CN112536806A - 一种巡检电缆沟的机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巡检电缆沟的机器人及其控制系统，包括至少三个关节机构，每个关节机构上设置有至少两个驱动电机，每个关节机构的底端设置有行走机构，三个关节机构分别为第一关节机构、第二关节机构和第三关节机构，第一关节机构上设置有云台，第二关节机构上安装有温度检测设备，第三关节机构上安装有气体检测设备，该巡检电缆沟的机器人采用三个关节机构组成的三关节串联履带式结构机器人，该机器人体积小、运动灵活、负载能力强，适合在狭小且周围环境复杂的电缆沟进行状态监测。该巡检电缆沟的机器人的控制系统采用第一控制器和第二控制器形成双系统控制巡检电缆沟的机器人的运行，提高了机器人运行的可靠性和监测的效率。

Description

一种巡检电缆沟的机器人及其控制系统

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种巡检电缆沟的机器人及其控制系统。

背景技术

变电站电缆沟内电缆具有多种功能，不仅承担着电能输送的作用，而且还涉及变电站中计量、通信、继电保护等功能。电缆沟内电缆长时间运行会导致电缆外绝缘老化放电，再加上电缆沟中一些动植物尸体经过微生物分解产生的甲烷等可燃性气体，也会对电缆沟内电缆安全稳定运行造成很大隐患，情况严重时会导致电缆沟爆炸，造成巨大损失。因此加强对电缆沟巡检，尽早发现电缆沟内部隐患，对电缆安全稳定运行具有重要意义。

目前，在变电站电缆沟巡检方面还存在以下不足：一是缺少电缆沟内电缆温度的实时监测，即使部分变电站具备实时温度监测设备，也只是电缆表面温度的监测，此温度监测方法虽然简单，但是电缆表面温度无法准确反映电缆内部的温度，另外在运行或环境条件不同时，相同的测量值可能表示两个完全不同的热分布状态下电缆温度，因此监测电缆表面的温度得到电缆温度的准确性较差；二是缺少对电缆沟内部可燃性气体监测，可燃性气体经过长时间积累，达到一定浓度，电缆沟内部很容易起火，甚至引起爆炸，从而危及电缆和周围的建筑。

针对上述问题，采用智能巡检机器人代替人工巡检，实现对变电站电缆运行状态的在线监测，降低工作人员巡检难度使故障发生之前就对电缆沟内部缺陷隐患进行监测和消缺，对提高电缆运行稳定性有着至关重要的意义。

变电站电缆状态监测巡检机器人目前在变电站巡检中已有应用，现有的一种巡检机器人使用履带与辅助摆臂机构结合的行走方式，本体携带红外摄像头和多种传感器，通过以太网与地面终端计算机通信，但该机器人需人工操控，体积大，不适合狭小且地形复杂的变电站电缆沟。另一种电缆沟状态监测机器人，虽然该机器人不需人工操控，但是它的体积过大，同样不适用于狭小且地形复杂的电缆沟。由于变电站电缆沟隧道狭小复杂，体积过大的巡检机器人在变电站电缆沟中无法实现自动巡检。

发明内容

本发明实施例提供了一种巡检电缆沟的机器人及其控制系统，用于解决变电站电缆沟隧道狭小复杂，体积过大的巡检机器人在变电站电缆沟中无法实现自动巡检的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种巡检电缆沟的机器人，包括至少三个关节机构，每个所述关节机构上设置有至少两个驱动电机，每个所述关节机构的底端设置有用于带动所述关节机构行走的行走机构，三个所述关节机构分别为第一关节机构、第二关节机构和第三关节机构，所述第一关节机构上设置有用于安装设备的云台，所述第二关节机构上安装有用于检测温度的温度检测设备，所述第三关节机构上安装有用于检测气体浓度的气体检测设备；

所述云台包括升降支座、升降杆和云台支座，所述升降杆的第一端通过转动轴安装在所述升降支座上，所述升降杆的第二端通过紧固件安装在所述云台支座上，所述云台支座用于安装设备。

优选地，所述云台为平行四杆机构，所述平行四杆机构包括升降支座、四条升降杆、云台支座和两条所述转动轴，所述云台还包括驱动所述转动轴转动的舵机，所述舵机驱动所述转动轴带动所述升降杆转动，所述升降杆带动所述云台支座升降并始终与所述升降支座保持平行。

优选地，所述第一关节机构与所述第二关节机构之间以及所述第二关节机构与所述第三关节机构之间均采用联结机构连接，所述联结机构包括第一连接座、与所述第一连接座连接的可调电阻器、安装在所述可调电阻器上的联结轴轴心以及与所述联结轴轴心连接的第二连接座。

优选地，所述联结机构外包裹有橡胶管。

优选地，所述行走机构包括驱动轮、导向轮和两组承重轮，所述驱动轮和所述导向轮分别与两个所述驱动电机连接。

本发明还提供一种巡检电缆沟的机器人的控制系统，应用于上述所述的巡检电缆沟的机器人上，包括第一控制器、第二控制器、输出模块、电源模块、状态监测模块、气体检测模块和温度检测模块，所述状态监测模块包括云台驱动子模块和摄像子模块，所述输出模块、所述电源模块、所述云台驱动子模块、所述气体检测模块和所述温度检测模块均与所述第一控制器连接，所述第二控制器分别与所述第一控制器和所述摄像子模块连接。

优选地，所述气体检测模块用于检测电缆沟中可燃性气体的浓度，所述气体检测模块设置有气体检测电路，所述气体检测电路包括气体传感器、与所述气体传感器连接的两级放大电路和与所述两级放大电路连接的隔离滤波电路，所述隔离滤波电路与所述第一控制器连接。

优选地，所述温度检测模块用于采用红外探测组件检测电缆沟内电缆的表面温度，所述温度检测模块还将检测的数据通过所述第一控制器传送至移动终端上，所述第一控制器上设置有根据所述检测的数据计算电缆沟内电缆线芯温度的计算模块。

优选地，所述计算模块计算电缆沟内电缆线芯温度的表达式为：

θ_c＝nI²R(T₁+T₂+T₃+T₄)+θ₀

式中，θ_c为电缆沟内电缆线芯温度，θ₀为温度检测模块检测电缆沟内电缆的表面温度，T₁为电缆绝缘层热阻，T₂为电缆护套热阻，T₃为电缆制作时增绕的橡塑绝缘材料热阻，T₄为电缆环氧的热阻，R为导体的交流电阻；I为等效载流量，n为电缆组成部件的个数。

优选地，所述输出模块、所述电源模块、所述云台驱动子模块、所述气体检测模块和所述温度检测模块均与所述第一控制器通过NB-IoT无线通信模组传输数据，所述第二控制器分别与所述第一控制器和所述摄像子模块通过NB-IoT无线通信模组传输数据，所述第一控制器还通过NB-IoT无线通信模组将巡检电缆沟的机器人的控制系统检测的温度数据、气体浓度数据传送至移动终端上。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：该巡检电缆沟的机器人采用三个关节机构组成的三关节串联履带式结构机器人，该机器人体积小、运动灵活、负载能力强，适合在狭小且周围环境复杂的电缆沟进行状态监测，解决了变电站电缆沟隧道狭小复杂，体积过大的巡检机器人在变电站电缆沟中无法实现自动巡检的技术问题。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统采用第一控制器和第二控制器形成双系统控制巡检电缆沟的机器人的运行，提高了机器人运行的可靠性和监测的效率。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统采用气体检测模块检测电缆沟内的可燃性气体浓度，并将由第一控制器将检测的气体浓度数据传送至移动终端，便于知晓电缆沟内的可燃性气体浓度，运维人员可以根据可燃性气体浓度采取措施，避免电缆沟内部起火或爆炸。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统采用与红外热像仪相同功能的红外探测组件对电缆进行测温，避免了采用体积大、操控困难的红外热像仪，不便于安装在巡检电缆沟的机器人上的问题。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统的第一控制器、第二控制器、移动终端之间采用NB-IoT无线通信模组进行通信连接，具有覆盖广、连接多、功耗低等特点，信号穿透性强，可接收到电缆沟深处的信号。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人的结构示意图。

图2为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人驱动电机安装的结构示意图。

图3为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人云台升降的结构示意图。

图4为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人联结机构的结构示意图。

图5为本发明实施例所述巡检电缆沟的机器人的控制系统的框架图。

图6为本发明实施例所述巡检电缆沟的机器人的控制系统气体检测电路的电路图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种巡检电缆沟的机器人及其控制系统，用于解决了变电站电缆沟隧道狭小复杂，体积过大的巡检机器人在变电站电缆沟中无法实现自动巡检的技术问题。

实施例一：

图1为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人的结构示意图，图2为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人驱动电机安装的结构示意图，图3为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人云台升降的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种巡检电缆沟的机器人，包括至少三个关节机构10，每个关节机构10上设置有至少两个驱动电机11，每个关节机构10的底端设置有用于带动关节机构10行走的行走机构20，三个关节机构10分别为第一关节机构101、第二关节机构102和第三关节机构103，第一关节机构上设置有用于安装设备1的云台30，第二关节机构上安装有用于检测温度的温度检测设备40，第三关节机构上安装有用于检测气体浓度的气体检测设备50；

云台30包括升降支座31、升降杆32和云台支座33，升降杆32的第一端通过转动轴34安装在升降支座31上，升降杆32的第二端通过紧固件安装在云台支座33上，云台支座33用于安装设备。

在本发明实施例中，该巡检电缆沟的机器人采用三个关节机构10组成的机器人，每个关节机构10均设置有两个驱动电机11和行走机构20，驱动电机11驱动行走机构20的运行。其中，三个关节机构10组成的机器人机构可以有效分散机器人的体积，机器人每个关节机构两侧都非对称安装驱动电机11，利用前后驱动电机11的转速差拐弯。

需要说明的是，根据机器人的行走方式，常见的机器人可以分为三种：轮式机器人、履带式机器人和足式机器人。该巡检电缆沟的机器人需要有较好的越障性能，因此可供选择的方案为履带式机器人和足式移动机器人。由于该巡检电缆沟的机器人是用于巡检电缆沟中电缆，电缆沟内狭小封闭，只能通过机器人上的摄像机获取机器人巡检前方图像信息来判断机器人的状态和位置，履带式机器人底盘几何形状不易变化，负载能力强，机器人高度也相对较低，因此该巡检电缆沟的机器人的行走机构采用履带式形式行走。

在本发明实施例中，驱动电机11驱动行走机构20行走，两个驱动电机11非对称设置在关节机构10上。如图2所示，两个驱动电机11呈对角设置在关节机构10上。现有的机器人的驱动电机一般是左右对称的，这种布局的优势是结构简单，安装和改进方便。但由于电缆沟内部狭小，应尽可能的减小机器人的宽度，所以该巡检电缆沟的机器人采用两边驱动电机11非对称安装布局，左侧的驱动电机11和行走机构20的驱动轮放置在机器人的前方，右侧的驱动电机11和行走机构20的驱动轮安装在机器人的后方，这种安装方式大大减小机器人的宽度，保证机器人的灵活性。

需要说明的是，巡检电缆沟的机器人在电缆沟巡检时，巡检电缆沟的机器人在行走过程中需要克服障碍物所受到的阻力，驱动电机11需要提供的最大转矩需大于10Nm，巡检电缆沟的机器人的行走速度约为0.5m/s，根据行走机构20的驱动轮周长转换为驱动电机11的转速为240r/min。在本实施例中，巡检电缆沟的机器人优先选用额定电压24V、额定功率4.6W、空载转速260r/min、最大转矩0.65Nm的直流减速电机作为驱动电机，由于直流伺服电机本身转速较快，转矩小，通常会在电机前端加装56∶1的减速齿轮箱。

在本发明实施例中，云台30主要用于安装设备。其中，设备可以为摄像机、摄像头、照明灯等。巡检电缆沟的机器人在电缆沟中巡检时，对视觉观测的要求主要有两个方面：一是机器人行走运动需要观测路径及周围环境，特殊情况下，机器人还需要获取后方的图像信息；二是在电缆沟内，机器人行走的过道位于电缆沟中间，两侧的电缆支架上放置电缆，每侧有上、中、下共三排电缆支架，为了让摄像机更好的巡检电缆，摄像机需要左右和上下两个方向的自由度，以对电缆沟内部两侧电缆支架上的电缆以及电缆沟内部运行环境进行观测。因此，巡检电缆沟的机器人上设置成平行四杆机构的云台30上，使得安装在云台30上的设备能够实现前后、左右、俯仰三个方向自由转动。具体地，云台30为平行四杆机构，平行四杆机构包括一个升降支座31、四条升降杆32、云台支座33和两条转动轴34，云台30还包括驱动转动轴34转动的舵机，舵机驱动转动轴34带动升降杆32转动，升降杆32带动云台支座33升降并始终与升降支座31保持平行。

需要说明的是，如图3所示，舵机驱动平行四杆机构运行来实现对云台支座33的升降，其中平行四杆机构的升降支座31为舵机的安装支架，固定于关节机构10本体的上表面，舵机驱动升降杆32实现平行四杆机构的运动，云台支座33固定在升降杆32的第二端上，当舵机驱动平行四杆机构运动时，云台支座33始终与升降支座31保持平行，因此在巡检电缆沟的机器人巡检过程中，云台30始终是朝向巡检电缆沟的机器人的正前方。在本实施例中，对于安装在云台支座33上的摄像头，需要清楚地观察电缆沟内部环境及两边电缆，摄像头的像素应该要高，拥有自动调焦功能，能够防水、防抖、防雾化，可以避免图像模糊，最好自带亮度足够的照明灯，以便能观察封闭环境下的电缆沟内部，因此选用的摄像头需要具备如表1所示的功能：

表1摄像头的参数

功能	参数
		解析度	水平752线垂直582线
电子防抖	开/关
		光学变焦	18X
数字变焦	12X
		视角	48°～2.8°
水平转动角度	360°连续旋转
		垂直转动角度	-15°～90°
控制接口	RS-485
		电源	DC10.8～28V
工作温度	-35℃～65℃
		重量	1.2kg
尺寸	28mm x 28mm

本发明提供的一种巡检电缆沟的机器人采用三个关节机构组成的三关节串联履带式结构机器人，该机器人体积小、运动灵活、负载能力强，适合在狭小且周围环境复杂的电缆沟进行状态监测，解决了变电站电缆沟隧道狭小复杂，体积过大的巡检机器人在变电站电缆沟中无法实现自动巡检的技术问题。

图4为本发明实施例所述的巡检电缆沟的机器人联结机构的结构示意图。

如图1和图4所示，在本发明的一个实施例中，第一关节机构101与第二关节机构102之间以及第二关节机构102与第三关节机构103之间均采用联结机构60连接，联结机构60包括第一连接座61、与第一连接座61连接的可调电阻器62、安装在可调电阻器62上的联结轴轴心63以及与联结轴轴心63连接的第二连接座64。其中，联结机构60外包裹有橡胶管65。

需要说明的是，以第一关节机构101与第二关节机构102之间采用联结机构60连接作为案例进行说明，第一连接座61与第一关节机构101连接，第二关节机构102与第二连接座64连接。当第一关节机构101的角度发生变化时，可调电阻器62也会发生变化，通过测量可调电阻器62上的电压的变化，得到第一关节机构101与第二关节机构102之间的角度大小，根据PID控制算法来调节第二关节机构102的驱动电机11转速，使第二关节机构102跟随第一关节机构101运动。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，行走机构20包括驱动轮22、导向轮21和两组承重轮23，驱动轮22和导向轮21分别与两个驱动电机11连接。

在本实施例中，巡检电缆沟的机器人的行走机构20位于机器人底盘的两侧，传统的履带机器人主要由履带、承重轮、驱动轮、导向轮和拖带轮组成，但是为了降低机器人的整体高度和减小机器人设计复杂性，在不影响行走能力和负载能力的前提下，该巡检电缆沟的机器人取消了拖带轮，其中承重轮23、驱动轮22、导向轮21均采用硬铝合金制作的，硬铝合金表面经过阳极氧化处理，防止因在电缆沟潮湿复杂的环境中受到腐蚀。承重轮23具有一个额外的自由度，两组承重轮23可绕着共同的轴心自由旋转。当巡检电缆沟的机器人处于水平地面时，在机器人重力的作用下，两组承重轮23处于同一水平高度的位置，当巡检电缆沟的机器人遇到凸起的障碍物后，两组承重轮23中的前面一组承重轮23会顺着障碍物上升，而另一组承重轮23水平高度不变，可以有效地减小机器人重心高度的变化，起到减震的作用。

实施例二：

图5为本发明实施例所述巡检电缆沟的机器人的控制系统的框架图。

如图5所示，本发明实施例还提供一种基于上述的巡检电缆沟的机器人的控制系统，包括第一控制器1、第二控制器2、输出模块3、电源模块4、状态监测模块5、气体检测模块6和温度检测模块7，状态监测模块5包括云台驱动子模块8和摄像子模块9，输出模块3、电源模块4、云台驱动子模块8、气体检测模块6和温度检测模块7均与第一控制器1连接，第二控制器2分别与第一控制器1和摄像子模块9连接。

在本发明实施例中，输出模块3、电源模块4、云台驱动子模块8、气体检测模块6和温度检测模块7均与第一控制器1通过NB-IoT无线通信模组传输数据，第二控制器2分别与第一控制器1和摄像子模块9通过NB-IoT无线通信模组传输数据，第一控制器1还通过NB-IoT无线通信模组将巡检电缆沟的机器人的控制系统检测的温度数据、气体浓度数据传送至移动终端上。

需要说明的是，移动终端可以为手机、平板电脑、计算机等。

在本发明实施例中，巡检电缆沟的机器人的控制系统采用第一控制器1和第二控制器2这两个CPU控制巡检电缆沟的机器人的运行，使得巡检电缆沟的机器人运行可靠性得到保证。其中，第一控制器1主要用于与第二控制器2通信连接，第一控制器1还用于接受人机交互界面发送的指令作出相应得动作、发送控制指令、控制驱动电机转动、接受电机编码器数据并做闭环控制，控制机器人运动；第一控制器1还采集可调电阻器实时电压，控制关节机构的驱动电机转速使后关节机构跟随前关节机构运动。第一控制器1与电源模块4连接，通过采集电源模块4的电压、电流对电源模块4进行监测保护，并将电源电量上传至人机交互界面。

需要说明的是，第一控制器1优先选用TMS320F28335的微控制单元。其中，TMS320F28335是一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。TMS320F28335的微控制单元得益于其浮点运算单元，能够快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与其他DSP相比平均性能提高50％。第一控制器1通过PWM信号与巡检电缆沟的机器人各驱动电机驱动模块通信控制驱动电机转动。第二控制器2优先选用主频3.0Hz、功率65W、Intel酷睿i7-855U的处理器，能够为巡检电缆沟的机器人的自动巡检和自主避障提供强大的运算处理能力，第二控制器2主要功能是接受巡检电缆沟的机器人本体运动感知传感器的信息和外部传感器上传到移动终端的指令信息，经内部自主导航避障算法处理后，发送指令至巡检电缆沟的机器人的第一控制器1，第一控制器1控制巡检电缆沟的机器人运动。

在本发明实施例中，输出模块3主要用于控制巡检电缆沟的机器人的驱动电机的运行，从而驱动行走机构的运行。

在本发明实施例中，电源模块4主要用于至少给第一控制器1、第二控制器2、状态监测模块5、气体检测模块6和温度检测模块7供电。

需要说明的是，电源模块4是巡检电缆沟的机器人执行巡检任务的保证，在确定巡检电缆沟的机器人所有电子设备型号后，需要通过计算巡检电缆沟的机器人的总功率，确定电源模块4中的锂电池电池容量大小，给巡检电缆沟的机器人本体所有电子设备供电。若如表2所示的巡检电缆沟的机器人本体主要电子设备电气参数，可计算出，巡检电缆沟的机器人的总功率大约为100W，如果要让巡检电缆沟的机器人运行时间为1个小时左右，选择的电压约为24V，4200mAh的锂电池，最大持续输出电流为4.2A即可，在实际情况下，巡检电缆沟的机器人不可能在全功率下运行，因此选择24V，5000mAh的锂电池即可满足巡检电缆沟的机器人电源供应。

表3为巡检电缆沟的机器人本体主要电子设备电气参数

在本发明实施例中，云台驱动子模块8主要用于控制云台的运行，摄像子模块9主要用于控制设置在云台支座上的设备运行。

图6为本发明实施例所述巡检电缆沟的机器人的控制系统气体检测电路的电路图。

在本发明实施例中，气体检测模块6主要用于检测电缆沟中可燃性气体的浓度。气体检测模块6设置有气体检测电路，气体检测电路包括气体传感器、与气体传感器连接的两级放大电路和与两级放大电路连接的隔离滤波电路，隔离滤波电路与第一控制器1连接。

需要说明的是，电缆沟中主要的可燃性气体为甲烷，在选用可燃性气体传感器时，应当选用二氧化锡作为气敏材料，当二氧化锡处在含有甲烷气体的环境中时，二氧化锡的电导率会随环境中甲烷气体浓度升高而升高，通过气体检测电路的气体传感器检测电缆沟中的可燃性气体，气体传感器的电导率的变化量即可以转化为与环境中甲烷浓度相关的数值。如图6所示，在本实施例中，气体传感器优选选为MQ-4可燃性气体浓度传感器，两级放大电路是由电阻R2、电阻R5、运放芯片LM258-1、电阻R6和电阻R8组成，隔离滤波电路是由运放芯片LM258-2、电阻R9、电阻R10、电容C1、电阻R3、电容C3和双向稳压管ADC₂组成。具体地，在巡检电缆沟的机器人巡检电缆沟过程中，电缆沟内的可燃性气体浓度较低情况下，气体传感器MQ-4的阻值较高(20k)，当可燃性气体浓度较高进入气体传感器MQ-4时，气体传感器MQ-4的阻值急剧下降，气体传感器MQ-4的A与B两端电压下降，于是气体传感器MQ-4中的输出端第6引脚的电压升高，电压信号经过由电阻R2、R5与运放芯片LM258-1构成反相的第一级放大电路，第一级放大电路将电压信号放大至一定的范围内以降低模数转换误差，其放大倍数与电阻R5、电阻R2有关；电阻R6、电阻R7与运放芯片LM258-1构成反相的第二级放大电路，进一步放大电压信号。运放芯片LM258-2与电阻R9、电阻R10构成正向跟随电路，以便实现前后级隔离与增大运放的驱动能力；运放芯片LM258-2与电容C1、电阻R3、电容C3和双向稳压管D构成二阶低通滤波电路，将电压信号中的高频噪声和干扰信号滤除，提高信号的采样精度；并采用电阻R3和双向稳压管D来限制气体检测电路的输出端ADC₂的电压和电流幅值。其中，气体传感器MQ-4除对甲烷的灵敏度较高，对丙烷、丁烷等可燃性气体也有较好的灵敏度。

在本发明实施例中，温度检测模块7主要用于采用红外探测组件检测电缆沟内电缆的表面温度，温度检测模块7还将检测的数据通过第一控制器1传送至移动终端上，第一控制器1上设置有根据检测的数据计算电缆沟内电缆线芯温度的计算模块。其中，计算模块计算电缆沟内电缆线芯温度的表达式为：

θ_c＝nI²R(T₁+T₂+T₃+T₄)+θ₀

式中，θ_c为电缆沟内电缆线芯温度，θ₀为温度检测模块检测电缆沟内电缆的表面温度，T₁为电缆绝缘层热阻，T₂为电缆护套热阻，T₃为电缆制作时增绕的橡塑绝缘材料热阻，T₄为电缆环氧的热阻，R为导体的交流电阻；I为等效载流量，n为电缆组成部件的个数。

在本实施例中，为了实时监测电缆沟内部的电缆及电缆分接头表面温度，该巡检电缆沟的机器人采用小型红外探测组件进行测温，将小型红外探测组件安装在巡检电缆沟的机器人的第二关节机构上，利用USB-OTG通信模块将红外探测组件采集电缆沟内电缆的数据传输到移动终端，用移动终端进行成像显示。由于电缆及其终端的热分布受物理结构、载流量等条件影响，所以电缆某一点的表面温度不能准确反映电缆内部的热状态，如果电缆中无放电点，则其温度最高处在导电线芯，电缆的热是从导电线芯流向绝缘表面，因此，该巡检电缆沟的机器人的控制系统的第一控制器上设置有根据检测电缆表面温度计算电缆沟内电缆线芯温度的计算模块。计算模块具体为：

当电缆达到热平衡后，在电缆绝缘层中取一个微分单元dV＝2^cx·dx·l，根据传热学中的富氏定律及热流连续原理有：

dW＝-λ_T(dθ₀/dn)dA (1)

式中，c是常数，x是电缆表面距导线线芯的距离，l是单位长度，W为电缆表面距电缆线芯的热流；A为热流流过的单元面积；λ_T为电缆的导热系数；k_i为电缆绝缘层的热容系数；W_i为绝缘层单位体积放出的热流，θ₀为温度检测模块检测电缆沟内电缆的表面温度。

联立式(1)、(2)变换可得：

在热稳定时，上述方程的解为：

θ_c-θ₀＝(W_c/2^cλ_T)ln(2x/D_c) (4)

其中，(1/2^cλ_T)ln(2x/D_c)为导体表面到绝缘套表面之间的热阻，W_c为电缆的线芯损耗，Dc为电缆的直径，进而可以得到导线线芯温度θ_c与表面温度θ₀和等效载流量I的关系式：θ_c＝nI²R(T₁+T₂+T₃+T₄)+θ₀。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统根据温度检测模块7测量电缆的表面温度以及计算模块就可以较准确地知道电缆内部的温度，该巡检电缆沟的机器人的控制系统能够更准确测量电缆温度，有效预防温度过高造成电缆老化以及可能发生的火灾事故。

本发明实施例提供的一种巡检电缆沟的机器人的控制系统采用第一控制器和第二控制器形成双系统控制巡检电缆沟的机器人的运行，提高了机器人运行的可靠性和监测的效率。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统采用气体检测模块检测电缆沟内的可燃性气体浓度，并将由第一控制器将检测的气体浓度数据传送至移动终端，便于知晓电缆沟内的可燃性气体浓度，运维人员可以根据可燃性气体浓度采取措施，避免电缆沟内部起火或爆炸。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统采用与红外热像仪相同功能的红外探测组件对电缆进行测温，避免了采用体积大、操控困难的红外热像仪，不便于安装在巡检电缆沟的机器人上的问题。

该巡检电缆沟的机器人的控制系统的第一控制器、第二控制器、移动终端之间采用NB-IoT无线通信模组进行通信连接，具有覆盖广、连接多、功耗低等特点，信号穿透性强，可接收到电缆沟深处的信号。

终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以是终端设备的内部存储单元，例如终端设备的硬盘或内存。存储器也可以是终端设备的外部存储设备，例如终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种巡检电缆沟的机器人，其特征在于，包括至少三个关节机构，每个所述关节机构上设置有至少两个驱动电机，每个所述关节机构的底端设置有用于带动所述关节机构行走的行走机构，三个所述关节机构分别为第一关节机构、第二关节机构和第三关节机构，所述第一关节机构上设置有用于安装设备的云台，所述第二关节机构上安装有用于检测温度的温度检测设备，所述第三关节机构上安装有用于检测气体浓度的气体检测设备；

所述云台包括升降支座、升降杆和云台支座，所述升降杆的第一端通过转动轴安装在所述升降支座上，所述升降杆的第二端通过紧固件安装在所述云台支座上，所述云台支座用于安装设备。

2.根据权利要求1所述的巡检电缆沟的机器人，其特征在于，所述云台为平行四杆机构，所述平行四杆机构包括升降支座、四条升降杆、云台支座和两条所述转动轴，所述云台还包括驱动所述转动轴转动的舵机，所述舵机驱动所述转动轴带动所述升降杆转动，所述升降杆带动所述云台支座升降并始终与所述升降支座保持平行。

3.根据权利要求1所述的巡检电缆沟的机器人，其特征在于，所述第一关节机构与所述第二关节机构之间以及所述第二关节机构与所述第三关节机构之间均采用联结机构连接，所述联结机构包括第一连接座、与所述第一连接座连接的可调电阻器、安装在所述可调电阻器上的联结轴轴心以及与所述联结轴轴心连接的第二连接座。

4.根据权利要求3所述的巡检电缆沟的机器人，其特征在于，所述联结机构外包裹有橡胶管。

5.根据权利要求1所述的巡检电缆沟的机器人，其特征在于，所述行走机构包括驱动轮、导向轮和两组承重轮，所述驱动轮和所述导向轮分别与两个所述驱动电机连接。

6.一种巡检电缆沟的机器人的控制系统，应用于如权利要求1-5任意一项所述的巡检电缆沟的机器人上，其特征在于，包括第一控制器、第二控制器、输出模块、电源模块、状态监测模块、气体检测模块和温度检测模块，所述状态监测模块包括云台驱动子模块和摄像子模块，所述输出模块、所述电源模块、所述云台驱动子模块、所述气体检测模块和所述温度检测模块均与所述第一控制器连接，所述第二控制器分别与所述第一控制器和所述摄像子模块连接。

7.根据权利要求6所述的巡检电缆沟的机器人的控制系统，其特征在于，所述气体检测模块用于检测电缆沟中可燃性气体的浓度，所述气体检测模块设置有气体检测电路，所述气体检测电路包括气体传感器、与所述气体传感器连接的两级放大电路和与所述两级放大电路连接的隔离滤波电路，所述隔离滤波电路与所述第一控制器连接。

8.根据权利要求6所述的巡检电缆沟的机器人的控制系统，其特征在于，所述温度检测模块用于采用红外探测组件检测电缆沟内电缆的表面温度，所述温度检测模块还将检测的数据通过所述第一控制器传送至移动终端上，所述第一控制器上设置有根据所述检测的数据计算电缆沟内电缆线芯温度的计算模块。

9.根据权利要求8所述的巡检电缆沟的机器人的控制系统，其特征在于，所述计算模块计算电缆沟内电缆线芯温度的表达式为：

θ_c＝nI²R(T₁+T₂+T₃+T₄)+θ₀

式中，θ_c为电缆沟内电缆线芯温度，θ₀为温度检测模块检测电缆沟内电缆的表面温度，T₁为电缆绝缘层热阻，T₂为电缆护套热阻，T₃为电缆制作时增绕的橡塑绝缘材料热阻，T₄为电缆环氧的热阻，R为导体的交流电阻；I为等效载流量，n为电缆组成部件的个数。

10.根据权利要求6所述的巡检电缆沟的机器人的控制系统，其特征在于，所述输出模块、所述电源模块、所述云台驱动子模块、所述气体检测模块和所述温度检测模块均与所述第一控制器通过NB-IoT无线通信模组传输数据，所述第二控制器分别与所述第一控制器和所述摄像子模块通过NB-IoT无线通信模组传输数据，所述第一控制器还通过NB-IoT无线通信模组将巡检电缆沟的机器人的控制系统检测的温度数据、气体浓度数据传送至移动终端上。

Images