CN111880537A - 一种隧道电缆智能巡检机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道电缆智能巡检机器人系统，涉及机器人设计与控制领域，包括巡检机器人防爆模块、传感器模块、保险线缆模块、感知‑传输‑控制一体化模块、自主导航模块和智能分析系统模块。其中，所述传感器模块包括视觉与温度传感器、定位传感器和环境信息传感器；所述感知‑传输‑控制一体化模块实现环境监测与感知、信息传输和控制；所述自主导航模块通过搭载的传感器来构建栅格地图。本发明适合隧道内狭小空间执行巡检任务作业，实现了集远端遥控和通讯控制一体化的解决方案，对提高巡检机器人的智能化水平具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及机器人设计与控制领域，尤其涉及一种隧道电缆智能巡检机器人系统。
背景技术
隧道中利用机器人巡检电缆是当前电力系统的研究热点之一，国内外科研部门均对此开展研究，但成果相对较少并大都浮于理论。现实中，隧道环境下的狭小复杂空间对巡检机器人的性能提出多种要求，例如：高灵活度的小型机械结构、低延迟的自主控制、远端遥控、防水防爆、智能分析等。因此，需要一种智能巡检机器人系统，为电力系统中狭小复杂空间中的巡检提供科学合理、切实可行、行之有效的解决方案；同时，在保证高效的巡检质量的前提下，能进一步保障人员和设施运行安全。因此，本领域的技术人员致力于开发一种隧道电缆智能巡检机器人系统。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何有效提高在狭小空间内对隧道环境、线缆情况的巡检质量，提高巡检机器人的智能化水平。
为实现上述目的，本发明提供了一种隧道电缆智能巡检机器人系统。包括防爆模块、传感器模块、保险线缆模块、感知-传输-控制一体化模块、自主导航模块和智能分析系统模块。其中，所述防爆模块采用温度触发型保险、隔热防静电涂层、防火材料外壳；所述传感器模块包括视觉与温度传感器、定位传感器和环境信息传感器；所述保险线缆模块通过增加保险线缆以及配套电机实现断电与快速召回；所述感知-传输-控制一体化模块通过优化通信协议实现环境监测与感知、信息传输和控制；所述自主导航模块通过搭载的传感器来构建栅格地图；所述智能分析系统模块采用遥控、数据库和扩展APP三层架构实现数据智能分析。
进一步地，所述视觉与温度传感器由高清可见光摄像模块、红外成像传感模块、照明灯模块和云台组成，搭载到车辆顶部加高层。
进一步地，所述定位传感器由激光雷达、陀螺仪、加速度传感器和磁力传感器组成，搭载到车辆中间层。
进一步地，所述环境信息传感器由气体检测仪模块、水位检测模块组成，搭载到车辆中间层。
进一步地，所述感知-传输-控制一体化模块采用了控制律与传输调度，估计算法与控制律分离设计，实现无冲突通信约束下的估计、控制以及传输的总代价最小化。
进一步地，所述控制律表述为
其中增益可根据LQR控制计算为
且
为远端收到信号的估计状态值。
进一步地，所述自主导航模块采用GMapping算法，解决即时定位与地图构建。
进一步地，所述智能分析系统模块的遥控层面执行感知-传输-控制功能，实时显示车载传感器状态，实时控制机器人运动。
进一步地，所述智能分析系统模块的扩展APP层包括预知性维护APP、故障诊断APP和数据导出APP，扩展APP以数据库层为基础，执行各种智能化分析算法。
进一步地，所述预知性维护APP通过采集长期历史数据来预测隧道电缆设备的健康状态，故障诊断APP通过采集历史和实时数据来提供设备健康状态的分析参数。
本发明的技术效果：
1、巡检机器人适合隧道内狭小空间执行巡检任务作业；
2、实现了集远端遥控和通讯控制一体化的解决方案，对提高巡检机器人的智能化水平、实现降本增效的目标具有重要意义；
3、为巡检人员提供切实的巡检信息与可靠的预测结果，在有效提高巡检质量的同时，进一步保障了人员和设施运行安全。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的隧道电缆智能巡检机器人结构图；
图2是本发明的一个较佳实施例的隧道电缆智能巡检机器人智能分析系统示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明展示了一种隧道电缆智能巡检机器人系统，适合隧道内狭小空间执行巡检任务作业，能够实现具远程电缆巡检、隧道巡检，预知性故障检测。具体功能模块包括：
(1)巡检机器人防爆模块；
(2)巡检机器人传感器模块；
(3)巡检机器人保险线缆模块；
(4)巡检机器人感知-传输-控制一体化模块；
(5)巡检机器人自主导航模块；
(6)巡检机器人智能分析系统模块。
巡检在巡检机器人防爆模块中，考虑到电子器件主要的点燃源为电火花、热表面，巡检机器人中控制器、驱动装置、传感器、编码器等部件均常采用本质安全技术，防止出现由于热表面、过载、短路等故障状态下的点燃能量。采用技术包括但不限于：温度触发型保险、隔热防静电涂层、防火材料外壳等。同时选用的电池也满足本安防爆。
如图1所示，在可扩展主控设计的基础上，安装用于隧道巡检、自身定位的传感器，包括但不限于：视觉与温度传感器1、定位传感器2和环境信息传感器3。视觉与温度传感器1由高清可见光摄像模块、红外成像传感模块、照明灯模块、云台组成，搭载到车辆顶部加高层，用以监测电缆本体及其附件的物理破损、变形、温度以及隧道环境中温度情况；定位传感器2由激光雷达、陀螺仪、加速度传感器和磁力传感器组成，搭载到车辆中间层，用以机器人确定自身方位并构建环境地图；环境信息传感器3由气体检测仪模块、水位检测模块组成，搭载到车辆中间层，用以监测隧道气体成分、湿度变化、水位高度情况。
为了应对突发情况，增加保险线缆以及配套电机，保证巡检机器人在隧道内无法或脱离遥控等情况下的断电与快速召回。
本发明的一种面向巡检机器人的感知-传输-控制系统，满足环境监测与感知、信息传输和控制的需求。通讯采用远程通信协议，实现巡检机器人与远端的信息交互，同时加入了指令编码程序，尽可能缩短了传输的数据量，保障通信快速可靠。针对巡检机器人整体的感知-传输-控制，本发明采用了控制律与传输调度，估计算法与控制律分离设计。对于初始状态误差有限且估计误差协方差收敛的系统,有限时域的最优控制律是标准的LQR控制器,即每个子模块的最优的控制律为
其中增益可根据LQR控制计算为
且
为远端收到信号的估计状态值。由于通信随机丢包的存在,导致估计误差协方差阵中包含随机变量，因而用期望误差进行代替，进而将无冲突通信约束下的估计、控制以及传输的总代价最小化问题，如下述公式：
C4:aw,m(k)∈{0,1}
C5:pw,m(k)≥0
其中，C1为保证无冲突传输,在每个时隙一信道只能分配给一个簇头用于传输；C2在所有被信道上的发射功率总和不能超过其最大功率；C3在估计信息存在连续丢包的情况下，保证系统稳定的条件。如果系统不存在连续丢包，那么此条件可以移除。C4：信道分配指示变量为0-1整数；C5：终端的发射功率为正数。该优化问题可以利用动态规划技术将多时隙优化问题转化为一系列单时隙优化问题，采用子问题分解迭代求解法和半定规划的分块坐标下降法近似求解算法获取次优解。通过求上述公式所示的优化，设计选件机器人感知-传输-控制一体化，最终实现低延迟的自主控制。
自主导航模块以机器人上搭载的激光雷达等传感器为基础构建为栅格地图，即把环境划分成一系列栅格，其中每一栅格给定一个可能值，表示该栅格被占据的概率。然后利用GMapping算法，解决即时定位与地图构建问题。一方面为机器人提供了避障能力从而保障操作人员遥控安全，另一方面根据构建的地图可以不断提高行动效率。
如图2所示，本发明同时公开了一种隧道电缆智能巡检机器人智能分析系统，为使用人员提供可靠参考分析，并在远程控制稳定的前提下，确保图像传输的流畅，最终实现安全、稳定的智能巡检。该软件系统以遥控、数据库、扩展APP三层架构过程。遥控层面执行前述感知-传输-控制功能，实时显示车载传感器状态、实时控制机器人运动；数据库由内存数据库和硬盘数据库构成，按数据读写速度的不同需求分配，可至少保存6个月的数据；扩展APP层包括但不限于预知性维护APP、故障诊断APP、数据导出APP，扩展APP以数据库层数据为基础，执行各种智能化分析算法。该软件架构具有扩展性，便于扩展软件功能。其中，预知性维护APP根据采集的长期历史数据，预测隧道电缆设备的健康状态，供运行和检修人员参考；故障诊断APP根据采集的长期、实时数据，提供设备健康状态的分析参数，供运行和检修人员参考；数据导出APP可以导出数据趋势图、生成EXCEL表格，导出数据。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，包括防爆模块、传感器模块、保险线缆模块、感知-传输-控制一体化模块、自主导航模块和智能分析系统模块；其中，所述防爆模块采用温度触发型保险、隔热防静电涂层、防火材料外壳；所述传感器模块包括视觉与温度传感器、定位传感器和环境信息传感器；所述保险线缆模块通过增加保险线缆以及配套电机实现断电与快速召回；所述感知-传输-控制一体化模块通过优化通信协议实现环境监测与感知、信息传输和控制；所述自主导航模块通过搭载的传感器来构建栅格地图；所述智能分析系统模块采用遥控、数据库和扩展APP三层架构实现数据智能分析。
2.如权利要求1所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述视觉与温度传感器由高清可见光摄像模块、红外成像传感模块、照明灯模块和云台组成，搭载到车辆顶部加高层。
3.如权利要求1所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述定位传感器由激光雷达、陀螺仪、加速度传感器和磁力传感器组成，搭载到车辆中间层。
4.如权利要求1所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述环境信息传感器由气体检测仪模块、水位检测模块组成，搭载到车辆中间层。
5.如权利要求1所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述感知-传输-控制一体化模块采用了控制律与传输调度，估计算法与控制律分离设计，实现无冲突通信约束下的估计、控制以及传输的总代价最小化。
6.如权利要求5所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述控制律表述为
其中增益可根据LQR控制计算为
且
为远端收到信号的估计状态值。
7.如权利要求1所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述自主导航模块采用GMapping算法，解决即时定位与地图构建。
8.如权利要求1所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述智能分析系统模块的遥控层面执行感知-传输-控制功能，实时显示车载传感器状态，实时控制机器人运动。
9.如权利要求1所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述智能分析系统模块的扩展APP层包括预知性维护APP、故障诊断APP和数据导出APP，扩展APP以数据库层为基础，执行各种智能化分析算法。
10.如权利要求9所述的隧道电缆智能巡检机器人系统，其特征在于，所述预知性维护APP通过采集长期历史数据来预测隧道电缆设备的健康状态，故障诊断APP通过采集历史和实时数据来提供设备健康状态的分析参数。
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