CN111546354A - 一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统及方法，所述系统包括：若干固定传感器，用于检测电缆沟道内的若干预设信息；沟道盖板，用于提供机器人进入沟道的通道；微处理器，用于采集固定传感器的信息；用于与机器人信息交互；用于控制液压杆伸缩；二维码标签，用于识别电缆沟道的编号；机器人设置有双目相机、底层控制板、工控机、双光相机、Lora无线模块、陀螺仪和激光测距模组。本发明的系统及方法，能够实现基于机器人的电缆沟道自动巡检。

Description

一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统及方法

技术领域

本发明属于电缆沟道巡检技术领域，特别涉及一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统及方法。

背景技术

目前电缆沟的巡检方式以人工巡视为主，运维人员定期打开电缆沟盖板，进入电缆沟内部，检查电缆本体、电缆发热、电缆沟积水、异物、电缆支架及防火封堵等情况。由于电缆沟内部空间狭小，采光及通风条件受限，使得巡视效率低下，且会对巡检人员的身体健康造成影响。

现场巡视过程中，需巡检人员人工记录巡视结果，初步判断是否存在异常。返回工作单位后，再将巡视结果录入计算机数据系统，通过调阅、对比先前巡视结果，综合判断是否存在异常，时效性差、准确度不高。

目前投入生产使用的巡检机器人包括：轮式巡检机器人和轨道式巡检机器人。

轨道式机器人在轨道上运行，对于沟道等密闭场景，轨道安装空间及机器人运行空间都不足，同时轨道不能直接吊装在沟道顶部，因此不具备在沟道内安装的条件。

对于轮式机器人而言，有以下几个问题：

1)轮式巡检机器人主要运用于开阔、无阻挡的室外场景，而不能实现如电缆沟道等封闭空间内巡检对象的状态数据采集；

2)由于沟道盖板尺寸及重量较大，机器人自动巡检需要人工协助打盖板或自身具有开启盖板的能力；

3)沟道内部路面不平整，需要机器人具有一定越障能力。

综上所述，目前不存在可行的机器人沟道巡检方案，电缆沟道的巡检方式以人工巡视为主，而现有的机器人巡检控制策略难以克服沟道内部的复杂环境，亟需一种新的基于机器人的无人化、智能化的沟道自动巡检技术，以满足构建智能电网的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的系统及方法，能够实现基于机器人的电缆沟道自动巡检。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统，包括：

若干固定传感器，用于检测电缆沟道内的若干预设信息；

沟道盖板，用于提供机器人进入沟道的通道；其中，沟道盖板铰接于所述电缆沟道的入口处，通过液压杆支撑，控制液压杆能够使盖板倾斜；

微处理器，用于采集固定传感器的信息；用于与机器人信息交互；用于控制液压杆伸缩；

二维码标签，用于识别电缆沟道的编号；

所述机器人设置有双目相机、底层控制板、工控机、双光相机、Lora无线模块、陀螺仪和激光测距模组；所述双目相机，用于建图及定位；所述底层控制板用于控制机器人运动；所述工控机用于处理双目相机和底层控制板返回的数据，进行导航算法的计算，用于与操作人员的PC机进行交互；所述双光相机，用于探查沟道内部有无异物，电缆是否破损和温度异常，向外部传输电缆内部图像员；所述Lora无线模块用于与沟道内部的微控制器进行数据交互；所述陀螺仪用于返回机器人的朝向角数据，用于导航计算；所述激光测距模组用于返回沟道内部的凹凸障碍的距离。

本发明的进一步改进在于，所述若干固定传感器包括：

温湿度传感器，用于检测电缆沟道内部环境的温度数据和湿度数据；

水位传感器，用于检测电缆沟道内部有无积水；

甲烷传感器，用于检测电缆沟道内部甲烷浓度；

氧气传感器，用于检测电缆沟道内部氧气浓度；

硫化氢传感器，用于检测电缆沟道内部硫化氢浓度。

本发明的进一步改进在于，所述温湿度传感器安装在电缆沟道的顶部；所述水位传感器安装在电缆沟道的底部；所述甲烷传感器安装在电缆沟道的顶部；所述氧气传感器安装在电缆沟道的顶部；所述硫化氢传感器安装在电缆沟道的顶部；所述二维码标签设置在电缆沟道入口处。

本发明的进一步改进在于，所述微处理器采用RS485总线实现与各固定传感器数据的交互。

本发明的进一步改进在于，所述液压杆能够使盖板倾斜的角度范围为15°～20°。

本发明的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检方法，基于本发明上述的系统，包括以下步骤：

双光相机获取电缆沟道的二维码标签，识别获取电缆的编号；

Lora无线模块向电缆沟道内部的微控制器下达开启沟道盖板的控制指令；

沟道内部的微控制器根据接收到的控制指令控制液压杆收缩，沟道盖板倾斜成斜坡通道；

底层控制板通过斜坡通道控制机器人进入电缆沟道，开始巡检：双光相机检测电缆是否有破损，通过红外检测电缆是否有温度异常；沟道内部的微控制器将采集到的固定传感器数据发送给机器人；机器人将接收的采集数据通过工控机的内置无线传输模块发送给沟道外的PC端；

机器人到达电缆沟道尽头，行走方式由前进变成后退；机器人退出沟道后，通过Lora无线模块向沟道内的微控制器发送关闭沟道盖板的控制指令，微控制器控制液压杆伸长，实现沟道盖板关闭。

本发明的进一步改进在于，所述机器人在电缆沟道内巡检时的巡检方式为：前进时检测电缆沟道的一侧，后退时检测另一侧。

本发明的进一步改进在于，所述机器人在巡检过程中，遇到凸障碍时：

通过激光测距模组，获取激光测距模组与障碍物之间的距离；工控机根据基于获取的距离，根据三角函数计算出障碍物高度；将计算出的障碍物高度与预设机器人的越障能力比较，作出如下动作的一种或多种：翻越、刹车、报警。

本发明的进一步改进在于，所述机器人在巡检过程中，遇到凹障碍时：

通过激光测距模组，获取激光测距模组与凹障碍底部之间的距离；工控机基于获取的距离，根据三角函数计算出障碍物深度；将计算出的障碍物深度与预设机器人的探沟能力比较，作出如下动作的一种或多种：翻越、刹车、报警。

本发明的进一步改进在于，所述机器人在巡检过程中，还包括：将加速/减速过程按照时间均匀划分成预设数量的阶段进行，变速过程中每一阶段加速度的导数绝对值为常数，实现速度的平滑过渡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的系统，可用于现有电缆沟道的改造；能够应用于变电站等电力行业，实现无人化电缆沟道巡检。该系统采取固定采集和移动机器人巡检的方式实现，在沟道内部安装部分固定传感器，监测沟道内温湿度和空气环境情况，巡检机器人进入沟道中巡检电缆桥架上的线缆有无破损和异常发热，沟道内部设施完整性及异常状况；采用沟道盖板开启机构、机器人进出沟道机构、自动巡检机器人等装置、样机，可实现巡检机器人在巡检期间的无障碍移动和数据传送。

本发明的方法可广泛应用于变电站等电力行业的无人化电缆沟道巡检，该方法采取固定采集和移动机器人巡检的方式实现，包括：在沟道内部安装部分固定传感器，监测沟道内温湿度和空气环境情况，巡检机器人进入沟道中巡检电缆桥架上的线缆有无破损和异常发热，沟道内部设施完整性及异常状况；机器人通过标记沟道ID的二维码智能出入沟道进行巡检作业，以串口总线、Lora无线传输和无线WiFi为骨干的通讯技术，可实现沟道采集数据的无线长距离传输。本发明中，采用沟道盖板开启机构、机器人进出沟道机构、自动巡检机器人等装置、样机，可实现巡检机器人在巡检期间的无障碍移动和数据传送。

本发明中，启动或停止采用S形速度平滑控制方法，可保证变电站智能巡检机器人平滑、稳定完成行走过程；保证机器人在启动或停止过程中，不会因为速度的突变而产生剧烈抖动或过冲等现象，从而增强机器人的安全性，减少不必要的机械磨损，同时减少定位误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种电缆沟道自动巡检方法的流程示意框图；

图2是本发明实施例中，机器人进出沟道示意图；

图3是本发明实施例中，凸沟道障碍检测示意图；

图4是本发明实施例中，凹沟道障碍检测示意图；

图5是本发明实施例中，S形速度平滑控制示意图；

图6是本发明实施例中，电机驱动模块接线示意图；

图7是本发明实施例中，急停模块的接线示意图；

图8是本发明实施例中，主控板通信控制示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统，具体包括：

温湿度传感器，用于检测电缆沟道内部环境的温度数据和湿度数据；其中，温湿度传感器可以安装在电缆沟道的顶部；所述温湿度传感器可选用SD123品牌的T10型号。

水位传感器，用于检测电缆沟道内部有无积水；其中，水位传感器可以安装在电缆沟道的底部，积水较多的地方可以安装多个水位传感器；所述水位传感器可选用德国汉姆HM21系列。

甲烷传感器，用于检测电缆沟道内部甲烷浓度；其中，甲烷传感器可以安装在电缆沟道的顶部；所述甲烷传感器可选用西星科技的QT系列。

氧气传感器，用于检测电缆沟道内部氧气浓度；其中，氧气传感器可以安装在电缆沟道的顶部；所述氧气传感器可选用西星科技的QT系列。

硫化氢传感器，用于检测电缆沟道内部硫化氢浓度；其中，硫化氢传感器可以安装在电缆沟道的顶部；所述硫化氢传感器可选用西星科技的QT系列。

微处理器，用于采集固定传感器信息，控制液压杆开闭沟道盖板以及和机器人信息交互；所述微处理器可以选用ST公司的STM32L4低功耗系列。

微处理器采用低功耗设置，采用Lora技术与机器人实现数据的交互，使用RS485总线实现与各固定传感器数据的交互。

二维码标签，用于帮助机器人识别电缆沟道的编号；其中，二维码可设置在电缆沟道入口处。

盖板，用于提供机器人进入沟道的通道；其中，盖板由液压杆支撑，控制液压杆，可以使盖板倾斜，提供出够机器人进入沟道的15～20°斜坡。

所述机器人设置有双目相机、底层控制板、工控机、双光相机、Lora无线模块、陀螺仪和激光测距模组。

双目相机，用于及时建图并定位；双目相机可选用图漾的DS460型号。

底层控制板，用于控制机器人运动；底层控制板可选用ST公司的STM32F4系列型号。

工控机，作为机器人数据处理和计算的核心，用于处理相机和底层控制板返回的数据，进行导航算法的计算，通过wifi与工作人员的PC机进行交互；工控机可选用占美的GK4000型号。

双光相机，用于探查沟道内部有无异物，电缆是否破损、发热，并可传输电缆内部图像给地面上的工作人员。双光相机可选用今创奇科技的FLIR Duo Pro R型号。

Lora无线模块，用于与沟道内部的微控制器进行数据交互。Lora无线模块型号可选用EBYTE的E22-400T22S。

陀螺仪，用于返回机器人的朝向角数据，用于后续导航计算。陀螺仪可选用mpu-6050型号。

激光测距模组，用于返回沟道内部的凹凸障碍的距离。激光测距模组可选用北醒的TF-Luna 8m低成本激光测距模组。

其中，通过工控机内预设的巡检路径，机器人到达沟道外的预置位；

通过双光相机获取电缆沟道的二维码，获得电缆的对应编号；

机器人通过Lora无线模块，向沟道内部的微控制器下达开启沟道盖板的指令；

沟道内部的微控制器控制液压杆收缩，盖板向下倾斜成坡脚为20°的斜坡。

请参阅图1，本发明实施例的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检方法，基于本发明上述的系统，具体包括以下步骤：

通过工控机内预设的巡检路径，机器人到达沟道外的预置位。通过双光相机获取电缆沟道的二维码，获得电缆的对应编号。机器人通过Lora无线模块，向沟道内部的微控制器下达开启沟道盖板的指令。沟道内部的微控制器控制液压杆收缩，盖板向下倾斜成坡脚为20°的斜坡，机器人进入沟道开始巡检，如图2所示。机器人通过双光相机检测电缆是否有破损，红外检测电缆是否有温度异常，同时沟道内部的微控制器将采集到的的固定式传感器发送数据给机器人，经过机器人中转，机器人将数据通过工控机的内置WIFI发送给沟道外工作人员的PC端。当机器人到达沟道防区尽头，行走方式由前进变成后退，巡检方式可以为进入时巡检一侧，后退时检测另一侧。机器人退出沟道后再次通过Lora无线模块向沟道内的微控制器发送命令关闭沟道盖板。

本发明实施例中，巡检过程中，遇到凹凸不平的障碍时，采取的算法步骤具体包括：

机器人通过激光测距模组，获取模组和障碍物之间的距离，用于后续的计算；检测到凸障碍时，机器人通过凸沟道监测技术来决定是否前进。凸沟道监测也叫越障检测，需要在巡检机器人前进的过程中翻越凸出的障碍物，并根据障碍物和机器人的越障能力制定出不同的越障方案。按照当前机器人需求定义越障能力为可以越过50mm障碍物，所以按照障碍物高度为50mm进行越障测试。

请参阅图3，激光传感器安装在巡检机器人的上部，垂直距离地面距离为H(H＝435mm)，激光测距传感器通过激光光束斜射到地面来检测地面距离S，斜射角度∠a(a＝50°)，通过三角函数计算：S＝H/sin∠a＝435/0.766(mm)＝568(mm),机器人车轮距离激光光束射到地面点的距离为L，L＝S*cos∠a(mm)＝568*0.643(mm)＝365(mm)。

如果机器人继续向前运动，则激光光束会照射到障碍物，障碍物高度h为50mm，那么激光检测到地面距离值S将会变小，通过三角函数计算：S＝(H-h)/sin∠a＝(435-50)/0.766(mm)＝503(mm)，所以当激光测距返回值小于503mm时，则表示探测到的障碍物高度超过50mm，而此时机器人离障碍物的距离值为L，L＝S*cos∠a(mm)＝503*0.643(mm)＝323(mm)，由于距离较近，机器人需要做紧急刹车处理。如果激光测距返回值不小于503mm，根据机器人越障能力(高度小于50mm)，可以让机器人越过此障碍物。

如果前方障碍物高度h＝100mm，宽度l＝50mm的物体，那么此时机器人需要紧急刹车，但是紧急刹车后，由于存在制动距离，1m/s速度运动制动距离为150mm，所以机器人会继续向前移动150mm，此时激光传感器激光光束会越过障碍物，探测到障碍物后面的地面，那么激光测距传感器返回的距离值会恢复正常，程序中报警会解除，如果上位机继续发送运动命令，机器人会继续向前运动，此时激光传感器不会探测到任何障碍物，就会导致机器人撞到此前探测的障碍物。

请参阅图4，本发明实施例中，检测到凹障碍时，机器人通过凹沟道监测技术来决定是否前进。

按照机器人越障能力，同理当机器人检测到沟道高度小于50mm，也可以让机器人进入沟道后成功回到地面，所以按照沟道高度为50mm进行探沟测试。

激光传感器垂直距离地面距离为H(H＝435mm)，激光测距传感器通过激光光束斜射到地面来检测地面距离S，斜射角度∠a(a＝50°)，通过三角函数计算：S＝H/sin∠a＝435/0.766(mm)＝568(mm),机器人车轮距离激光光束射到地面点的距离为L，L＝S*cos∠a(mm)＝568*0.643(mm)＝365(mm)。

如果机器人继续向前运动，机器人激光光束会照射到高度为h＝50mm的沟道底部，此时激光检测到地面距离值会变大，变大的值为ΔS，通过三角函数计算：ΔS＝h/sin∠a＝50/0.766(mm)＝65(mm)，激光检测到地面距离值为S′＝S+ΔS＝568+65(mm)＝633(mm)，所以当激光返回值小于633mm时，机器人此时不需要报警，否则表示当前检测到沟道高度高于50mm，则机器人需要进行报警。再检测沟道的宽度，判断是否进行停车处理。

根据以上测试，按照当前机器人需求定义机器人能越过100mm*100mm的沟道，所以按照100mm*100mm沟道进行测试。

如果机器人检测到前方沟道为高(h)100mm*宽(l)100mm，当前机器人继续向前运动，则激光测距传感器检测到距离地面值S将突然变大，激光光束距离地面变大的值为ΔS，通过三角函数计算：ΔS＝h/sin∠a＝100/0.766(mm)＝130(mm)，激光检测距离地面值为S′，S′＝S+ΔS＝568+130(mm)＝698(mm)，激光光束点距离沟壁值为ΔL，ΔL＝ΔS*cos∠a(mm)＝130*0.643(mm)＝83(mm)，所以机器人向前继续运动17mm，激光光束则会照射到另一边的沟壁上。

通过激光检测距离地面值会逐渐变小，直到机器人激光光束照射到沟壁距离地面为50mm处(Δh＝50mm)，由于机器人需求定义越障能力为可以越过50mm障碍物，此时ΔS＝Δh/sin∠a＝50/0.766(mm)＝65(mm)，激光检测地面距离值为S′＝S+ΔS＝568+65(mm)＝633(mm)，所以当激光测距返回值小于633mm时，机器人解除报警，即使此处存在高度为50mm的沟道，也允许机器人继续向前运动。

如果机器人向前运动100mm后，此时机器人激光返回距离值为S′，S′＝S+ΔS＝568+130(mm)＝698(mm)，那么激光测距返回值大于633mm，程序仍然会继续报警，由于机器人越沟能力只能越过宽度为100mm的沟道，并且此时机器人距离沟壁的距离值为L，L＝265mm，所以机器人需要做紧急刹车处理。

如果前方沟道为高度h＝100mm，宽度l＝250mm，机器人移动100mm后激光测距传感器报警仍然没有恢复，那么此时机器人需要立即刹车，根据1m/s移动速度刹车距离150mm来计算，机器人刹车停止后，车轮距离沟壁为115mm，车轮距离激光光束照射点的距离为365mm，所以车轮边沟壁到激光光束照射点为365-115mm＝250mm，而此处的沟道宽度刚好为250mm，那么激光光束就会照射到地面上，探沟测距传感器会恢复报警，上位机继续发送运动命令，机器人就会继续前进，可能导致机器人运动115mm后车轮掉入沟道中。

在实际使用中，机器人运动场地可能存在盖板盖住一条很深的沟道，高度h>100mm，而且盖板距离沟壁存在一定距离，那么激光测距返回值会很大，同普通沟道类似，当激光测距返回值大于633mm时，程序会报警，然后机器人继续向前运动100mm，如果沟道宽度l<＝100mm，则激光测距返回值此时会恢复到正常值，机器人可以继续运动，越过沟道，如果沟道宽度l>100mm，则激光测距返回值会仍然很大(大于633mm)，此时机器人需要紧急刹车。

本发明实施例中，当在检测时需要机器人启停时，使用S形速度平滑控制算法，增强机器人安全性。

为保证变电站智能巡检机器人平滑、稳定完成行走过程，必须制定一种运动控制策略，保证机器人在启动或停止过程中，不会因为速度的突变而产生剧烈抖动或过冲等现象，从而增强机器人的安全性，减少不必要的机械磨损，同时减少定位误差。

S形速度平滑控制算法是指在加速和减速过程中，因速度的变化曲线如同字母S而得名，在这种速度平滑算法中，将加速/减速过程按照时间均匀划分成几段进行，保证变速过程中每一阶段加速度的导数绝对值为一常数，从而实现速度的平滑过渡。如下图所示，将加速/减速过程均匀划分成两段的五段式S形速度平滑控制过程，易知其存在如下关系式：

t₂-t₁＝t₄-t₃；

其中t₁为开始加速的时刻，其中t₂为停止加速的时刻，其中t₃为开始减速的时刻，其中t₄为停止减速的时刻。

请参阅图5，由图5可知，S形速度平滑算法中，在运动的每个阶段，加速度对时间的导数保持不变,即存在式如下关系式

式中，a′—加速度对时间的导数(m/s3)；J—某常数，代表加速度对时间导数的值(m/s3)。

综合以上分析，配合变电站巡检机器人的工作方式可知，机器人每到达一个巡检任务点，均需要停车进行巡检，因此在一个巡检周期内，机器人需要多次执行启动与停止过程。使用S形法进行巡检机器人的速度平滑控制，能够显著减少机器人的机械磨损，延长使用寿命。

考虑到巡检机器人的行走系统在非故障情况下，并不清楚工控机会在何时发送启动/停止指令，因此将速度平滑控制算法固化在主控板中将会导致停车指令下达后仍旧存在一段平滑减速过程，严重影响巡检机器人定位的准确性，因此速度平滑控制算法应当依附于机器人的导航系统，由工控机向行走系统下发平滑变化的行走速度。

另外，请参阅图6至图8，作为本发明实施例的一种具体机器人示例，还包括：

电机驱动模块，综合考虑变电站和《技术规范》的要求，巡检机器人的越障高度要求为50mm，爬坡能力要求为15°，选用外转子电机。同时根据《技术规范》要求，涉水深度不低于100mm，因此选定半径为12.75cm的外转子电机作为巡检机器人的驱动结构；所述电机驱动模块的接线如图6所示。

电机技术所使用的电机通常为直流无刷电机，这种电机具备了传统直流电机启动性能优越、调速平滑的优点，同时取消了传统直流电机中易发生磨损的电刷和换向器结构，采用霍尔传感器完成电流换向，从而大大延长了使用寿命。

霍尔传感器虽然能够用于测量电机的转速，但配合直流无刷电机完成相序控制的霍尔传感器精度较低，无法准确定位电机转子的位置，故在控制精度要求极高的场合还需要加装高精度编码器完成控制。考虑巡检机器人的控制只要求能够测速即可，不需要精确检测转子位置，因此无需额外加装编码器进行定位与测速。

基于以上分析，驱动模块的功能通过电机并配合电机控制机构即可实现，适用于三相直流无刷电机的控制机构在市面上较为多见，故无需重新进行设计，常见电机控制器通过RS232或RS485方式实现控制器与主控制芯片的通信传输。综上，可完成驱动模块的设计并绘制接线图。

主控模块，选用基于ARM Cortex-M4内核的STM32f407系列作为控制芯片。

STM32是意法半导体专门针对工业控制研发的一系列功耗低、性能高、稳定性好的32位ARM芯片，本文选取的STM32f407系列芯片具有6个独立的USART/UART串口可用于连接外设，最多可设置17个定时器，具有16个优先级，同时该系列属于STM32中的高性能系列，可以满足复杂的多电机控制策略。

急停模块，为避免巡检机器人在测试或实际使用过程中发生误动作造成人身、财产损失，应在机器人的行走系统中加装紧急停止模块，用于手动切断电源模块对机器人主控板、四轮运动机构及其它高电压等级设备的供电，但同时也要求急停模块不能切断工控机、云台、网桥天线等启动较慢或需要持续向后台传输数据的机构，所述急停模块的接线如图7所示。

因此考虑加装急停开关，开关可切断四台电机及其控制器的供电，同时可切断24V直流稳压模块的供电，主控板供电直接由24V直流稳压模块中5V的USB端口提供，绘制其接线图。

电机的峰值电流限制为15A，急停模块要保证能够同时切断4台电机，还有其他包括4台步进电机在内的用电设备。通常能直接安装在机器人本体上的小型急停开关在大电流通过时易发生熔断，可能造成无法切断电流或无法通过电流的故障。为保证在大电流通过的情况下，急停开关可以正常工作，将急停开关直接串接的方式可改为使用急停开关控制继电器动作，利用继电器的动断触点完成大电流的顺利切断。

综上，本发明采用急停开关配合继电器的方式实现巡检机器人主控板、四轮运动机构及其它高电压等级设备的紧急断电功能。

内部通信模块，变电站巡检机器人行走系统的控制，是由主控板接收指定的运动信息并控制步进电机与电机做出相应动作而实现的，而在运动过程中，主控板又能够通过定时接收各模块上传的状态数据进行解析、计算、响应、打包上传工控机等动作，如图8所示。

主控板与工控机之间的通信可以直接通过USB转TTL模块连接，工控机根据导航数据向主控板发送运动控制指令，主控板根据指令解析、计算出相应的运动控制量，并向步进电机与电机下发，从而实现巡检机器人的行走动作。遥控手柄控制方式通常用于工控机无法正常控制行走系统的情况，因此遥控手柄应配合一种能屏蔽工控机下发运动指令的控制策略，以便争夺对机器人的控制权；另一方面，这种通信方式不需要主控板向遥控手柄返回任何数据。电源管理模块、电机控制器以及步进电机控制器三者都是使用RS485电平进行通信的，所以主控板需要通过TTL转RS485模块进行电平转换后方可与这些设备进行正常通信，RS485为串行总线传输方式。

综上所述，本发明公布了一种基于机器人的沟道自动巡检方法及系统，以固定采集和移动机器人巡检的方式实现，即在沟道底部低洼处安装水位传感器监测沟道内积水，沟道侧面顶部安装温湿度、硫化氢、甲烷、氧气等四种传感器，监测沟道内温湿度和空气环境情况，巡检机器人进入沟道中巡检电缆桥架上的线缆有无破损和异常发热，沟道内部设施完整性及异常状况；机器人按照巡检路径到达沟道外预置位，读取标记沟道ID的二维码，便于采集数据归集分类，然后发送指令开启盖板、入沟机构和唤醒固定传感器，机器人按巡检路径进入沟道，在巡检过程中，采用凹凸沟道监测技术来智能避障以适应沟道内部的复杂地形，并采用S型速度平滑控制算法增强了机器人启停时的安全性。检测过程中，先检测沟道行进方向一侧线缆和沟道内部设施状况，到达沟道防区尽头，沿原路倒退返回，返回中巡检沟道另一侧的情况；通讯方式采用串口总线、Lora无线传输和无线WIFi为骨干的通讯技术，实现了沟道、箱体采集数据的无线长距离传输，研制了沟道盖板开启机构、机器人进出沟道机构、自动巡检机器人等装置、样机，实现了巡检机器人在巡检期间的无障碍移动和数据传送。本发明提出的方法和装置，有效针对了沟道密闭性、空间小等特点，解决了原有人工巡检存的在时效性低、准确度差、巡检人员存在安全隐患等问题。本发明的方法包括：采用移动机器人结合固定式采集的巡检模式；基于物联网技术的机器人自主开关沟道盖板的模式；基于机器人中转的后台数据处理模式；针对沟道凹凸地面的智能化监测技术和履带式的移动方案。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统，其特征在于，包括：

若干固定传感器，用于检测电缆沟道内的若干预设信息；

沟道盖板，用于提供机器人进入沟道的通道；其中，沟道盖板铰接于所述电缆沟道的入口处，通过液压杆支撑，控制液压杆能够使盖板倾斜；

微处理器，用于采集固定传感器的信息；用于与机器人信息交互；用于控制液压杆伸缩；

二维码标签，用于识别电缆沟道的编号；

所述机器人设置有双目相机、底层控制板、工控机、双光相机、Lora无线模块、陀螺仪和激光测距模组；所述双目相机，用于建图及定位；所述底层控制板用于控制机器人运动；所述工控机用于处理双目相机和底层控制板返回的数据，进行导航算法的计算，用于与操作人员的PC机进行交互；所述双光相机，用于探查沟道内部有无异物，电缆是否破损和温度异常，向外部传输电缆内部图像员；所述Lora无线模块用于与沟道内部的微控制器进行数据交互；所述陀螺仪用于返回机器人的朝向角数据，用于导航计算；所述激光测距模组用于返回沟道内部的凹凸障碍的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统，其特征在于，所述若干固定传感器包括：

温湿度传感器，用于检测电缆沟道内部环境的温度数据和湿度数据；

水位传感器，用于检测电缆沟道内部有无积水；

甲烷传感器，用于检测电缆沟道内部甲烷浓度；

氧气传感器，用于检测电缆沟道内部氧气浓度；

硫化氢传感器，用于检测电缆沟道内部硫化氢浓度。

3.根据权利要求2所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统，其特征在于，所述温湿度传感器安装在电缆沟道的顶部；所述水位传感器安装在电缆沟道的底部；所述甲烷传感器安装在电缆沟道的顶部；所述氧气传感器安装在电缆沟道的顶部；所述硫化氢传感器安装在电缆沟道的顶部；所述二维码标签设置在电缆沟道入口处。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统，其特征在于，所述微处理器采用RS485总线实现与各固定传感器数据的交互。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检系统，其特征在于，所述液压杆能够使盖板倾斜的角度范围为15°～20°。

6.一种基于机器人的电缆沟道自动巡检方法，其特征在于，基于权利要求1所述的系统，包括以下步骤：

双光相机获取电缆沟道的二维码标签，识别获取电缆的编号；

Lora无线模块向电缆沟道内部的微控制器下达开启沟道盖板的控制指令；

沟道内部的微控制器根据接收到的控制指令控制液压杆收缩，沟道盖板倾斜成斜坡通道；

底层控制板通过斜坡通道控制机器人进入电缆沟道，开始巡检：双光相机检测电缆是否有破损，通过红外检测电缆是否有温度异常；沟道内部的微控制器将采集到的固定传感器数据发送给机器人；机器人将接收的采集数据通过工控机的内置无线传输模块发送给沟道外的PC端；

机器人到达电缆沟道尽头，行走方式由前进变成后退；机器人退出沟道后，通过Lora无线模块向沟道内的微控制器发送关闭沟道盖板的控制指令，微控制器控制液压杆伸长，实现沟道盖板关闭。

7.根据权利要求6所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检方法，其特征在于，所述机器人在电缆沟道内巡检时的巡检方式为：前进时检测电缆沟道的一侧，后退时检测另一侧。

8.根据权利要求6所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检方法，其特征在于，所述机器人在巡检过程中，遇到凸障碍时：

通过激光测距模组，获取激光测距模组与障碍物之间的距离；工控机根据基于获取的距离，根据三角函数计算出障碍物高度；将计算出的障碍物高度与预设机器人的越障能力比较，作出如下动作的一种或多种：翻越、刹车、报警。

9.根据权利要求6所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检方法，其特征在于，所述机器人在巡检过程中，遇到凹障碍时：

通过激光测距模组，获取激光测距模组与凹障碍底部之间的距离；工控机基于获取的距离，根据三角函数计算出障碍物深度；将计算出的障碍物深度与预设机器人的探沟能力比较，作出如下动作的一种或多种：翻越、刹车、报警。

10.根据权利要求6所述的一种基于机器人的电缆沟道自动巡检方法，其特征在于，所述机器人在巡检过程中，还包括：将加速/减速过程按照时间均匀划分成预设数量的阶段进行，变速过程中每一阶段加速度的导数绝对值为常数，实现速度的平滑过渡。

Images