CN110908380B - 一种电缆隧道机器人自主巡检方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种电缆隧道机器人自主巡检方法及系统，包括嵌入式模块，被配置为接收各类传感器的采集数据及电池电压的采集、各模块的数据交互；运动控制模块，被配置为将下发的控制指令转换成机器人本体的运动；导航定位模块，被配置为采集并传输机器人定位信息和检测的环境中障碍物，以协助机器人避障，获取的轨道上固定的标签信息以及里程计的辅助定位信息以确定停靠点信息，用于任务检测；信息采集模块，被配置为获取隧道内图像信息并传送到嵌入式模块；通信模块，被配置为提供机器人与防火门通信链路，以及机器人与后台监控系统的通讯链路，本公开可以实现电缆隧道机器人的自主路径规划、自主过门、自主电源管理功能。

Description

一种电缆隧道机器人自主巡检方法及系统

技术领域

本公开涉及电力系统的输电领域，尤其涉及一种电缆隧道机器人自主巡检方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在电力系统输电领域，特别是电缆隧道输电系统中、环境恶劣，检修困难，电力隧道巡检机器人自主巡检变得越来越重要。

据发明人了解，目前大多数机器人的巡检任务按照人为指定的巡检路径巡检；开关防火门需要在整条路径中配置开关门指令；任务作业过程中无电源管理功能。首先机器人按照人为指定的路线进行巡检任务，当不在任务起点时，会导致任务运行耗时较长，巡检效率低。其次，由于任务整条路径中经过的防火门可能较多，人为配置路径中开门点、关门点比较耗时，而且可能出错。另外，如果机器人在运行任务过程中发生低电量，则会导致机器人在行进过程中耗完电量关机，等待人为干预。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种电缆隧道机器人自主巡检方法及系统，本公开可以实现电缆隧道机器人的自主路径规划、自主过门、自主电源管理功能。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种电缆隧道机器人自主巡检方法，包括以下步骤：

对整条隧道建立地图信息；

建立隧道内设备信息和整条隧道的停靠点信息，并建立绑定关系，同时建立防火门、充电箱与停靠点的绑定关系；

接收创建的巡检任务，根据当前位置和任务中巡检点、充电点的位置关系，计算出巡检任务的最短路径；

按照最短路径运动，沿线防火门配合机器人的位置和目标位置的位置关系进行开启/关闭；

实时确定机器人的电池状态，如果电量低于设定的阈值，打断正在执行的巡检任务，确定此时距离最近的充电座位置，控制机器人运行至该充电座进行充电，充电完成后，继续巡检被打断的任务，更新此时距离剩余巡检任务目标位置的最短路径。

作为进一步的限定，巡检机器人根据规划后的任务路径，寻找任务中的第一个停靠点，到达任务中的第1个停靠点，机器人停止，然后根据任务中事先配置的指令进行相应的巡检动作，依次类推。

作为进一步的限定，如果机器人运动过程中遇到了绑定了防火门的停靠点，则发送停止命令，机器人发送命令查询当前防火门的门状态，且根据当前停靠点和下一个要巡检的停靠点的位置关系，并且根据当前停靠点是算法中约定的“门前点”和“门后点”，判定是开门或者关门。

作为进一步的限定，巡检结束，到达任务的最后停靠点，根据绑定关系，给相应的控制箱发送上电命令，自主充电。

作为进一步的限定，根据当前位置，通过路径规划计算出巡检任务的最短路径的具体步骤包括：

(1)确定机器人当前位置与任务中停靠点的位置关系；

(2)如果机器人在任务中所有停靠点一侧，则机器人将停靠点从近至远排列形成路径，依次巡检；如果机器人在任务中停靠点的中间位置，则按照先A边巡检后B边巡检，计算出巡检路线的第一距离，同样如果按照先B边巡检后A边巡检，计算出巡检路线的第二距离，比较两个距离的大小，任务按照较小值的巡检路线巡视。

作为进一步的限定，约定每个门都绑定一个“门前点”A和“门后点”B，假设机器人在行进过程中扫到A或B点，则立即下发停止命令，进入自主过门逻辑。

作为进一步的限定，机器人通过隧道内无线网络查询当前门状态，假定由于网络原因，机器人查询不到门状态反馈，则机器人采用蓝牙与防火门建立连接，获取门状态。

作为进一步的限定，判断当前停靠点是“门前点”还是“门后点”，如果是“门前点”，且当前停靠点在前，目标停靠点在后，则此时机器人远离防火门；若此时防火门处于关闭状态，则机器人远离防火门后继续巡检，若此时防火门处于打开状态，则机器人关闭防火门后远离防火门继续巡检；如果当前是“门前点”，且当前停靠点在后，目标停靠点在前，则此时机器人要过防火门；

若当前防火门处于打开状态，则机器人无需开门，以较低速度直接过门，过门后继续巡检，若防火门处于关闭状态，则机器人发送开门指令，开门后机器人以小于设定值的速度前进通过防火门，过门后继续巡检。

作为进一步的限定，如果机器人到达任务最后停靠点，且该停靠点是充电点，则发送停止命令，机器人在充电座静止，根据模型匹配出当前停靠点绑定的充电箱，然后将控制命令通过串口服务器转发给电源继电器上电，机器人实现自主充电。

作为进一步的限定，机器人巡检过程中，如果电压值低于设定阈值，则进入自主电源管理，首先机器人停止当前任务，寻找离自己当前位置最近充电点，规划一条最短路径，生成临时充电任务，接着机器人自主启动低电压任务，当机器人到达最近充电点后匹配相应的充电箱，自动下发上电命令。

一种电缆隧道机器人自主巡检系统，运行于电缆隧道机器人上，包括：

嵌入式模块，被配置为接收各类传感器的采集数据、控制逻辑的实现，以及电池电压的采集、各模块的数据交互；

运动控制模块，被配置为将嵌入式模块下发的控制指令转换成机器人本体的运动，进而控制电缆隧道机器人的移动机构动作；

导航定位模块，被配置为采集并传输机器人定位信息和检测的环境中障碍物，以协助机器人避障，获取的轨道上固定的标签信息以及里程计的辅助定位信息以确定停靠点信息，用于任务检测；

信息采集模块，被配置为获取隧道内图像信息并传送到嵌入式模块；

通信模块，被配置为提供机器人与防火门通信链路，以及机器人与后台监控系统的通讯链路。

作为进一步的限定，所述导航定位模块，包括RFID读卡器、超声传感器和里程计，所述里程计连接嵌入式模块，用于相对位置定位；位于机器人前部和后部的超声传感器，用于检测环境中的障碍物，协助机器人避障；通过RFID读卡器读取到的轨道上固定的标签信息以及里程计的辅助定位信息就可以确定停靠点信息，用于任务检测。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开提出了电缆隧道机器人最短路径规划方法，缩短了机器人在非任务起点启动任务时的运行时间；优化了电缆隧道机器人电源自主管理策略，解决了作业过程中因电池电量耗尽导致的半路停机问题。

2、本公开设计了电缆隧道机器人自主过门方法，提高了电缆隧道机器人自主过门能力，解决了因为配置出错导致的过门异常问题。

3、本公开通过最短路径的规划，提高了电缆隧道机器人路径规划能力，缩短了机器人在非任务起点启动任务时的运行时间，提高了巡检效率。

4、本公开通过和防火门通信，以及结合防火门的状态和机器人的状态，提高了电缆隧道机器人自主过门能力，减少了因为配置出错导致的过门异常问题。

5、本公开提高了电缆隧道机器人自主电源管理能力，减少了作业过程中因电池电量耗尽导致的半路停机。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的电缆隧道机器人系统结构图；

图2是本公开的巡检流程图；

图3是本公开的路径规划子流程图；

图4是本公开的过门子流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，电缆隧道机器人自主巡检系统，包括：

嵌入式模块：该模块是机器人控制的核心，主要完成各类传感器数据的采集、控制逻辑的实现，电池电压的采集、各类数据交互等。

电源模块：电源模块为机器人整机提供电源。能够完成电池自动充电管理，机器人极限位置断电保护等功能。

运动控制模块：主要包含伺服电机驱动器，伺服电机以及附属的传动机构等，主要作用是将嵌入式模块下发的控制指令转换成机器人本体的运动。

云台模块：通过485串口与嵌入式模块连接起来，嵌入式模块发送上、下、左、右或者精确的坐标位置对准要观测的物体。

导航定位模块：包括RFID读卡器、超声传感器、里程计。里程计通过232串口连接嵌入式模块，用于相对位置定位；位于机器人前部和后部的超声传感器，用于检测环境中的障碍物，协助机器人避障；通过RFID读卡器读取到的轨道上固定的标签信息以及里程计的辅助定位信息就可以确定停靠点信息，用于任务检测。

信息采集模块：包括高清的可见光相机和红外热像仪采集图像信息，采集到的图像信息通过RJ45传送到嵌入式模块，由嵌入式模块上送至后台监控系统。

内部通信模块：机器人本体的串口服务器、无线网桥。机器人本体的气体传感器、驱动控制板都是通过串口服务器与嵌入式模块建立TCP/IP连接。蓝牙模块用于机器人与防火门通信异常时的备用链路。

外部通信模块：机器人的嵌入式模块通过无线网桥、光纤环网、光纤收发器与后台监控系统建立连接，后台监控系统可以获取机器人的实时数据，同时可以远程遥控机器人。

电缆隧道机器人自主巡检方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，建立地图信息：一条新的隧道建立模型时，需要对整条隧道建立地图信息，由机器人采集整条轨道的地理定位信息用作运动控制。

步骤2，创建绑定关系：建立隧道内设备信息和整条隧道的停靠点信息，并建立绑定关系，同时建立防火门、充电箱与停靠点的绑定关系。

步骤3，建立巡检任务：机器人在没有接收到巡检任务时，在充电座位置待命。由人工建立巡检任务。

步骤4，接收巡检任务：机器人接收后台监控系统的巡检任务。

步骤5，自主巡检：根据当前位置和任务中巡检点、充电点的位置关系，计算出巡检任务的最短路径。巡检机器人根据规划后的任务路径，寻找任务中的第一个停靠点，到达任务中的第1个停靠点，机器人停止，然后根据任务中事先配置的指令进行相应的巡检动作，依次类推。如果机器人运动过程中遇到了绑定了防火门的停靠点，则发送停止命令。机器人发送命令查询当前防火门的门状态，且根据当前停靠点和下一个要巡检的停靠点的位置关系，并且根据当前停靠点是算法中约定的“门前点”和“门后点”，判定是开门或者关门。最后巡检结束，到达任务的最后停靠点，根据绑定关系，通过无线AP给相应的控制箱发送上电命令，自主充电。(隧道内间隔设置有多个无线AP)如果机器人巡检过程中电量低于设定的阈值，机器人自主打断正在执行的巡检任务，选择最近的充电座充电。电量充足后，继续完成被打断的任务。

步骤2中建立防火门、充电箱的绑定关系，例如选定第n、n+1停靠点绑定1#防火门，第2n、2n+1停靠点绑定2#防火门，第3n、3n+1停靠点绑定3#防火门。选定第n+2停靠点绑定1#充电箱，2n+2停靠点绑定2#充电箱。

步骤4中根据当前位置，通过路径规划计算出巡检任务的最短路径。其具体步骤如图3所示：

4-1确定机器人当前位置与任务中停靠点的位置关系。

4-2如果机器人在任务中所有停靠点一侧，则机器人将停靠点从近至远排列形成路径，依次巡检；如果机器人在任务中停靠点的中间位置，则按照先左边巡检后右边巡检，计算出巡检路线的Distance1,同样如果按照先右边巡检后左边巡检，计算出巡检路线的Distance2,比较Distance1与Distance2的大小，任务按照较小值的巡检路线巡视。

步骤5中，事先约定每个门都绑定一个“门前点”A和“门后点”B，假设机器人在行进过程中扫到A或B点，则立即下发停止命令，进入自主过门逻辑，其具体步骤如图4所示。

机器人通过隧道内无线网络查询当前门状态，假定由于网络原因，机器人查询不到门状态反馈，则机器人采用蓝牙与防火门建立连接，获取门状态。

首先判断当前停靠点是“门前点”还是“门后点”，如果是“门前点”，且当前停靠点在前，目标停靠点在后，则此时机器人远离防火门。若此时防火门处于关闭状态，则机器人远离防火门后继续巡检，若此时防火门处于打开状态，则机器人关闭防火门后远离防火门继续巡检；如果当前是“门前点”，且当前停靠点在后，目标停靠点在前，则此时机器人要过防火门。若当前防火门处于打开状态，则机器人无需开门，以较低速度直接过门，过门后继续巡检。若防火门处于关闭状态，则机器人发送开门指令，开门后机器人以较慢的速度前进通过防火门，过门后继续巡检。机器人处于“门后点”的过门逻辑处理也是如此。

如果机器人到达任务最后停靠点，且该停靠点是充电点，则发送停止命令，机器人在充电座静止。根据模型匹配出当前停靠点绑定的充电箱，然后通过无线AP、控制箱里的串口服务器将控制命令转发给电源继电器上电，机器人实现自主充电。

步骤5中，机器人巡检过程中，如果电压值低于设定阈值，则进入自主电源管理。首先机器人停止当前任务，寻找离自己当前位置最近充电点，规划一条最短路径，生成临时充电任务。接着机器人自主启动低电压任务，当机器人到达最近充电点后匹配相应的充电箱，自动下发上电命令。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种电缆隧道机器人自主巡检方法，其特征是：包括以下步骤：

对整条隧道建立地图信息；

建立隧道内设备信息和整条隧道的停靠点信息，并建立绑定关系，同时建立防火门、充电箱与停靠点的绑定关系；

接收创建的巡检任务，根据当前位置和任务中巡检点、充电点的位置关系，计算出巡检任务的最短路径；

按照最短路径运动，沿线防火门配合机器人的位置和目标位置的位置关系进行开启/关闭；如果机器人运动过程中遇到了绑定了防火门的停靠点，则发送停止命令，机器人发送命令查询当前防火门的门状态，且根据当前停靠点和下一个要巡检的停靠点的位置关系，并且根据当前停靠点是算法中约定的“门前点”和“门后点”，判定是开门或者关门；具体过程为：约定每个门都绑定一个“门前点”A和“门后点”B，假设机器人在行进过程中扫到A或B点，则立即下发停止命令，进入自主过门逻辑；判断当前停靠点是“门前点”还是“门后点”，如果是“门前点”，且当前停靠点在前，目标停靠点在后，则此时机器人远离防火门；若此时防火门处于关闭状态，则机器人远离防火门后继续巡检，若此时防火门处于打开状态，则机器人关闭防火门后远离防火门继续巡检；如果当前是“门前点”，且当前停靠点在后，目标停靠点在前，则此时机器人要过防火门；

若当前防火门处于打开状态，则机器人无需开门，以较低速度直接过门，过门后继续巡检，若防火门处于关闭状态，则机器人发送开门指令，开门后机器人以小于设定值的速度前进通过防火门，过门后继续巡检；

实时确定机器人的电池状态，如果电量低于设定的阈值，打断正在执行的巡检任务，确定此时距离最近的充电座位置，控制机器人运行至该充电座进行充电，充电完成后，继续巡检被打断的任务，更新此时距离剩余巡检任务目标位置的最短路径。

2.如权利要求1所述的一种电缆隧道机器人自主巡检方法，其特征是：巡检机器人根据规划后的任务路径，寻找任务中的第一个停靠点，到达任务中的第1个停靠点，机器人停止，然后根据任务中事先配置的指令进行相应的巡检动作，依次类推。

3.如权利要求1所述的一种电缆隧道机器人自主巡检方法，其特征是：巡检结束，到达任务的最后停靠点，根据绑定关系，给相应的控制箱发送上电命令，自主充电。

4.如权利要求1所述的一种电缆隧道机器人自主巡检方法，其特征是：根据当前位置，通过路径规划计算出巡检任务的最短路径的具体步骤包括：

(1)确定机器人当前位置与任务中停靠点的位置关系；

(2)如果机器人在任务中所有停靠点一侧，则机器人将停靠点从近至远排列形成路径，依次巡检；如果机器人在任务中停靠点的中间位置，则按照先A边巡检后B边巡检，计算出巡检路线的第一距离，同样如果按照先B边巡检后A边巡检，计算出巡检路线的第二距离，比较两个距离的大小，任务按照较小值的巡检路线巡视。

5.如权利要求3所述的一种电缆隧道机器人自主巡检方法，其特征是：如果机器人到达任务最后停靠点，且该停靠点是充电点，则发送停止命令，机器人在充电座静止，根据模型匹配出当前停靠点绑定的充电箱，然后将控制命令转发进行上电，机器人实现自主充电。

6.如权利要求3所述的一种电缆隧道机器人自主巡检方法，其特征是：机器人巡检过程中，如果电压值低于设定阈值，则进入自主电源管理，首先机器人停止当前任务，寻找离自己当前位置最近充电点，规划一条最短路径，生成临时充电任务，接着机器人自主启动低电压任务，当机器人到达最近充电点后匹配相应的充电箱，自动下发上电命令。

7.一种电缆隧道机器人自主巡检系统，其特征是：运行于电缆隧道机器人上，包括：

嵌入式模块，被配置为接收各类传感器的采集数据、控制逻辑的实现，以及电池电压的采集、各模块的数据交互；通过电池电压的采集，实时确定机器人的电池状态，如果电量低于设定的阈值，打断正在执行的巡检任务，确定此时距离最近的充电座位置，控制机器人运行至该充电座进行充电，充电完成后，继续巡检被打断的任务，更新此时距离剩余巡检任务目标位置的最短路径；

运动控制模块，被配置为将嵌入式模块下发的控制指令转换成机器人本体的运动，进而控制电缆隧道机器人的移动机构动作；

导航定位模块，被配置为采集并传输机器人定位信息和检测的环境中障碍物，以协助机器人避障，获取的轨道上固定的标签信息以及里程计的辅助定位信息以确定停靠点信息，用于任务检测；

信息采集模块，被配置为获取隧道内图像信息并传送到嵌入式模块；

通信模块，被配置为提供机器人与防火门通信链路，以及机器人与后台监控系统的通讯链路；如果机器人运动过程中遇到了绑定了防火门的停靠点，则发送停止命令，机器人发送命令查询当前防火门的门状态，且根据当前停靠点和下一个要巡检的停靠点的位置关系，并且根据当前停靠点是算法中约定的“门前点”和“门后点”，判定是开门或者关门；具体过程为：约定每个门都绑定一个“门前点”A和“门后点”B，假设机器人在行进过程中扫到A或B点，则立即下发停止命令，进入自主过门逻辑；判断当前停靠点是“门前点”还是“门后点”，如果是“门前点”，且当前停靠点在前，目标停靠点在后，则此时机器人远离防火门；若此时防火门处于关闭状态，则机器人远离防火门后继续巡检，若此时防火门处于打开状态，则机器人关闭防火门后远离防火门继续巡检；如果当前是“门前点”，且当前停靠点在后，目标停靠点在前，则此时机器人要过防火门；

若当前防火门处于打开状态，则机器人无需开门，以较低速度直接过门，过门后继续巡检，若防火门处于关闭状态，则机器人发送开门指令，开门后机器人以小于设定值的速度前进通过防火门，过门后继续巡检。

8.如权利要求7所述的一种电缆隧道机器人自主巡检系统，其特征是：所述导航定位模块，包括RFID读卡器、超声传感器和里程计，所述里程计连接嵌入式模块，用于相对位置定位；位于机器人前部和后部的超声传感器，用于检测环境中的障碍物，协助机器人避障；通过RFID读卡器读取到的轨道上固定的标签信息以及里程计的辅助定位信息就可以确定停靠点信息，用于任务检测。

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