CN112278211A - 电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，属于智能机器人技术领域。其舱体的底部两侧设置电动全向轮，舱体的内部设置USBL定位系统和导航模块，脉冲发生/接收器、高清摄像机、电动全向轮和USBL定位系统均与PLC控制器连接，PLC控制器与地面遥操作控制中心通过脐带电缆连接，地面遥操作控制中心设置GPS定位系统，导航模块由多个传感器、多个模数转换单元和通信接口组成，多个传感器均分别与PLC控制器和通信接口连接，多个传感器包括三轴陀螺仪、姿态传感器、三轴加速度计、温湿度传感器和深度传感器。本发明用于提高积水环境下电缆管廊进行巡检和隐患排查的效率。
Description
技术领域
本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人。
背景技术
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。
国外的电力系统较为成熟，敷设的电缆或建立的电缆隧道已经为机器人提供了良好的工作环境，其机器人大多都可直接在电缆上进行行走。但其对电缆规格有一定要求，较欠缺，并且只能对一根电缆进行较好的检测。另外虽然也有一些产品较为成熟，由于各方面原因，难以在中国普及开来。近年来，随着对电缆检测的越来越重视，相关的研究也越来越多，取得了一定的研究成果，例如：杭州电力局研制了一款电缆管廊隧道巡检机器人，该机器人已在杭州湘湖湖底的高压电缆隧道开始巡检工作。它可以在隧道内进行自主巡检，处理一些简单的突发事件，其搭载有高清摄像机、气体传感器等装置。
广州供电局的电缆隧道巡视机器人研制成功，用于珠江新城电缆隧道的巡检。该机器人长度约为600mm，行走速度为4m/s，装载的摄像机可以360°无死角旋转，将视频传回后通过输电管理所检测中心的显示器显示，工作人员可以清楚地知道电缆隧道的各场景。
上海市电力公司与上海交通大学共同研发了小型电缆隧道检测机器人系统。该系统由行走机构、云台摄像机和控制箱等组成，并集成有多种传感器以及多种天线，能够对电缆隧道内的图像进行采集、检测各种气体的浓度和电缆隧道的环境温度。该机器人采用履带式行走机构进行移动，通过改变履带的形状来辅助越障，具有良好的越障性能和环境适应性。对电缆隧道/沟故障的检测方式来说，从过去的事故发生后的故障定位检测，发展为事故发生前的人工定期检测，再发展到现在的机器人定期进入电缆隧道/沟检测和在线检测两种方式。
基于以上现有技术可以看到，电缆隧道检测机器人通常均未考虑积水这种更为复杂环境下的相关技术。虽然除电缆隧道机器人外，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
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是，提供精确导航智能巡检机器人，以提高积水环境下电缆管廊进行巡检和隐患排查的效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，包括机身，所述机身包括舱体、设置在所述舱体前端的扁平嘴、设置在所述舱体两侧的侧鳍、以及设置在所述舱体尾部的尾鳍，所述机身的内部设置PLC控制器，所述扁平嘴内部设置脉冲发生/接收器，所述舱体的前端、底部和侧部均设置照明灯和带有云台的高清摄像机，所述舱体的底部两侧设置电动全向轮，所述舱体的内部设置USBL定位系统和导航模块，所述脉冲发生/接收器、高清摄像机、电动全向轮和USBL定位系统均与PLC控制器连接，所述PLC控制器与地面遥操作控制中心通过脐带电缆连接，所述地面遥操作控制中心设置GPS定位系统，所述导航模块由多个传感器、多个模数转换单元和通信接口组成，所述多个传感器均分别与PLC控制器和通信接口连接，所述多个传感器包括三轴陀螺仪、姿态传感器、三轴加速度计、温湿度传感器和深度传感器。
优选地，所述尾鳍为两个，分别设置在舱体尾部的两侧，所述两个尾鳍的夹角为90-120℃，所述两个尾鳍分别连接摆动导杆机构，所述摆动导杆机构与PLC控制器连接。
优选地，所述舱体的底部设置可伸缩防倾脚。
优选地，所述可伸缩防倾脚为两个，均设置在所述舱体的底部，所述可伸缩防倾脚包括液压缸、与所述液压缸连接的伸缩柱以及设置在所述伸缩柱底端的触板。
优选地，所述舱体内设置增重模块，所述增重模块包括设置在舱体内的蓄水仓、与所述蓄水仓连接的水管、与所述水管连接的泵和与所述泵连接的电动机。
优选地，所述舱体的底部设置信号采集模块，所述信号采集模块与PLC控制器连接，用于对水质进行检测。
优选地，所述地面遥操作控制中心设置多功能驱动器，所述多功能驱动器与PLC控制器连接，用于控制电动全向轮的行进、照明灯的点亮和舱体姿态的平衡。
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。基于此，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明机器人用于电缆管廊巡检，同时地上设置地面遥操作控制中心，地面遥操作控制中心设置有供机器人连接的脐带电缆和GPS定位系统，主要是起人机交互以及控制水下机器人运动状态的作用，搭载存储设备用来存储水下机器人的各项采集和传输的数据，脐带电缆用来完成地面与管廊内机器人的相互通信，所有的控制指令和返回的传感器数据都是通过脐带电缆来进行交换的。机器人采用仿生设计，机器人包括舱体、扁平嘴、左鳍、右鳍和尾鳍，舱体内搭载用于水下机器人定位的USBL传感器、可以监测机器人位姿的三轴陀螺仪和姿态传感器、监测机器人水下高度或深度的深度传感器、带有云台的高清摄像机和照明灯；搭载PLC控制器，用来实时监控水下机器人的运动状态以及传感器数据。通过地面与管廊下机器人的配合，能够更为高效地完成电缆光缆积水环境下的智能巡检作业。
本发明机器人的前端扁平嘴内设置脉冲发生/接收器，当机器人处于自主行走状态，接收的脉冲信号显示前方有障碍物时，需要控制器控制电动机工作，该电动机指电动全向轮内的电动机，以控制电动全向轮的转向，实现机器人的转向运动。同时当机器人处于浮游状态，接收的脉冲信号显示前方有障碍物时，需要控制器控制电动机工作，电动机包括增重模块设置的电动机和摆动导杆机构内的电动机，可以分别控制相应的运动，进行下潜或转向。行进时，三轴陀螺仪会检测自身是否水平，并把数据发送给PLC控制器，以控制机器人自身行进的姿态，保证机器人是在正常状态下行进。
附图说明
图1：本发明电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人的结构示意图；
图2：本发明图1的后视图；
图3：本发明可伸缩防倾脚的结构示意图；
图4：本发明电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人的原理框图；
其中：1-舱体，2-扁平嘴，3-侧鳍，4-尾鳍，5-PLC控制器，6-脉冲发生/接收器，7-照明灯，8-带有云台的高清摄像机，9-电动全向轮，10-USBL定位系统，11-三轴陀螺仪，12-姿态传感器，13-三轴加速度计，14-温湿度传感器，15-深度传感器，16-地面遥操作控制中心，17-GPS定位系统，18-液压缸，19-伸缩柱，20-触板，21-信号采集模块，22-多功能驱动器，23-。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1
参阅图1-2和图4，电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，包括机身，所述机身包括舱体1、设置在所述舱体1前端的扁平嘴2、设置在所述舱体1两侧的侧鳍3、以及设置在所述舱体1尾部的尾鳍4，所述机身的内部设置PLC控制器5，所述扁平嘴2内部设置脉冲发生/接收器6，所述舱体1的前端、底部和侧部均设置照明灯7和带有云台的高清摄像机8，所述舱体1的底部两侧设置电动全向轮9，所述舱体1的内部设置USBL定位系统和导航模块，所述脉冲发生/接收器6、高清摄像机8、电动全向轮9和USBL定位系统10均与PLC控制器5连接，所述PLC控制器5与地面遥操作控制中心16通过脐带电缆连接，所述地面遥操作控制中心16设置GPS定位系统17，所述导航模块由多个传感器、多个模数转换单元和通信接口组成，所述多个传感器均分别与PLC控制器5和通信接口连接，所述多个传感器包括三轴陀螺仪11、姿态传感器12、三轴加速度计13、温湿度传感器14和深度传感器15。
本发明巡检机器人采用仿生设计，机器人包括舱体1、扁平嘴2、左鳍、右鳍和尾鳍4，使得机器人能够在积水环境中减少行走或游动阻力，同时可以减小能源消耗。机身优选采用玻璃纤维或透明亚克力材质。
PLC控制器5对整个系统进行控制，包含图像采集，USBL数据传送，电机驱动、三轴陀螺仪11、姿态传感器12、三轴加速度计13、温湿度传感器14和深度传感器15等部件的控制。PLC控制器5以STM32F103ZET6为主控芯片。
本发明脉冲发生/接收器6设置在扁平嘴2内，不受机器人本身遮挡，用于判断前方是否有障碍物，当接收的脉冲信号显示前方有障碍物时，PLC控制器5控制电动全向轮9进行转向，以绕过障碍物。
本发明舱体1的前端、底部和侧部均设置照明灯7和带有云台的高清摄像机8，可以很方便的调整监控视角，以采集电缆管廊内的实时图像信息，并将获取的实时图像信息上传至地面遥操作控制中心16，供工作人员进行观察使用。
本发明采用电动全向轮9，可以使机器人在积水较少的情况下在管廊内自主行走，电动全向轮9可以进行全方位任意移动，能够满足直行、转向等基本操作要求。可选用麦卡纳姆轮。全向轮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）。
本发明在舱体1的内部设置USBL定位系统10（超短基线定位系统），同时在地面遥操作控制中心16设置GPS定位系统17，这样通过GPS定位系统17可以获知地面遥操作控制中心16的精确位置，结合USBL定位系统10可以获知水下机器人相对于地面遥操作控制中心16的相对位置（参阅公知文献：王燕，李晴，张光普.长基线/超短基线组合系统抗异常值定位技术研究[J].电子与信息学报，2018，040(011):2578-2583.）。这样无论地面遥操作控制中心16设置在哪里，都能获得机器人与其的相对位置，那么根据实际需要，可将地面遥操作控制中心16设置在管廊的正上方。
本发明导航模块由多个传感器、多个模数转换单元和通信接口组成，通信接口与多个传感器连接，多个传感器包括三轴陀螺仪11、姿态传感器12、三轴加速度计13、温湿度传感器14和深度传感器15。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PLC控制器5，再由PLC控制器5进行处理最终反馈给地面遥操作控制中心16；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PLC控制器5。其中，三轴陀螺仪11会检测自身是否水平；三轴加速度计13可以获知机器人的运动状态；温湿度传感器14可以获取管廊的温湿度环境，可以辅助判断管廊内的环境特征；深度传感器15可以实时反应机器人的本体所在水下的位置，深度传感器15测量稳定性良好。基于上述信息，机器人可以自行控制行进的姿态，使其能够正常行进；而且地面操控人员也可以根据数据信息，遥控机器人进行行进。深度计
本发明姿态传感器12MPUG6050可用于采集水下机器人本体的姿态角，姿态角包括航向角、横滚角和俯仰角，航向角能反应机器人的前进方向，俯仰角显示机器人本体前端与水平面的夹角，横滚角表示出机器人侧端机翼与水平面的夹角。水面监控平台的操作人员可根据这三个姿态信息判断出水下机器人本体处于何种姿态，从而进行有效的运动控制。
实施例2
参阅图1-图4，本实施例电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，是在实施例1的基础上进行的改进，具体为：
本发明PLC控制器5在无积水或积水较浅的情况下，机器人可在管廊地面借助电动全向轮9进行自由行进，也可以根据需要进行转向；但是在积水较深或满水的情况下，采用上述行进的方式则可能阻力较大或者行走困难，这时就需要具有浮游功能。对于本发明，所述尾鳍4为两个，分别设置在舱体1尾部的两侧，所述两个尾鳍4的夹角为90-120℃，所述两个尾鳍4分别连接摆动导杆机构，所述摆动导杆机构与PLC控制器5连接。摆动导杆机构是一种平面连杆机构，它将曲柄的旋转运动转换成为导杆的往复摆动。尾鳍4的左右摆动采取了机械结构中的摆动导杆机构，电动机驱动主动杆（也称曲柄）一直回转，导杆在曲柄的带动下进行左右往复摆动，从而使尾鳍4进行摆动，推动装置前行。在一个尾鳍4单独作用时，可以对装置进行转向，左转则用右边的尾鳍4，右转则用左边的尾鳍4。尾鳍4摆动频率和尾鳍4的摆动幅度是影响尾鳍4推进作用的主要两个因素，只要改变这两个因素就可以增大或减小尾鳍4推进力。尾鳍4的形状是金枪鱼的月牙形尾鳍4，这种尾鳍4相比较于其他尾鳍4具有更高的推动效率。
此外，本发明机器人在积水环境下行走，会由于水位或异常情况的影响而产生倾覆的可能，因此，本发明在所述舱体1的底部设置可伸缩防倾脚。作为本发明的一种具体实施方案，所述可伸缩防倾脚为两个，均设置在所述舱体1的底部，所述可伸缩防倾脚包括液压缸18、与所述液压缸18连接的伸缩柱19以及设置在所述伸缩柱19底端的触板20。导航模块会对自身航资进行检查，如果出现与设定的正常航姿不匹配状态，液压缸18启动，会自行伸出伸缩柱19，伸缩柱19在舱体1的底部左右各有一根，向左倾倒时伸左边的伸缩柱19，向右倾倒伸右边的，触板20用于接触底部，以防止倾覆发生。正常行进时，可伸缩防倾脚收缩在舱体1内，以减少水的阻力。
实施例3
参阅图1-4，本实施例电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，是在实施例2的基础上进行的改进，具体为：
所述舱体1内设置增重模块，所述增重模块包括设置在舱体1内的蓄水仓、与所述蓄水仓连接的水管、与所述水管连接的泵和与所述泵连接的电动机。基于该设计，机器人可以实现下潜，即在持续上浮的情况下，当对检测不利时，则可启动增重模块，以加重自身重量，实现机器人的下潜。该设计参考潜水艇的浮潜原理，在机器人的舱体1内部装有多个蓄水仓，在需要下潜时，电动机运作将管廊内的水吸收至蓄水仓内，装置质量增加，浮力小于自身重力，机器人实现下潜运动；反之，则能实现上浮。
实施例4
参阅图1-4，本实施例电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，是在实施例3的基础上进行的改进，具体为：
所述舱体1的底部设置信号采集模块21，所述信号采集模块21与PLC控制器5连接，用于对水质进行检测。其中的信号采集模块21包括浊度传感器、pH传感器、电导率传感器，依次用于测量管廊内积水的混浊度、pH以及电导率，用于判断积水的水质情况以及有无漏电情况，辅助地面工作人员采取合理的处理积水措施。
本发明，所述地面遥操作控制中心16设置多功能驱动器22，所述多功能驱动器22与PLC控制器5连接，用于控制电动全向轮9的行进、照明灯7的点亮和舱体1姿态的平衡。多功能驱动器22通过串行接口接收PLC控制器5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PLC控制器5发回电机工作状态、机器人姿态等控制命令，根据这些命令对推进器及各个传感器进行控制，控制器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。其中的推进器主要指尾鳍4的摆动导杆机构。
本发明各种水下摄像机以及传感器，水下的摄像机以及地面操作系统都需要利用脐带电缆实现对传感器信号的反馈、传输控制信号和功率传输。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (7)
1.电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，其特征在于：包括机身，所述机身包括舱体、设置在所述舱体前端的扁平嘴、设置在所述舱体两侧的侧鳍、以及设置在所述舱体尾部的尾鳍，所述机身的内部设置PLC控制器，所述扁平嘴内部设置脉冲发生/接收器，所述舱体的前端、底部和侧部均设置照明灯和带有云台的高清摄像机，所述舱体的底部两侧设置电动全向轮，所述舱体的内部设置USBL定位系统和导航模块，所述脉冲发生/接收器、高清摄像机、电动全向轮和USBL定位系统均与PLC控制器连接，所述PLC控制器与地面遥操作控制中心通过脐带电缆连接，所述地面遥操作控制中心设置GPS定位系统，所述导航模块由多个传感器、多个模数转换单元和通信接口组成，所述多个传感器均分别与PLC控制器和通信接口连接，所述多个传感器包括三轴陀螺仪、姿态传感器、三轴加速度计、温湿度传感器和深度传感器。
2.根据权利要求1所述的电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，其特征在于：所述尾鳍为两个，分别设置在舱体尾部的两侧，所述两个尾鳍的夹角为90-120℃，所述两个尾鳍分别连接摆动导杆机构，所述摆动导杆机构与PLC控制器连接。
3.根据权利要求1所述的电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，其特征在于：所述舱体的底部设置可伸缩防倾脚。
4.根据权利要求3所述的电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，其特征在于：所述可伸缩防倾脚为两个，均设置在所述舱体的底部，所述可伸缩防倾脚包括液压缸、与所述液压缸连接的伸缩柱以及设置在所述伸缩柱底端的触板。
5.根据权利要求1所述的电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，其特征在于：所述舱体内设置增重模块，所述增重模块包括设置在舱体内的蓄水仓、与所述蓄水仓连接的水管、与所述水管连接的泵和与所述泵连接的电动机。
6.根据权利要求1所述的电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，其特征在于：所述舱体的底部设置信号采集模块，所述信号采集模块与PLC控制器连接，用于对水质进行检测。
7.根据权利要求1所述的电缆管廊积水环境精确导航智能巡检机器人，其特征在于：所述地面遥操作控制中心设置多功能驱动器，所述多功能驱动器与PLC控制器连接，用于控制电动全向轮的行进、照明灯的点亮和舱体姿态的平衡。
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