CN112234496A - 基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，包括水下机器人本体和水上控制器，所述的水下机器人本体包括机器人装置本体、对外界环境感知和执行对机器人的控制的感知执行机构、接收操作员控制器发送的命令并对执行机构进行控制的控制机构及驱动器，所述的水上控制器包括监视操作机构。解决电缆运维工作的实际困难，为电缆积水环境下的人员运维提供有效的检测手段，对于提高电力系统稳定性具有广阔的应用空间和指导意义。

Description

基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及基于能源互联网的电缆管廊水

下智能机器人。

背景技术

我国城市化进程加快，缆化率大大提升，确保其安全可靠运行日益成为国家电网公司配网管理中的工作重点。输电、配电电缆运维单位每年都要投入大量人力物力来对输、配电电缆及其管沟进行运行维护工作。但是由于电缆沟道地势低洼，常常发生积水，尤其到了雨季，积水甚至可将管道全部淹没。为了保证积水条件下的电缆安全可靠运行，防止电缆浸泡在积水中发生事故，电缆巡检人员需要经常性地对电缆沟内的电缆进行巡视检查，特别是在雨季期间需要对电缆线路进行重点巡视并对重要保电电缆进行巡检。

目前95%的电力电缆都为交联聚乙烯电缆，交联聚乙烯电缆如果长期泡在水里将会加速电缆的水树老化，并且水对电缆的铠装层及铜屏蔽层的腐烛也是相当严重，因此积水特别是污水对电缆运行影响比较重要。为解决此问题，一方面需要尽快加装排水装置，另一方面需要在发现积水时进行实地检测和巡视。但是由于环境比较复杂，很有可能在积水状态下已经发生放电，巡检人员下沟有一定的危险性，基于此本项目研究适用于电缆沟道积水环境下的智能巡检机器人，用来代替巡检人员进行不同积水深度的电缆沟道中巡检，保证在发生积水情况下第一时间能够对电缆运行状态进行检测，针对性的对电缆进行检修。

电缆沟是城市配电网络在电力传输过程中的一个重要部分，处于地面之下，用于存放各种电力电缆。它在电力传输过程中起着主导作用，如果电缆或电缆沟发生事故，其故障检测难度较大，甚至会损坏控制设备。电缆沟故障引起的火灾甚至是爆炸，同样会带来严重的后果。另外由于故障而导致的停电，则会对工业生产和人们的生活造成影响。

因此，加强对电缆沟的管理和定期检测有着非常重要的意义。

电缆沟的常见问题有：积水和淤泥问题、废旧电缆未拆除问题、电缆沟崩塌问题、电缆线损伤问题、电缆接头绝缘性问题等。电缆可能存在的问题有：短路、接地、断路，闪络性、泄漏性，保护层损坏（老化、裂纹、变细、弯折、火烧等）。这些存在的问题对电缆沟检测机器人的功能需求设计具有指导作用。

电缆沟中最主要的危险因素为电缆长期温度异常引起绝缘层老化而导致的火灾和地下环境长期密封而导致的有害气体积累。对于有害气体的检测，基本上都是采用携带气体检测仪的机器人进入电缆沟进行检测或直接将气体检测仪长期安置于电缆沟内。在对检测方法进行研究之后则需要对机器人小车的结构进行研究和分析，在移动机器人及相关领域有着大量的研究。

移动机器人隶属于机器人领域，它集多种专业技术为一体，跨越多个学科领域，实用性极强，是一种前沿科技，已在各个领域得到了广泛地应用。通常会根据行走方式，对移动机器人进行一定的分类，常见的为轮式的、履带式的和足式的，除此之外还有不常见的爬行式的、游泳式的和蠕动式等。典型的轮式移动机器人的结构，由车身、车轮、车身-车轮之间将两者结合起来的支撑机构、车轮驱动装置等构成。按照车轮的配置划分，其最常见的是三轮和四轮结构。两轮和单轮的结构也有一定研究，但由于其检测和控制上的复杂性，使其难以在应用中普及。

传统轮式的移动机器人基本都是以双轮差速的形式给移动机器人提供转向的动力，其采用的标准轮和小脚轮都称为传统轮。传统轮优点明显，其结构简单，成本低。但传轮在侧向移动时，一定会出现打滑现象。因为它具有非完整的约束，因此难以对其实精确地控制，而全方位轮则具有其无法比拟的优势。

全方位移动机构可以在不改变其姿态的情况下，向所处平面内的任何位置运动。大多数轮式移动机构在调整运动方向时都需要一定的回转半径，而全方位轮的回转半径为0（相比较于同样回转半径可以为 0 的履带式结构，全方位移动机构转向灵活，也不会出现与地面的滑动摩擦）。目前，最为常用的全方位轮为瑞典麦卡纳姆轮公司发明的麦卡纳姆轮。

在 20 世纪 90 年代，日本研发了一种全方位移动机构，该机构由两条履带组成，每条履带内平行安装有两根杆，由电机通过履带来驱动，而每条履带内各自放入 12 个橡胶球，通过杆、履带和球来共同完成全方位移动。

Campion G 在文献[48]中根据轮子的行走方向对其进行了分类，可分为传动轮以及全方向轮。瑞典轮也称麦卡纳姆轮，属于全方向轮，其轮辐为轮子的主体，在圆周安装有多个小滚子，轮辐与滚子之间形成一定的夹角，通常为45°。球轮也是一种全方向轮，其中驱动滚子、转动球体、支承滚子和支承底盘依次连接安装。电机与驱动滚子连接，带动其绕转动球体中心转动，从而使球轮绕一组驱动滚子共同的轴线转动；而支承滚子可以自由转动，从而使球轮跟随其自由转动。

目前关于水下机器人的研究较多，但主要研究方向大多都是针对海洋能源探测和陆浅水湖泊探测的水下机器人，都属于全浸入式水下行进方法，但是针对电缆沟内积水环境下的电缆沟通巡检机器人的研究还没有。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供基于一种能源互联网的

电缆管廊水下智能机器人，解决电缆运维工作的实际困难，为电缆积水环境下的人员运维提供有效的检测手段，对于提高电力系统稳定性具有广阔的应用空间和指导意义。

本发明的技术方案是：

基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，包括水下机器人本体和水上控制器，所述的水下机器人本体包括机器人装置本体、对外界环境感知和执行对机器人的控制的感知执行机构、接收操作员控制器发送的命令并对执行机构进行控制的控制机构及驱动器，所述的水上控制器包括监视操作机构。

所述的机器人装置本体包括浮游舱体、设置于浮游舱体前端部的机械手；所述感知执行机构包括感知机构和执行机构，所述的感知机构包括设置于浮游舱体上的水下传感器、摄像机组，所述的执行机构包括执行推进器组和照明系统。

所述的控制机构通过脐带电缆与水上控制器连接，包括传感控制模块、导航控制模块、电源与能量管理模块、多功能驱动模块、机械手控制模块、探测装置模块，所述的传感器控制模块与水下传感器、摄像机组连接收集采集的数据，所述的多功能驱动模块与水下传感器、执行机构同时连接实现对推行器电机的控制、照明系统的开关、浮游舱体姿态平衡和舱内环境的监测；所述的机械手控制模块与机械手连接实现对机械手的动作控制；所述的探测装置模块与摄像机组连接实现对水下环境的探测。

所述的驱动器与执行机构连接实现对执行机构的驱动，同时与控制机构的多功能驱动模块连接实现被控制。

具体的，所述水下传感器包括姿态传感器、下潜深度传感器、温湿度传感器、水底深度传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计。

具体的，所述的摄像机组包括前视摄像头、下视摄像头、侧视摄像头、上视摄像头及后视摄像头。

具体的，所述的推进器组包括前推进器、后推进器、上推进器、下推进器及侧向推进器。

具体的，所述的控制机构采用基于Ｌｉｎｕｘ系统的嵌入式ＡＲＭ开发板，其通过串行口与传感控制模块、导航控制模块、电源与能量管理模块、多功能驱动模块、机械手控制模块、探测装置模块连接进行传输指令。

具体的，所述的定位导航模块包括单片机、与单片机连接的模数转换单元，所述的模数转换单元通过通信接口与温湿度传感器、水底深度传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度计连接进行信息的读取及转换，进行计算得出转动的角度和运动的距离、当前的方向以及自身的姿态，并将数据传送给单片机，所述的单片机对数据进行解析分类发送给控制机构。

水下机器人技术的研究，截至今日发展了将近七十年的时间，在起初的几十年中，多数水下机器人也仅仅是执行一些探测任务，智能化程度并不是很高，而且从水下机器人的密封性、材料抗压性、定位导航功能等方面考虑，水下机器人的发展也面临着诸多问题，身为科技强国的美国，对于水下机器人方面的科学研究也曾经被放缓了很长一段时间。后来随着电子科学技术、计算机解算能力、以及机器视觉技术的长足进步，并且在海洋探测方面水下机器人价值的日益凸显，也逐渐使得水下机器人研究重新走进了大众的视野，上到国家政府，下到自由爱好者，都在致力于水下机器人技术的研究与应用。

在机器人定期进入电缆隧道/沟进行检测的方式中，国外的电缆隧道/沟检测机器人的工作目标的针对性较强，检测效果好，但其适用范围较小。国内的机器人根据工作环境的不同，主要用于环境良好的电缆隧道和环境恶劣的电缆沟这两种场合的检测。前者产品市面上较多，其集成度高，工作稳定性好，由于工作环境良好，此类机器人对结构的要求较低，结构简单；后者还没有成熟的产品问世，目前均处于样机研发和试制中，由于工作环境较差，对其结构要求较高，比如防水性能、越障性能、减震性能等，其通用性较好，能够在各种电缆隧道/沟中应用，尤其是针对目前经常存在积水情况的电缆沟道，一旦有积水更加需要运行人员尽快了解沟道内电缆运行情况，但是由于积水较难排走，使得巡检工作难以开展，并且对运行人员的安全具有很大的威胁，因此迫切需要研发一款能够在电缆沟内积水情况下的巡检机器人用于代替运行人员进行积水电缆沟道的巡检和隐患排查。

本发明的有益效果是：1）采用多驱动方式的机器人制动模式，可同时满足半淹没状态下的自主行走及全淹没状态下的推进式移动的满足不同积水环境下的电缆隧道行进；2）可根据不同积水环境，自动切换行进方式，通过搭载多种传感器来显示机器人行进姿态，包括所在的水中深度、温度以及位置信息，方便运行人员了解设备在水下的状态并进行控制；3）通过控制机器臂搭载传感器操作实现在积水环境下电缆本体运行状态的监测巡检，水下电缆温度数据测量值与正常环境下电缆温度测量值之间的关系，分析水下状态数据的有效性，建立测量数据修正模型，建立水下电缆温度辐射模型，为建立水下监测数据库提供基础数据支撑；研究非积水环境下电缆温度数据变化规律，建立相关温度数据模型，建立电缆温度预测模型；通过采集的积水环境下电缆温度数据，结合电缆隧道积水深度、环境温度，建立水下电缆温度热路模型，建立不同积水环境下温度与非积水环境下的温度数据对比变化规律，实现积水环境下电缆温度预测，为巡检人员提供判别依据，本发明致力于为电缆运维提供全面、安全、有效的运维管理解决方案，充分调研电缆工区运维现状，解决电缆运维工作的实际困难，为电缆积水环境下的人员运维提供有效的检测手段；对于提高电力系统稳定性具有广阔的应用空间和指导意义。

附图说明

图1是本发明的原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的描述。

如图1所示为本发明提供的基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人的原理结构示意图，包括水下机器人本体和水上控制器，所述的水下机器人本体包括机器人装置本体、对外界环境感知和执行对机器人的控制的感知执行机构、接收操作员控制器发送的命令并对执行机构进行控制的控制机构及驱动器，所述的水上控制器包括监视操作机构。

所述的机器人装置本体包括浮游舱体、设置于浮游舱体前端部的机械手；所述感知执行机构包括感知机构和执行机构，所述的感知机构包括设置于浮游舱体上的水下传感器、摄像机组，所述的执行机构包括执行推进器组和照明系统。所述的驱动器与执行机构连接实现对执行机构的驱动，同时与控制机构的多功能驱动模块连接实现被控制。所述水下传感器包括姿态传感器、下潜深度传感器、温湿度传感器、水底深度传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计。所述的摄像机组包括前视摄像头、下视摄像头、侧视摄像头、上视摄像头及后视摄像头。所述的推进器组包括前推进器、后推进器、上推进器、下推进器及侧向推进器。

所述的控制机构通过脐带电缆与水上控制器连接，包括传感控制模块、导航控制模块、电源与能量管理模块、多功能驱动模块、机械手控制模块、探测装置模块，所述的传感器控制模块与水下传感器、摄像机组连接收集采集的数据，所述的多功能驱动模块与水下传感器、执行机构同时连接实现对推行器电机的控制、照明系统的开关、浮游舱体姿态平衡和舱内环境的监测；所述的机械手控制模块与机械手连接实现对机械手的动作控制；所述的探测装置模块与摄像机组连接实现对水下环境的探测。所述的多功能驱动模块主要实现对推进器组的电机的控制、照明系统的照明灯的点亮、水下机器人浮游舱体的姿态平衡和舱内环境的监测。所述的控制机构采用基于Ｌｉｎｕｘ系统的嵌入式ＡＲＭ开发板，其通过串行口与传感控制模块、导航控制模块、电源与能量管理模块、多功能驱动模块、机械手控制模块、探测装置模块连接进行传输指令。每个模块之间彼此独立，但都与同一个主控制器间进行数据交互，以达到“一对多”的远程控制方式。

多功能驱动模块通过串行接口接收控制机构发送来的每个推进器的转动方向和转动速度命令、平衡控制命令、照明控制命令，以及向控制机构发回的各电机的工作状态、机器人姿态等控制命令，根据这些命令对各推进器及各个传感器进行控制，控制机构最多可同时控制多个推进器，通过不同的控制组合以达到相应的机器人移动效果。检测舱体姿态平衡的传感器也通过串口与控制机构相连接，并且通过控制机构中的保持姿态平衡控制策略来对推进器进行控制，以达到姿态平衡的目的。

所述的定位导航模块包括单片机、与单片机连接的模数转换单元，所述的模数转换单元通过通信接口与温湿度传感器、水底深度传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度计连接进行信息的读取及转换，进行计算得出转动的角度和运动的距离、当前的方向以及自身的姿态，并将数据传送给单片机，所述的单片机对数据进行解析分类发送给控制机构。由于不同的传感器输出的信号是不同的，输出数字信号的传感器，通过通信接口定时读取各个传感器数据，并进行计算得出转动的角度和运动的距离，当前的朝向，以及自身的姿态，将数据传送给单片机，由单片机对数据包解析分类发送给控制机构，再由控制机构进行处理最终反馈给水上控制器；输出模拟信号的传感器，通过模数转换将输出的电流或电压信号转换成数字量再发送给单片机并传给控制机构。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳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应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，包括水下机器人本体和水上控制器，其特征在于，所述的水下机器人本体包括机器人装置本体、对外界环境感知和执行对机器人的控制的感知执行机构、接收操作员控制器发送的命令并对执行机构进行控制的控制机构及驱动器，所述的水上控制器包括监视操作机构；

所述的机器人装置本体包括浮游舱体、设置于浮游舱体前端部的机械手；

所述感知执行机构包括感知机构和执行机构，所述的感知机构包括设置于浮游舱体上的水下传感器、摄像机组，所述的执行机构包括执行推进器组和照明系统；

所述的控制机构通过脐带电缆与水上控制器连接，包括传感控制模块、导航控制模块、电源与能量管理模块、多功能驱动模块、机械手控制模块、探测装置模块，所述的传感器控制模块与水下传感器、摄像机组连接收集采集的数据，所述的多功能驱动模块与水下传感器、执行机构同时连接实现对推行器电机的控制、照明系统的开关、浮游舱体姿态平衡和舱内环境的监测；所述的机械手控制模块与机械手连接实现对机械手的动作控制；所述的探测装置模块与摄像机组连接实现对水下环境的探测；

所述的驱动器与执行机构连接实现对执行机构的驱动，同时与控制机构的多功能驱动模块连接实现被控制。

2.根据权利要求1所述基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，其特征在于，所述水下传感器包括姿态传感器、下潜深度传感器、温湿度传感器、水底深度传感器、三轴陀螺仪及三轴加速度计。

3.根据权利要求1所述基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，其特征在于，所述的摄像机组包括前视摄像头、下视摄像头、侧视摄像头、上视摄像头及后视摄像头。

4.根据权利要求1所述基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，其特征在于，所述的推进器组包括前推进器、后推进器、上推进器、下推进器及侧向推进器。

5.根据权利要求1所述基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，其特征在于，所述的控制机构采用基于Ｌｉｎｕｘ系统的嵌入式ＡＲＭ开发板，其通过串行口与传感控制模块、导航控制模块、电源与能量管理模块、多功能驱动模块、机械手控制模块、探测装置模块连接进行传输指令。

6.根据权利要求2所述基于能源互联网的电缆管廊水下智能机器人，其特征在于，所述的定位导航模块包括单片机、与单片机连接的模数转换单元，所述的模数转换单元通过通信接口与温湿度传感器、水底深度传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度计连接进行信息的读取及转换，进行计算得出转动的角度和运动的距离、当前的方向以及自身的姿态，并将数据传送给单片机，所述的单片机对数据进行解析分类发送给控制机构。

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