CN112054437B - 一种二次电缆敷设装置 - Google Patents

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Abstract

一种二次电缆敷设装置，包括机械系统模块、感知系统模块、控制系统模块和供电系统模块；机械系统模块包括由伺服电机驱动的行走机构、具有避障功能的偏摆机构和对电缆进行电动夹持固定的电缆夹持机构；感知系统模块包括对机械系统模块头部环境进行检测的头部检测传感器组件、对机械系统模块中部环境进行检测的中部检测传感器组件以及对电缆夹持机构的拉力进行检测的拉力传感器；控制系统模块包括：根据检测数据和运行数据控制伺服电机以及偏摆驱动机构动作的PC机和控制板；供电系统模块对其他各模块供电。本发明实现二次电缆敷设，不需要工作人员进入电缆沟操作。

Description

一种二次电缆敷设装置
技术领域
本发明涉及电缆敷设技术领域，具体说的是一种二次电缆敷设装置。
背景技术
目前，常规变电站因运行年限较长，电缆沟内已堆积大量的运行或退运电缆，造成电缆沟剩余空间十分狭小。实施技改、改扩建或无人改造项目时需要敷设电缆或拆除废旧电缆时，以前完全依靠检修人员或雇用农民工等采用人工方法完成电缆在电缆沟内敷设和拆除工作。人工敷设成本较高、影响工期、易造成人员碰伤且有触电风险。因此，需要通过研发设计出一种可以拖动控制电缆或光缆在狭窄电缆沟内敷设的敷设装置，可以解决老旧变电站狭窄电缆沟内大多数情况下需要工作人员手脚并用爬入电缆沟的问题，从而实现敷设或拆除电缆无需人员进入电缆沟，能有效避免工作人员爬入电缆沟存在的触电风险及磕碰伤害的发生。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种二次电缆敷设装置。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种二次电缆敷设装置，包括机械系统模块、感知系统模块、控制系统模块和供电系统模块；
机械系统模块包括由伺服电机驱动的行走机构、具有辅助避障功能的偏摆机构和对电缆进行电动夹持固定的电缆夹持机构，偏摆机构和电缆夹持机构按行进方向依次连接，在偏摆机构和电缆夹持机构的下方设有行走机构，偏摆机构包括多节尾首铰接串联的偏摆箱和偏摆驱动机构，偏摆驱动机构设置在偏摆箱内，驱动相连接的偏摆箱以铰接点为中心实现偏摆动作；
感知系统模块包括对机械系统模块头部环境进行检测的头部检测传感器组件、对机械系统模块中部环境进行检测的中部检测传感器组件以及对电缆夹持机构的拉力进行检测的拉力传感器组件；
控制系统模块包括PC机和控制板，PC机和控制板双向通信，控制板采集头部检测传感器组件、中部检测传感器组件以及拉力传感器组件的检测数据，采集伺服电机以及偏摆驱动机构的运行数据，根据检测数据和运行数据，控制板控制伺服电机以及偏摆驱动机构动作；
供电系统模块对头部检测传感器组件、中部检测传感器组件、拉力传感器组件、伺服电机以及偏摆驱动机构供电。
控制板由主控制板和多个从控制板组成，主控制板和多个从控制板采用分布式控制，多个从控制板由用于控制行走机构的行走模块控制板、用于控制偏摆机构的偏摆模块控制板和用于控制电缆夹持机构的电缆夹持模块控制板组成。
头部检测传感器组件包括超声波传感器和视觉传感器。
中部检测传感器组件包括设置在偏摆机构两侧的超声波传感器。
头部检测传感器组件和中部检测传感器组件均包括惯性测量单元。
行走机构包括固定设置的伺服电机、锥齿轮传动副、主动轮和从动轮，两个主动轮分别设置在机械系统模块的头部两侧，每个主动轮均由一组伺服电机和锥齿轮传动副驱动，多个从动轮按行进方向排布在机械系统模块下方。
偏摆驱动机构包括伺服电机、传动轴和锥齿轮传动副，固定设置在偏摆箱内，伺服电机通过锥齿轮传动副驱动传动轴转动，传动轴竖直固定安装在待偏摆的偏摆箱内，通过法兰盘带动偏摆箱偏摆。
传动轴固定的位置与铰接点的中心线位置一致。
电缆夹持机构包括伺服电机、丝杠螺母组件、双面齿条、圆柱直齿轮、传动轴和电缆夹紧杆，伺服电机通过联轴器与丝杠螺母组件的丝杠连接，丝杠螺母组件的螺母下端与双面齿条的端部固定，在双面面齿条的两侧分别设置一根可转动的传动轴，在传动轴上安装有圆柱直齿轮和电缆夹紧杆，传动轴上的圆柱直齿轮与对应侧的双面齿条的一面齿条相啮合，两根传动轴的电缆夹紧杆对称设置，随传动轴的转动，使两根电缆夹紧杆夹紧或松开。
头部检测传感器组件、中部检测传感器组件和拉力传感器组件通过无线传输数据。
头部检测传感器组件避障方法为：
步骤1、将三个超声波传感器并列设置二次电缆敷设装置的头部，单个超声波传感器的固定波束角为α，每个超声波传感器的下方对应安装一个舵机，舵机扫描扩展区域角度为β，中间的超声波传感器探测方向对应正前方，两侧的超声波传感器的探测方向与中间的超声波传感器探测方向夹角为γ，舵机摆动模型曲线为周期性正弦曲线，正弦波动范围都为-α/2-β～α/2+β，两侧的超声波传感器的摆动曲线完全重合、相位相同，中间的超声波传感器的摆动曲线与两侧的超声波传感器的摆动曲线相同，相位相反，根据三个超声波传感器的扫描角度规律，得到三个超声波传感器的所有测距点个数；
上述三个超声波传感器的扫描角度规律遵循以下三个方程：
Figure BDA0002667675560000031
Figure BDA0002667675560000032
Figure BDA0002667675560000033
其中T为扫描周期，t为扫描信号发送与接收周期；
步骤2、在一个T扫描周期内进行扫描，获取所有的测距点信息，对测距点信息进行模糊计算并进行距离解算，判定所有测距点是否小于设定阈值，如小于设定阈值的测距点超过一半，发出障碍物警告并进行避障，反之，进行下一次扫描周期重复判定；
上述测距点信息进行模糊计算并进行距离解算的方法是：两侧的超声波传感器的置信度无关联，两侧的超声波传感器与中间的超声波传感器置信度分别相关，根据置信度的模糊化分类将置信度分为两组；对两组置信度规则采用高斯型隶属度函数进行描述，采用Mamdani模糊推理方法进行模糊推理得到模糊向量，最终采用面积重心法对计算得到的模糊向量进行反模糊化计算。
本发明有益效果是：采用模块化方式设计，主要包括机械系统模块、控制系统模块、感知系统模块和供电系统模块，机械系统模块包括行走机构、偏摆机构和电缆夹持机构，并采用伺服电机驱动；行走机构能控制整个机械系统模块的前进与转弯；偏摆机构实现辅助避障功能；电缆实行夹持固定，在尾部设计电缆夹持机构，安装拉力传感器组件，设置拖动力阈值，一旦超过阈值，装置即停止前进并报警，以避免光缆等在拉力过大时出现拉断、损坏等现象；电缆夹持力足够，拖动力不小于5kg。控制系统模块包括PC机和控制板；根据作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制装置的执行机构，使其完成规定的运动和功能。感知系统由内、外传感器组成，其作用是获取装置内、外部环境信息，并将这些信息反馈给控制系统；设置超声传感器用于检测装置周围环境，以减少装置与外界的撞击；在头部安装摄像头以辅助完成避障功能，通过照明灯和摄像头，操作人员可通过PC机观察电缆沟内复杂工况及敷设情况。
附图说明
图1为本发明的总框图；
图2为本发明的装置整体结构图；
图3为本发明的装置俯视结构图；
图4为本发明的控制系统模块结构框图；
图5为本发明的头部主视图；
图6为本发明的头部侧视图；
图7为本发明的头部俯视图；
图8为本发明的行走机构的结构示意图；
图9为本发明的行走机构的硬件架构框图；
图10为本发明的行走机构硬件原理框图；
图11为本发明的行走避障控制流程图；
图12为本发明的偏摆机构示意图；
图13为本发明的偏摆机构的内连接法兰示意图；
图14为图13的剖视示意图；
图15为本发明的偏摆避障控制流程图；
图16为本发明的电缆夹持机构主视图；
图17为本发明的电缆夹持机构俯视图；
图18为本发明的电缆夹持机构硬件原理框图；
图19为本发明的电缆夹持机构控制流程图；
图20为本发明的头部超声传感器安装位置示意图；
图21为图20的头部超声传感器的舵机摆动模型曲线图；
图22为本发明的头部超声传感器的扇形扫描区域图；
图23为本发明的头部超声传感器模糊推理计算测距信息步骤图；
图24为图20的避障流程图；
图25为本发明的控制系统模块的结构图。
图26为本发明的不同取值参数a对蜿蜒运动曲线的影响图；
图27为本发明的不同取值参数b对蜿蜒运动曲线的影响图；
图28为本发明的不同取值参数c对蜿蜒运动曲线的影响图；
图29为本发明离散化后蛇形曲线示意图。
具体实施方式
一种二次电缆敷设装置总体设计：采用模块化方式设计，主要包括机械系统模块、控制系统模块、感知系统模块和供电系统模块。
机械系统模块包括由伺服电机驱动的行走机构、具有避障功能的偏摆机构和对电缆进行电动夹持固定的电缆夹持机构，偏摆机构和电缆夹持机构按行进方向依次连接，在偏摆机构和电缆夹持机的下方设有行走机构，偏摆机构包括多节尾首铰接串联的偏摆箱和偏摆驱动机构，偏摆驱动机构设置在偏摆箱内，驱动相连接的偏摆箱以铰接点为中心实现偏摆动作；
感知系统模块包括对机械系统模块头部环境进行检测的头部检测传感器组件、对机械系统模块中部环境进行检测的中部检测传感器组件以及对电缆夹持机构的拉力进行检测的拉力传感器组件；
控制系统模块包括PC机和控制板，PC机和控制板双向通信，控制板采集头部检测传感器组件、中部检测传感器组件以及拉力传感器组件的检测数据，采集伺服电机以及偏摆驱动机构的运行数据，根据检测数据和运行数据，控制板控制伺服电机以及偏摆驱动机构动作；
供电系统模块对头部检测传感器组件、中部检测传感器组件、拉力传感器组件、伺服电机以及偏摆驱动机构供电。
如图1所示。其中机械系统模块包括行走机构、偏摆机构和电缆夹持机构等，并采用伺服电机驱动；机械系统模块能够容纳电机、电线、驱动器、传感器、控制芯片等装置；行走机构采用轮式差动驱动方式，通过改变2个行走电机的相对转速调整装置的行走方向；偏摆机构由偏摆电机和锥齿轮传动系统组成，实现辅助避障功能；电缆实行夹持固定，在尾部设计电缆夹持机构，安装力传感器和过载报警装置，设置拖动力阈值，一旦超过阈值，装置即停止前进并报警，以避免光缆等在拉力过大时出现拉断、损坏等现象；电缆夹持力足够，拖动力不小于5kg。控制系统模块包括PC机和控制板；以某型号无线模块为核心数据传输模块，完成主控制板和PC机之间的数据传输；通过I2C或CAN通信完成主控制板和从控制板间的数据传输；控制系统模块设计包括人机交互系统设计、控制器和控制算法设计等，能根据作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制装置的执行机构，使其完成规定的运动和功能。头部检测传感器组件由内、外传感器组成，其作用是获取装置内、外部环境信息，并将这些信息反馈给控制系统；设置超声传感器用于检测装置周围环境，以减少装置与外界的撞击；在头部安装视频传感器以辅助完成避障功能，通过照明灯和摄像头，操作人员可通过PC机观察电缆沟内复杂工况及敷设情况。使用锂电池作为该设备的电源，给驱动器、控制系统、传感器等供电；锂电池放置在装置本体内，容量能满足系统连续正常工作一个小时以上。
(1)整体结构设计
整体结构如图2、图3所示，主要包括头部3(内含行走驱动机构)、偏摆机构5、尾部6(内含电缆夹持机构)以及头部和中部检测传感器组件等组成。机械系统模块的装置本体(箱体)为标准件方钢加工，能减少加工成本，多节方形箱体通过关节4铰接；在头部安装两个主动轮7，通过伺服电机、锥齿轮副传递运动和动力，通过控制两个主动轮的相对转速改变头部的前进和偏摆方向，在头部安装有视觉传感器1和超声传感器2，用来对外部环境(前方和两侧)进行监测；在箱体底部对称安装16副从动轮8，能大大减少行走时的摩擦阻力，从而减少驱动电机的功率和输出扭矩，节省成本。偏摆机构5中部有大量空余位置，安装偏摆电机、电池、驱动器等硬件；在偏摆机构的中间箱体两侧各安装一个超声传感器，以对两侧的外部环境进行监测；偏摆机构的偏转能实现辅助避障功能。尾部箱体6内安装电缆夹持机构和拉力传感器组件，以有效安全夹持电缆移动。每两个箱体间通过上下两个关节4相连。装置总长约1.2m。
视觉系统由发射端部分(视觉传感器1)和接收端部分构成，发射端和接收端通过5.8GHz的无线Wi-Fi方式进行数据交换。发射端部分由自带照明系统的摄像头、5.8GHz的发射模块、电压转换模块、散热模块等构成。电压转换模块将装置总体系统中供电系统模块输出的24V直流电转换为12V的直流电，为发射模块、散热模块和摄像头供电。其中散热模块风扇的输入电压为5V，而本系统选型的发射模块恰能够输出5V的直流电，因此不需要12V转5V直流电模块。摄像头照明系统能够保障机器人在黑暗环境中仍能够捕获到视场信息。摄像头系统将捕捉到的视频信号通过信号线连接传递给发射模块，由发射模块将现场图像实时发送给接收端部分。接收端部分由可充电锂电池电源、接收模块和显示器组成。锂电池输出12V的直流电为接收模块和显示器的正常工作提供电能，选型的大容量锂电池可多次充放电，待机时间可持续3-4小时。接收模块根据发射端的发射通道频点进行设置，使得接收端的工作频段与发射端相匹配，接收模块将接收到的模拟视频信号输出到显示器进行实时显示。
装置控制系统模块总体方案设计：本装置机械系统采用模块化设计，从功能上分包括3个模块：行走机构、偏摆机构和电缆夹持机构，其运动控制系统主要包括PC机、主控制板以及各个执行从控制板；为了减少模块控制负载，采用分布式控制方式，将系统分为决策级、控制级和执行级，依次控制。每个模块均具有独立的控制单元，可接收、发送、处理数据以及控制各执行机构的运动。采用CAN(Controller Area Network)总线串口通信，如图4所示，对应3个模块从控制板，总线上共有3个节点，给每个节点定义不同的ID地址，以保证各下位机(从控制板)与主控板之间的点对点通信。PC机作为决策级主要负责检测和决策，通过无线Wifi感知器(如超声传感器、拉力传感器、视频传感器)对路面情况和电缆夹持力进行检测，并实时接收控制板反馈的小车姿态函数信息，依据障碍物分布情况和夹持状态进行路径规划和夹持控制，以选择合理的动作和行走步态；同时，采用无线串口通讯的方式向主控制板发送指令。作为控制级的主控制板置于小车内，起承上启下作用：主控制板解析PC机的控制目标指令函数，进一步进行运动参数复杂运算，根据多部位协同运动的最终求解结果，发送指令到CAN总线，各个从控制板识别与其节点地址相对应的指令，执行自身内部程序，计算得到控制参数，即将指令信息转化为各电机的位移、速度、加速度输出，控制各个伺服电机的运动。同时利用各伺服电机上的编码器和电缆夹持机构的拉力传感器组件检测状态数据并由从控制板通过CAN反馈给主控制板，进而实现电缆敷设装置的伺服运动控制。
(2)行走机构
图5、图6、图7、图8为行走机构，采用2台驱动电机10驱动，驱动电机10为伺服电机，驱动电机10通过电机固定板12固定在方型箱体9内部。驱动电机10自带减速器和编码器，额定输出扭矩6Nm，额定转速约为47rpm，工作电压24V。驱动电机10平行对称安装在方型箱体9下部，通过2组锥齿轮传动副11和主动轮传动轴分别带动两个主动轮7转动。锥齿轮传动副与电机轴和主动轮传动轴过盈配合，并通过键连接固定以传递运动和动力。锥齿轮传动副11主要结构参数：模数m＝2mm，齿数z＝17，压力角α＝20°，传动比为1(偏摆机构的锥齿轮传动副19参数与此相同)。主动轮7直径100mm，装置额定行走速度约15m/min。在偏摆机构箱体和电缆夹持机构箱体下方位置对称安装8对从动轮8，以增加机构的稳定性，减少摩擦和拖动力。控制2个驱动电机10的相对转动速度和转动方向可以实现主动轮的前进、转弯动作，并且通过关节4(如图2所示)带动后面临近的箱体前进和转弯。从动轮安装在箱体的下部，离地面的高度与主动轮相同，且横向间距尽可能的大，以增加系统的稳定性。
行走机构硬件架构框图：硬件各部分的关系可用图9表示。装置的运动由两个无刷直流伺服电机和编码器控制，两个驱动电机10(电机A和电机B)使用一个电机驱动器。电机驱动器与一个嵌入式控制板(行走模块控制板)连接，行走模块控制板通过向电机驱动器发送指令来控制驱动电机的运动。驱动电机的编码器也与行走模块控制板相连接，主要用来计算电机的转数，这个数据将用于计算装置的运动里程。同样，与行走模块控制板连接的超声传感器能够发现障碍物，并测量装置与障碍物之间的距离；蜂鸣器在小车遇到障碍无法转弯和前行时发出报警声，以提醒工作人员手动处理。惯性测量单元用来提高里程计算的精度。采用PC机作为主控制器，嵌入式控制板与PC相连，所有高级运算都在PC中进行。PC连接了视觉传感器，同时也连接了WiFi模块用以远程操控。
各硬件功能说明：
驱动电机(电机和编码器)：该装置属于差动驱动式双轮小车，使用两个行走驱动电机驱动它运动，每个电机都自带一个可以获取电机转动信息的编码器，主要用来检测车轮旋转的圈数。如果知道了车轮在一定时间内转过的圈数以及车轮的直径，就可以计算出装置的位移、速度、加速度以及车轮的朝向。编码器以矩形脉冲的形式返回电机的转动信息，通过对脉冲进行解码可以得到编码器的计数值，最终在运动控制中用作反馈量。为了实现差动，要把其中一个电机极性接反。
电机驱动器：又称电机控制器，是一种可以控制电机转速的电子电路，用于驱动两个电机和两个车轮组成的差速传动系统。控制电机是指控制电机上加载的电压、电机的转速和转向。如果改变电机端子的极性，就可以使电机按顺时针或逆时针方向旋转。通过改变车轮的转速和转向，可以使装置在二维平面上任意移动。一个驱动器包含两个集成电路，可分别驱动两个电机。
嵌入式控制板：控制板通常是指拥有I/O接口的电路板，它能够以数字脉冲的形式给电机驱动器发送控制信号，也可以接收超声等传感器的输出信号。可以将电机编码器连接到控制板上，进而实现电机的反馈控制。控制板的主要设计功能为：(1)连接电机驱动器和编码器；(2)连接超声传感器；(3)向PC机发送或从PC机接收传感器的数据。
超声传感器：超声传感器主要用于测量装置与障碍物之间的距离。超声传感器发出高频声波并接收经物体反射回的声波，通过计算声波发射和返回的时间间隔来确定与目标物体之间的距离。超声测距传感器发出一段人耳无法听见的超声波，并等待声波回传。如果在一定时间内没有接到超声波的回声，则认为在传感器的有效检测距离内没有障碍物。如果接收到了回声，传感器则生成一个脉冲信号。利用脉冲信号可以计算出声波由传感器到达障碍物又返回到传感器的时间，进而计算得到障碍物的距离。超声传感器最常见的应用是实现避障功能，该传感器放置在装置头部和侧面。
惯性测量单元：使用惯性测量单元以计算移动距离并估计装置的姿态。只用编码器检测得到的位移由于误差较大，并不能有效的进行导航。为了在装置运动时补偿误差，需要给装置加上惯性测量单元。惯性测量单元(IMU)与编码器协同使用，可以获得较好的姿态估计效果。
中央处理单元：装置主要由运行在PC上的导航算法控制，可以选择笔记本电脑进行核心运算。
电源/电池：电池是硬件设备中重要的组成部分之一。在设计标准中，装置的续航时间应超过一个小时。电源电池的电压需要对各部分硬件都适用，电池的体积和重量都需要比较小，所有电路所需要的最大供电电流总和不能超过电池的最大输出电流。电池选用锂聚合物电池。
电平转换器：电机驱动器通过外设引脚接入控制板，控制板发送控制电机转速和转向的指令信号。控制板与电机驱动器使用的工作电压不同，因此它们之间需要连接一个电平转换器，可以将电压转换为需要的电压，保证它们各自的供电电路可以安全的工作。每个电机上都有一个转动反馈传感器—编码器，它可以用来估计装置的位置。编码电路也通过电平转换器与开发板连接。
图10为行走机构硬件部分的联系。所有传感器返回的数据都由行走模块控制板接收，并通过WiFi传送给PC机。行走模块控制板上运行的固化程序可以完成相关的功能。PC机连接行走模块控制板，并运行操作系统程序，将生成的速度指令下发给行走模块控制板，行走模块控制板经过处理后，将相应的PWM信号发送给驱动电机的驱动电路，通过调节PWM信号，能够控制电机转速。当PWM信号的占空比较大时，电机驱动器开通时间较长，电机转动较快；当PWM信号的占空比较小时，电机驱动器开通时间较短，电机转动较慢。硬件连接好后，需要设计驱动代码，图11所示为驱动行走机构的程序流程图。程序开始后首先对驱动电机、超声波传感器、视觉传感器、行走模块控制板等进行初始化设置，以实现初始化变量、设置引脚模式、启动相关函数库等功能。根据障碍物的情况可调整装置头部的运动方向，以实现避障功能。前方的障碍物由前部超声传感器监测；两侧的障碍物由侧部传感器监测。在程序中设置障碍物距离阈值，在阈值以外的范围内，车头不动作；在阈值以内就要改变头部的前进方向，防止装置跟障碍物发生碰撞。当前面、两侧的障碍物距离都在阈值以内时，判断装置不能绕过障碍物前进，此时结束小车的前进，蜂鸣器报警。
(3)偏摆机构设计：
图12所示为偏摆机构，对称布置，右端双点画线为结构左右对称线。如图12所示，传动轴14安装在前箱体13和摆动箱体17内，石墨黄铜套15起定位和润滑作用，能够减少摩擦扭矩和磨损；前箱体13前部掏空，摆动箱体17一端装在前箱体13内。2套偏摆电机21为直流伺服电机，自带减速器和编码器，额定输出扭矩3Nm，额定转速约为38rpm，工作电压为24V。在偏摆电机21的作用下，通过锥齿轮传动副19(参数与行走机构的锥齿轮传动副相同)、传动轴14、内连接法兰16(结构如图13、图14所示)带动摆动箱体17绕传动轴14轴线左右摆动，偏摆电机21通过电机固定板20固定在前箱体13内。内连接法兰16和锥齿轮传动副19通过键与传动轴14和电机轴固定，并且实现过盈配合。偏摆运动由对称布置的2个偏摆电机协调完成。在中间箱体18两侧各安装一套超声传感器，用于监测箱体侧面的障碍物，以实现箱体的辅助避障功能。中间箱体18为标准方形钢制作，为保证箱体偏摆时与其他临近箱体碰撞，箱体两端易碰撞处做切割处理。箱体连接板焊接在箱体中部，另一端通过孔和螺栓与临近的箱体连接。箱体内部空余部分可放置其它硬件。
偏摆运动由两个无刷直流伺服电机和编码器控制，两个电机使用一个电机驱动器，除了不含摄像头(视觉传感器)外，硬件框架及关系与图9、图10相同，控制板为偏摆模块控制板。
图15所示为偏摆机构的程序流程图。程序开始后首先对偏摆电机、传感器、偏摆模块控制板等进行初始化设置，根据障碍物的情况可调整中间箱体的偏摆方向，以实现辅助避障功能。两侧的障碍物由侧部传感器监测。在程序中设置障碍物距离阈值，在阈值以外的范围内，不进行偏摆动作；在阈值以内就要改变箱体的位置，防止装置跟障碍物发生碰撞。当两侧的障碍物距离都在阈值以内时，判断装置不能绕过障碍物前进，此时结束小车的前进并报警。
(4)电缆夹持机构
图16、图17为电缆夹持机构示意图，如图16、图17所示，该机构安装在方形尾部箱体22内，丝杠驱动电机24为直流伺服电机，自带减速器和编码器，额定输出扭矩1Nm，额定转速约为40rpm，工作电压24V。丝杠驱动电机24通过电机固定板23安装在尾部箱体22内上部，电机轴通过扭矩传感器或联轴器25与丝杠螺母副26的端部连接，丝杠驱动电机24转动时通过丝杠带动螺母前后移动，丝杠的前端通过固定在尾部箱体22内上部的角接触球轴承及轴承座27固定，螺母的下端与双面齿条30圆柱形端部固定，螺母的移动带动双面齿条30前进和回缩，通过对称布置的2个圆柱直齿轮31(用键固定在传动轴28上)带动传动轴28转动，从而带动2个电缆夹持杆29(用键固定在传动轴28上)夹紧和松开。传动轴28两端用石墨黄铜套32支撑，可减少摩擦和磨损，增加轴的寿命。尾部箱体22与上一节箱体用关节4连接(如图2所示)。电缆夹紧杆29的设计便于夹紧不同直径电缆。
电缆夹持模块硬件及其关系如图18所示，硬件包括丝杠驱动电机、电机编码器、电机驱动器、拉力(或扭矩)传感器、电缆夹持模块控制板等。拉力传感器监测拉动电缆的拉力，在电缆拉力超过设定阈值时，蜂鸣器报警，丝杠驱动电机24反转，松开电缆，同时切断行走电机电源，整个装置停止前进。否则，夹紧电缆不松开。电缆夹持机构程序控制流程图如图19所示。
对硬件进行集成并使用Python与ROS对接：装置的机械部件制作出来后，需要将这些部件按装配图组装起来；并将各模块的电机驱动器、连接电机的驱动接口、超声传感器、电平转换器以及IMU等分散的电子部件与为装置设计的PCB板连接起来，PCB由24V锂电池供电。需要强调的是：对行走驱动系统，为了实现差动，要把其中一个电机极性接反。完成各部分的装配后，需要使用Python语言编写软件和在PC中安装Ubuntu操作系统以及机器人操作系统(Robot Operating System，ROS)开发包。控制板的嵌入式代码主要引入通信的库和处理传给控制板的串行数据的库，并分配和设置电机驱动、编码器、超声传感器、重启和电池的连接引脚；代码的主函数的主要功能是读取和处理串行数据以及发送可用的传感器数据。各控制板上安装了新的嵌入式代码后，能够连接所有传感器并可通过串口将传感器信息发送至PC并接收由PC中传送过来的控制信息(如重启命令、速度等)。接收到由PC机发过来的传感器数据之后，ROS Python节点就会开始接收信息流并将其转化为ROS话题。另外，在PC上还运行着可以获取传感器数据和里程计信息的Python节点。来自于车轮编码器的数据和IMU数据融合后就可以获取装置里程计信息，超声传感器也使用同样的方式取得障碍物信息。驱动电机转速的控制是通过PID节点实现的，该节点将线性速度命令转化为车轮差速。上述节点运行之后，就可以启动相关节点进行定位和导航。
装置组装、调试好后，就可以进行电缆敷设了。电缆敷设前，先利用电缆夹持机构夹紧电缆，然后通过PC打开行走驱动电机、偏摆电机等硬件的电源，采用自动模式时，在控制程序的驱动下，行走驱动机构就可以自动带动整个装置前进了，并实现避障功能。在装置拖动电缆前进的过程中，操作人员可以通过PC机观察电缆沟内情况，发现问题及时停机处理。如果因为障碍物导致装置无法自动前进，或者电缆拉力超过设定阈值，报警器及时报警，装置停止前进。操作人员也可以在手动模式下通过PC机里的操作系统手动对装置的运动进行远行操控。
(5)头部避障方案
头部的超声波传感器采用HC-SR04超声测距模块，HC-SR04超声测距模块是一款可提供3-400cm测距范围的非接触式测距模块，精度高达1cm。该模块由超声波发射器、接收器及相关控制电路组成，兼容arduino等系统。
超声测距模块安装在电缆敷设装置头部位置，在本体头部采用三组超声测距模块并列放置，中间的测距模块探测方向为本体头部正前方，两侧超声测距模块探测角度与中间超声测距模块夹角为γ。超声测距模块波束角为α(10°<α<15°)，两侧的超声测距模块的相对安装角为γ。由于波束角过小，对与本体大小相仿的障碍物的可探测距离过长，并存在一定盲区，而超声测距模块舵机可调角度较小，因此采用三组超声测距模块组成避障组合，可大大提高探测的有效距离和探测区域，如图20所示。
在图20中，单个超声测距模块的扫描区域角度为α+2β，由于α为超声测距模块自身固定波束角，为了在有限空间内增加测距范围，减少模块应用数量，在三组测距模块下方分别装上舵机，由舵机驱动测距模块作周期性扫描运动，扩展可扫描范围，其中β角度为舵机扫描扩展区域角度，其值的确定由三个超声测距模块的相对安装角γ和O1Q1、O2Q1、O2Q2、O3Q2决定，中间模块O2与两侧超声测距模块扫描范围相交点分别为Q1、Q2。盲区的距离O1Q1、O2Q1应满足如下关系：
Figure BDA0002667675560000131
Figure BDA0002667675560000132
其中：
Figure BDA0002667675560000133
Figure BDA0002667675560000134
l：模块之间的安装水平距离；
为了防止发射信号受回响信号影响，信号发射周期在60ms以上，因此如图21所示，模块O1、O2、O3的舵机摆动模型曲线为周期性正弦曲线，正弦波动范围都为-α/2-β～α/2+β(摆动角度以顺时针为正)，其中舵机O1、O3的摆动曲线完全重合，舵机O2的摆动曲线与舵机O1、O3的摆动曲线周期相同、相位相反，目的是重点增强舵机O2的波束角边缘区域的测量精度。三个超声测距模块的扫描角度规律遵循以下三个方程：
Figure BDA0002667675560000135
Figure BDA0002667675560000136
Figure BDA0002667675560000137
其中T为扫描周期，HC-SR04超声测距模块的测距周期在60ms以上为宜，这里设置T为1s，每t＝100ms进行一次发送与接收，那么在如图22中的扇形扫描区域共有9个测距点，其中在波束角范围外的β扫描角范围内有2～3个测距点，三个测距模块总的扫描区域2γ范围内共有18～27个测距点。
对这18～27个测距点进行测距计算，中间测距模块2的扫描区域与两侧的测距模块扫描区域会有所重合，由于模块O1、O2、O3扫描区域具有重叠部分，扫描外扩区域大小影响重叠部分的大小，进而影响测距模块最终输出，根据超声测距原理的描述，可知在波束角两旁，会有一定角度的旁瓣波形影响测距精度，因此对三个模块的扫描范围进行置信度设置，对于三个超声测距模块，在波束角α范围内的置信度设置为1，超出波束角范围的置信度根据扫描区域的叠加范围进行相应衰减，叠加范围越大，衰减程度越高，此时，交叉部分的模块测距信息置信度转换为两者权值进行加权求解。
表1三个模块的扫描范围置信度
Figure BDA0002667675560000141
对于表1中，在一个扫描周期内，置信度为1的扫描点测距信息由自身测距模块进行计算输出，当置信度小于1时(进入重叠区域)，则需要进行信息重新组合，采用模糊推理方式对置信度进行模糊化处理，并通过模糊推理算法进行解模糊，最终输出测距信息。具体步骤如图23所示。
由于模块1和模块3只与模块2相关，模块1和模块3之间无关联，因此对置信度的模糊化分类可以将两个模块的置信度分为两组，如下表2所示。
表2三个模块的置信度模糊化分类
Figure BDA0002667675560000151
三者的隶属度函数分别采用高斯型隶属度函数进行描述，采用Mamdani模糊推理方法进行模糊推理，最终采用面积重心法对计算得到的模糊向量进行反模糊化。
综上，得到基于超声避障模块组合的避障方案，其避障流程图24所示。
系统控制结构如图25所示，主控制器采用两个串口、一个IO口、一个CAN总线与外围器件进行通信，其中拉力传感器、433MHz通信模块与主控制器采用串口通信，拉力传感器用于实时监测本体尾部的拉力负载，通过串口将拉力信息以数字形式送入主控制器中，并在主控制器中进行判断，如拉力大于阈值，则立即停止运动，并通过无线通信模块上报远程控制端。超声测距模块通过IO口与主控制器的IO口进行连接，通过设置高低电平对测距模块进行测距分析，并进入避障模式，避障流程详见图24。使用CAN总线通信方式对三组电机组进行实时控制，电机驱动器通过CAN总线与主控制器进行连接。控制方案采用多组电源对系统进行供电，其中无线通信模块、超声测距模块以及主控制器采用5V电源，拉力传感器采用12VDC电源，电机驱动器输入24VDC。
(6)运动控制算法部分
6.1蛇形运动曲线建模
本体运动方式按照Serpenoid曲线形式进行拟合。Serpenoid曲线类似于正弦函数曲线，能够近似逼近生物蛇的蜿蜒运动。其运动方程为：
Figure BDA0002667675560000152
该式中，
Kn为曲线在传播过程中“S”波形的个数；
α0为曲线初始弯角；
L为蛇形机器人身长；
S为蛇形机器人沿Serpenoid曲线向上的位移。
装置沿蜿蜒曲线前进S距离时头部相对于蜿蜒前进方向的偏转角方程为：
θ(s)＝∫-absin(bs)+cds＝acos(bs)+cs
其中a＝α0，
Figure BDA0002667675560000161
c为Serpenoid曲线初始曲率。
沿蜿蜒曲线位移S处的笛卡尔坐标方程：
Figure BDA0002667675560000162
不同参数a和不同参数b对蜿蜒曲线运动的影响如图26、27、28所示，在本方案控制系统中，对蜿蜒运动的控制可以通过调整a、b、c三个参数来控制曲线形状和前进方向。
6.2Serpenoid曲线离散化
假设装置伸直状态下长度L，共n个模块，n-1个关节，其对应关节处的坐标为(Xi，Yi)(i＝1,2，…n-1)，其离散化曲线模型为：
Figure BDA0002667675560000163
第i关节与x轴夹角为：
Figure BDA0002667675560000164
得到：
Figure BDA0002667675560000165
各关节的转角为：
Figure BDA0002667675560000166
图29为离散化后Serpenoid曲线示意图。
6.3Serpentine运动控制方程
假设本体所有关节均以ω的角速度进行转动，可以得到Serpenoid曲线的运动控制方程为：
Figure BDA0002667675560000171
其中
Figure BDA0002667675560000172
为第i模块与第i+1模块的夹角，即关节i的角度。α表示关节转动角的振幅，β为相邻两关节转动角的相位差，γ为关节角的偏转中心轴，与蛇形运动方向有关。

Claims (9)

1.一种二次电缆敷设装置，其特征在于：包括机械系统模块、感知系统模块、控制系统模块和供电系统模块；
机械系统模块包括由伺服电机驱动的行走机构、具有辅助避障功能的偏摆机构和对电缆进行电动夹持固定的电缆夹持机构，偏摆机构和电缆夹持机构按行进方向依次连接，在偏摆机构和电缆夹持机构的下方设有行走机构，偏摆机构包括多节尾首铰接串联的偏摆箱和偏摆驱动机构，偏摆驱动机构设置在偏摆箱内，偏摆驱动机构包括伺服电机、传动轴和锥齿轮传动副，伺服电机通过锥齿轮传动副驱动传动轴转动，传动轴竖直固定安装在待偏摆的偏摆箱内，通过法兰盘传动轴带动偏摆箱摆动，驱动相连接的偏摆箱以铰接点为中心实现偏摆动作；
感知系统模块包括对机械系统模块头部环境进行检测的头部检测传感器组件、对机械系统模块中部环境进行检测的中部检测传感器组件，以及对电缆夹持机构的拉力进行检测的拉力传感器组件；
控制系统模块包括PC机和控制板，PC机和控制板双向通信，控制板采集头部检测传感器组件、中部检测传感器组件以及拉力传感器组件的检测数据，采集伺服电机以及偏摆驱动机构的运行数据，根据检测数据和运行数据，控制板控制伺服电机以及偏摆驱动机构动作；
供电系统模块对头部检测传感器组件、中部检测传感器组件、拉力传感器组件、伺服电机以及偏摆驱动机构供电。
2.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：控制板由主控制板和多个从控制板组成，主控制板和多个从控制板采用分布式控制，多个从控制板由用于控制行走机构的行走模块控制板、用于控制偏摆机构的偏摆模块控制板和用于控制电缆夹持机构的电缆夹持模块控制板组成。
3.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：头部检测传感器组件包括超声波传感器和视觉传感器。
4.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：中部检测传感器组件包括设置在偏摆机构两侧的超声波传感器。
5.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：头部检测传感器组件和中部检测传感器组件均包括惯性测量单元。
6.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：行走机构包括固定设置的伺服电机、锥齿轮传动副、主动轮和从动轮，两个主动轮分别设置在机械系统模块的头部两侧，每个主动轮均由一组伺服电机和锥齿轮传动副驱动，多个从动轮按行进方向排布在机械系统模块下方。
7.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：传动轴固定的位置与铰接点的中心线位置一致。
8.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：电缆夹持机构包括伺服电机、丝杠螺母组件、双面齿条、圆柱直齿轮、传动轴和电缆夹紧杆，伺服电机通过联轴器与丝杠螺母组件的丝杠连接，丝杠螺母组件的螺母下端与双面齿条的端部固定，在双面齿条的两侧分别设置一根可转动的传动轴，在传动轴上安装有圆柱直齿轮和电缆夹紧杆，传动轴上的圆柱直齿轮与对应侧的双面齿条的一面齿条相啮合，两根传动轴的电缆夹紧杆对称设置，随传动轴的转动，使两根电缆夹紧杆夹紧或松开。
9.如权利要求1所述的一种二次电缆敷设装置，其特征在于：头部检测传感器组件避障方法为：
步骤1、将三个超声波传感器并列安装在二次电缆敷设装置的头部，单个超声波传感器的固定波束角为α，每个超声波传感器的下方对应安装一个舵机，舵机扫描扩展区域角度为β，中间的超声波传感器探测方向对应正前方，两侧的超声波传感器的探测方向与中间的超声波传感器探测方向夹角为γ，舵机摆动模型曲线为周期性正弦曲线，正弦波动范围都为-α/2-β～α/2+β，两侧的超声波传感器的摆动曲线完全重合、相位相同，中间的超声波传感器的摆动曲线与两侧的超声波传感器的摆动曲线相同，相位相反，根据三个超声波传感器的扫描角度规律，得到三个超声波传感器的所有测距点个数；
上述三个超声波传感器的扫描角度规律遵循以下三个方程：
Figure FDA0003106223490000021
Figure FDA0003106223490000022
Figure FDA0003106223490000023
其中T为扫描周期，t为扫描信号发送与接收周期；
步骤2、在一个T扫描周期内进行扫描，获取所有的测距点信息，对测距点信息进行模糊计算并进行距离解算，判定所有测距点是否小于设定阈值，如小于设定阈值的测距点超过一半，发出障碍物警告并进行避障，反之，进行下一次扫描周期重复判定；上述测距点信息进行模糊计算并进行距离解算的方法是：两侧的超声波传感器的置信度无关联，两侧的超声波传感器与中间的超声波传感器置信度分别相关，根据置信度的模糊化分类将置信度分为两组；对两组置信度规则采用高斯型隶属度函数进行描述，采用Mamdani模糊推理方法进行模糊推理得到模糊向量，最终采用面积重心法对计算得到的模糊向量进行反模糊化计算。
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