱动轮11、同步带111、驱动轮支架112、天线12、驱动电机13、同步带轮131、驱动电机轴套132、单向轴承133、气体传感器14、超声波传感器15、第一超声波传感器151、第二超声波传感器152、转向电机16、转向电机支架161、转动轴承套 162、转向主动齿轮163、转向从动齿轮164、转向轴承165、光电开关17、旋转定位盘18、中央处理器2、A/D转换模块3、嵌入式以太网收发模块4、电量检测电路5、红外线成像仪 6、上位机7、GPRS-RTU模块8。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本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下述的实施例。
实施例一:
如图1所示,本实施例一种电缆沟巡检机器人,包括车体1,车体内设有中央处理器(图中未示出);车体的底部两端分别设有一个驱动轮11,图1所示,右侧为前驱动轮,左侧为后驱动轮,且左侧设有天线12,车体内设置四个电机驱动器,结合图6-1所示,一个驱动轮11连接一个驱动电机13和一个转向电机16,驱动电机13连接电机驱动器,转向电机16连接电机驱动器;如图3、图4、图5所示,车体1的后端设有两个超声波传感器15,车体的底部设有气体传感器14;电机驱动器、超声波传感器15、气体传感器14均与中央处理器电性连接;驱动轮11通过驱动轮支架112安装在车体1上;
如图6-1、6-2、6-3、6-4所示,所述驱动电机13通过驱动轮轴134能够转动的连接在驱动电机支架133上,并固定在车体1底板顶面,并且驱动电机13与驱动轮11采用同步带111传动,这种结构可以保证驱动轮与驱动电机分别处于驱动轮安装板的上方,避免排水沟内的积水进入电机;驱动电机13通过单向轴承133、驱动电机轴套132驱动连接同步带轮131,驱动且传动比1:1;驱动电机13与主动同步带轮131之间采用单向轴承133连接,可保证在驱动电机13在断电情况下,驱动轮11仍可转动;且在驱动电机13上和车体底板内部顶面,驱动装置的两侧均安装有光电开关17;转向电机16通过转向电机支架161固定在车体底板顶面,转向电机16通过转向轴承165依次连接转向主动齿轮163、转向从动齿轮164,转动轴承安装在转动轴承套162中;转向机构可以采用步进电机驱动减速齿轮组机构,减速齿轮组可根据实际需要选择,外加光电开关17和光电定位盘18与驱动轮轴134刚性连接,光电开关17利用光电定位盘18旋转角度来判断转向角度是否到位,光电定位盘18上设有光电开关17能够感受的特征,可以是孔、缺口等,一般情况下,设定相邻的缺口呈的圆形角为90 度,用于检测知否完成转弯90度。
本实施例仅给出一种驱动行驶以及转向方式,还可以使用其他现有技术中的方式。另外,由于电缆坑道为人工路面,相对平整,可使用结构简单的轮式结构,针对路面可能会有的杂物,积水和路面不平问题,可以通过选用大直径锥形轮加双电机四轮差速转向式驱动方式解决。
本机器人对电机的基本性能要求有以下几项:①启动、停止和反向均能连续有效的进行,具有良好的响应特性;②正转反转时的特性相同,且运行特性稳定;③良好的抗干扰能力,对输出来说,体积小、重量轻;④维修容易,无需保养,安全性能高。由此可以选择步进电机作为机器人的驱动源。驱动电机和转向电机均可采用步进电机,因此,本实施例中使用4 个步进电机。
本发明可以通过驱动电机13驱动驱动轮11行驶,转向电机16实现驱动轮11的转向,设置两个超声波传感器15对两侧进行获取信号,传输给中央处理器,对数据进行存储,气体传感器14对电缆沟中有害气体进行检测,并将信号传输给中央处理器进行存储。
实施例二:
结合图7和他8所示,本实施例二中在实施一的基础上,还包括安装在车体内的A/D转换模块3,气体传感器通过A/D转换模块与中央处理器2(即图中CPU)连接。还包括安装在车体内的湿度传感器或/和温度传感器,湿度传感器或/和温度传感器通过A/D转换模块3与中央处理器2连接,所述气体传感器14模块为氯化氢气体传感器、一氧化碳传感器、硫化氢气体传感器、甲烷气体传感器中的一种或多种。还包括安装在车体内的嵌入式以太网收发模块4,嵌入式以太网收发模块4通过串口与中央处理器2连接,嵌入式以太网收发模块4选用ENC28J60。另外,还可以设置电量检测电路5和红外线成像仪6,均采用现有技术中的即可,对巡检机器人进行电量检测,以及对电缆沟内的情况获取图像,因此,程序设有两个中断,一个是电量报警中断,另一个是上位机发布中止监测指令,出现两个指令,机器人停止检测,返回初始位置进行充电或待检修。
本发明还提供一种电缆沟巡检机器人系统,包括上述电缆沟巡检机器人、上位机7,中央处理器2与上位机7通过双向连通。所述中央处理器通过GPRS模块与上位机的GPRS模块通过网络连接,本实施例中,GPRS模块选用GPRS-RTU模块8,机器人与地面上位机的通信采用GPRS模块,实现TTL串口通讯转为GPRS无线通讯。利用手机SIM卡和运营商的GPRS网络提供无线长距离数据传输功能。通过上位机7对数据进行处理,并反馈给个执行单元,进行动作。
电源应采用24V续航能力强,重量轻,可以充电的锂电池组。
结合图9、10-1、10-2、10-3所示,本发明还提供一种电缆沟巡检机器人系统巡检方法,采用上述所述的电缆沟巡检机器人系统进行的巡检方法,步骤如下:
S01:在机器人进入巡检沟前,需进行路径规划规定机器人在T型通道中如何走,需要确定AB,BC,BD的长度需要测得路径的长度;假设A为起点,则机器人的行走路径可设置为AB→BC→CB→BD→DB→BA,机器人运动一圈可对所有电缆进行检测。此处是指以T型通道场景作为案例,描述装置运动过程。
SO2:直行路线时,车体左侧的超声波传感器信号不变,右侧的超声波传感器信号不变,驱动电机驱动驱动轮直行;
S03:遇到T型路线时;
如图10-1所示,若,车体左侧的第一超声波传感器151信号不变,右侧的第二超声波传感器信号152改变,上位机7通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,并发出右转信号,电机驱动器得到信号驱动转向电机16操作驱动轮11进行右转;
如图10-2所示,若,车体左侧的第一超声波传感器151信号改变,右侧的第二超声波传感器152信号不变,上位机7通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,并进行左转信号,电机驱动器得到信号驱动转向电机16操作驱动轮11进行左转;
如图10-3所示,若,车体左侧的第一超声波传感器151信号改变,右侧的第二超声波传感器152信号改变,上位机7通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,可进行左转或右转。
除此之外,在车体1进行左拐弯或右拐弯时,车体后端驱动轮的速度为定值的情况下,要时刻调节车体前端驱动轮的速度以及前后驱动轮与车体1的夹角。
如图11-1、11-2、11-3、并结合图11-4、11-5所示,
①根据预设行走路径提供的AB,BC,BD的长度设置驱动轮运动算法。如图所示:灰色实线表示排水沟的两侧,虚线表示排水沟的中心线,如图11-1所示,t1时刻机器人进入拐弯处,如图11-2所示,t2时刻机器人正在拐弯,如图11-3所示,t3时刻机器人完成拐弯,箭头表示驱动轮的方向;L为车体长度,S1为后驱动轮所走的距离,S2为前驱动轮所走的距离,S3为后驱动轮与拐弯处的距离,∠a为后驱动轮与车体的角度,∠b为前驱动轮与车体的角度;
设机器人后驱动轮的速度为常数v1,前驱动轮的速度为变量v2,时间为t;则有如下公式:
S1=v1×t
S2=v2×t
S3=L-v1×t
根据勾股定理:
S2 2+S3 2=L2
得到v2与时间t的关系:
v2 2=(2Lv1t-v1 2t2)/t2
设L=10,v1=1则v2与t的数学函数曲线如图11-4所示;
角度与时间的关系:
cos(a)=S3/L
∠b=∠a+π/2
整理得到:
∠a=arccos(1-v1t/L)
∠b=arccos(1-v1t/L)+π/2
设L=10,v1=1则∠a与t的数学函数曲线如图11-5所示,单位为弧度。
所以,机器人在拐弯时在确定后驱动轮的速度的前提下,要时刻调节前驱动轮的速度以及两驱动轮与车体的夹角。
②以图11中右转弯为例,机器人行进路线为AB→BD,行进AB阶段时第一超声波传感器151、第二超声波传感器152都接收到沟壁返回的信号;行进到转弯处时,第一超声波传感器151有信号,第二超声波传感器152无邻近沟壁返回的信号,判断可以转弯动作。
③通过传感器接收到的信号,上位机7判断机器人到达转弯位置,通过通讯系统将转弯指令发送给机器人的控制系统。控制系统依据①里面的公式,对应选择位置调节前后驱动轮的速度与夹角。实现转弯。
除此之外,对移动机器人的定位可以确定机器人在T型通道中当前所处位置,需要实时计算出机器人离起点的距离;通过在驱动轮11上安装编码器。需要计算时,将驱动轮11的周长,乘以编码器所确定出的驱动轮的圈数得出机器人的位移。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电缆沟巡检机器人,其特征在于,包括车体,车体内设有中央处理器;车体的底部两端分别设有至少一个驱动轮,车体内设置至少四个电机驱动器,一个驱动轮至少连接一个驱动电机、一个转向电机,驱动电机连接电机驱动器,转向电机连接电机驱动器;车体的后端设有至少两个超声波传感器,车体的底部设有气体传感器;电机驱动器、超声波传感器、气体传感器均与中央处理器电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人,其特征在于,还包括安装在车体内的A/D转换模块,气体传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
3.根据权利要求2所述的一种电缆沟巡检机器人,其特征在于,还包括安装在车体内的湿度传感器或/和温度传感器,湿度传感器或/和温度传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
4.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人,其特征在于,所述气体传感器模块为氯化氢气体传感器、一氧化碳传感器、硫化氢气体传感器、甲烷气体传感器中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人,其特征在于,还包括安装在车体内的嵌入式以太网收发模块,嵌入式以太网收发模块通过串口与中央处理器连接。
6.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人,其特征在于,所述驱动电机与驱动轮采用同步带传动,且传动比1:1;且在驱动电机上安装有光电开关。
7.一种电缆沟巡检机器人系统,其特征在于,包括上述权利要求1-6任一所述电缆沟巡检机器人、上位机,中央处理器与上位机通过双向连通。
8.根据权利要求7所述的一种电缆沟巡检机器人系统,其特征在于,所述中央处理器通过GPRS模块与上位机的GPRS模块通过网络连接。
9.一种电缆沟巡检机器人系统巡检方法,其特征在于,采用上述权利要求7所述的电缆沟巡检机器人系统进行的巡检方法,步骤如下:
S01:在机器人进入巡检沟前需要测得路径的长度;
SO2:直行路线时,车体左侧的超声波传感器信号不变,右侧的超声波传感器信号不变,驱动电机驱动驱动轮直行;
S03:遇到T型路线时;
若,车体左侧的超声波传感器信号不变,右侧的超声波传感器信号改变,上位机通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,并发出右转信号,电机驱动器得到信号驱动转向电机16操作驱动轮进行右转;
若,车体左侧的超声波传感器信号改变,右侧的超声波传感器信号不变,上位机通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,并进行左转信号,电机驱动器得到信号驱动转向电机16操作驱动轮进行左转;
若,车体左侧的超声波传感器信号改变,右侧的超声波传感器信号改变,上位机通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置,可进行左转或右转。
10.根据权利要求9所述的一种电缆沟巡检机器人系统巡检方法,其特征在于,在车体进行左拐弯或右拐弯时,车体后端驱动轮的速度为定值的情况下,要时刻调节车体前端驱动轮的速度以及前后驱动轮与车体的夹角。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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