CN112606001A - 一种电解槽巡检机器人控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解槽巡检机器人控制系统和控制方法，此系统由上位机客户端、无线基站、机器人本体和自动充电桩组成。上位机客户端用于远程监控机器人本体采集及处理的数据、显示巡检记录、历史记录和实时视频。机器人本体包括智能双视云台、三维激光导航系统、驱动系统、电池及管理系统、控制器、音频采集部分和无线客户端。机器人本体按照设定路线运行巡检，采集设备温度、图像、音频等数据信息，并在后台分析处理，发现设备异常及时报警。无线基站为上位机客户端与机器人本体的连接通道。本系统可实现一个车间100多台电解槽巡检作业，工作稳定可靠，可完全替代巡检工人，大幅提升冶金行业的生产管理水平。

Description

一种电解槽巡检机器人控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体的说是一种冶金行业电解槽巡检机器人控制系统和控制方法。

背景技术

目前33万安培以上的大型电解槽成为我国电解铝生产的主力槽型。但由于辅助设施和配套装备技术，以及生产管理与电解铝的发展速度不同步，投产后设备缺陷多，管理不畅，导致一些安全生产事故频繁发生，甚至造成一定的人员伤亡。常见事故有漏炉事故（漏槽事故）、母线打火事故、电解液外溅烫伤事故等。这些事故具有突发性强、征兆不明显、损失严重的特点。近年来，所发生的一系列事故主要是远程控制程序误操作和设备点巡检不到位而造成的生产安全事故。因此，研制智能化的巡检机器人，并控制巡检机器人实现对电解槽侧帮、槽底、阴极钢棒等部位的检测是需要解决的核心问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种电解槽巡检机器人控制系统和控制方法，其功能是控制机器人本体实现对电解槽温度场测绘、异常温度报警，并结合导航定位信息、云台角度信息和图像识别数据，对阴极钢棒、槽底等具体巡检目标的异常情况进行实时报警。

本发明采用的技术方案是：一种电解槽巡检机器人控制系统，该巡检机器人控制系统由上位机客户端、无线基站、机器人本体和自动充电桩构成。

所述上位机客户端包括：工业计算机和千兆交换机。所述工业计算机与千兆交换机通过以太网连接通讯，千兆交换机与无线基站通过光缆连接。机器人本体与无线基站通过无线方式连接。上位机客户端用于获取机器人本体采集的信息，形成历史数据报表，便于客户打印及分析。一旦发现设备异常或机器人本体故障，及时进行报警。同时通过工业计算机配置下发巡检模式、导航任务、充电时间和云台角度等控制信息。

所述无线基站包括无线AP、大功率射频天线、馈线和电源。大功率射频天线通过馈线连接无线AP，所述无线基站之间通过光纤连接，实现互通。

所述机器人本体包括：智能双视云台、三维激光导航系统、驱动系统、电池及管理系统、控制器、交换机、音频采集部分和无线客户端。

所述智能双视云台包括红外热像仪、可见光摄像机、补光灯、垂直电机、水平电机、垂直角度传感器和水平角度传感器，用于机器人本体采集电解槽外壳表面温度信息、图像信息。

所述三维激光导航系统由多线激光雷达、工控机、惯性导航模块、视觉导航模组、安全触边和红外避障传感器构成。所述多线激光雷达主要用于SLAM建图，惯性导航模块+视觉导航模块进行辅助，有效的处理电解槽相似带来的“管廊效应”问题，经过多传感器数据融合，综合运算分析输出导航结果信息。

所述驱动系统由左前电机、左后电机、右前电机和右后电机4台伺服电机和左前驱动器、左后驱动器、右前驱动器和右后驱动器4台低压伺服驱动器构成，用于执行导航结果，驱动机器人本体按照设定路线运行。所述红外避障传感器防止由于导航异常出现碰撞事故。所述安全触边，由一根中空橡胶管+两根铜导线构成。当机器人触碰到柱子等障碍物后，橡胶管变形导致内部两根铜线接通，产生一个信号给导航工控机及驱动器，直接控制伺服电机抱闸，避免由于导航失控、红外避障传感器信号失效、软件崩溃导致的安全事故。

所述电池及管理系统包括锂电池组、稳压模块和电池管理模块，主要为机器人本体提供电能，并通过电池管理模块进行过充过放等相关保护。

所述控制器为机器人本体控制核心，采用微型计算机构成，基于LINUX操作系统，其作用是为用户配置核心参数、控制导航系统自动执行不同导航任务、控制云台转动到指定位置、读取温度数据、图像数据，并通过软件算法进行处理、形成三维热场视图、温度点云数据、识别异常记录、机器人本体状态记录，同时支持上位机客户端进行数据访问及相关任务参数配置。

所述交换机包括网络隔离模块、数据转换芯片，具备3路100兆以太网接口，通过网线分别连接机器人本体的控制器、工控机和无线客户端，使机器人内部建立局域网，通过无线客户端上报信息。

所述音频采集部分包括拾音器、音频功放板和扬声器。所述拾音器为定向声音采集咪头，能够有效防止噪声干扰，用于机器人本体检测异常音频，如爆裂声响检测。

所述无线客户端与交换机相连，并通过无线网络上传信息到上位机客户端。

所述自动充电桩包括充电器、光电到位开关、滑触板和应急充接头，用于为机器人自动充电提供场所及电能。所述光电到位开关用于检测机器人本体是否进入充电桩，通过感应机器人本体漫反射的光触发控制信号，如果机器人本体进入充电桩，则控制充电器进行充电；所述滑触板由抗氧化性铜板和伸缩机构组成，滑触板与机器人本体取电端采用摩擦接触方式，具备防尘性能，确保良好接触。所述伸缩机构起到缓冲作用，可以提高滑触板的使用寿命。所述应急充接头由航空插头和线缆构成，直接连接充电器，用于机器人本体异常情况下的应急充电维护。

基于上述电解槽巡检机器人控制系统，本发明还提供了一种电解槽巡检机器人控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：首先，通过手机无线网络连接机器人本体，使用对应APP控制机器人本体运行，导航系统基于SLAM技术实现现场地图的绘制。根据电解槽的实际需要，绘制对应的巡检路线，常规绘制以槽底三趟，两个侧帮各一趟为模板。所绘制的地图信息、巡检路线信息、定位点信息存储在机器人本体工控机内。

步骤二：上位机客户端通过千兆交换机与基站连接，无线基站与机器人本体通过无线网络连接，获取导航地图信息、巡检路线信息，然后根据巡检目标所在位置，标定云台角度信息。使其巡检目标、导航位置和云台角度形成对应关系，以便巡检作业时发现异常后，可以准确锁定异常点位。

步骤三：机器人本体根据上位机客户端配置信息执行逻辑运算以及执行导航、定位、巡检和充电指令。机器人本体执行程序流程图如图3所示。

步骤四：机器人本体通过智能双视云台采集温度数据流，采用数据拼接技术形成连续热场视图及有价值的点云数据。基于红外热成像图像信息+视频分析，识别阴极钢棒巡检目标；结合点云数据，读取目标温度值。同时加上导航位置信息、云台角度信息，判断现场具体目标是否有异常情况。

步骤五：机器人检测完成1台电解槽后，自动形成数据报表。通过相同的巡检频次、相同的时间间隔，对电解槽温度场趋势进行预处理。

步骤六：机器人本体在巡检过程中，通过拾音器实时检测异常音频信息，如发现爆破、掉落等异常声音，立即上报故障信息。

步骤七：机器人本体运行中，实时监控自身状态。其中电池部分包括电量、电流、电压、温度和异常保护，驱动系统部分包括电机电流、驱动器温度、驱动器异常故障代码、安全触边状态和避障传感器状态；同时，检测整个系统及各部分通讯连接状态是否正常。

步骤八：机器人本体根据自身电量情况或配置巡检次数信息，需要充电时，自动返回充电桩执行充电动作。

步骤九：机器人本体进入充电桩后，自动触发光电到位开关，使充电桩带电，电流进入机器人本体，通过电池管理系统进行相应过充、高温保护。

步骤十：充电过程中，机器人本体进入休眠状态，关闭与系统无关的设备，以提高充电效率及器件寿命。如机器人本体出现异常，需要人为应急操作，可通过充电桩应急充电口进行充电处理。

步骤十一：当机器人本体检测到系统时钟到达充电设定时间，充电结束，自动继续巡检作业。

步骤十二：机器人本体控制器通过自身时钟，当夜间天黑时，控制补光灯自动点亮。

本发明产生的有益效果是：电解槽巡检机器人控制系统能够控制机器人本体实现对电解槽底部、侧帮、阴极钢棒、槽体的立体检测，形成三维热场分布视图及点云数据，为闭环控制电解槽生产工艺提供重要数据。同时，检测到高温异常可快速报警，有效防止漏槽事故发生，提升综合安全管理水平。

附图说明

图1是电解槽巡检机器人控制系统组成结构示意图。

图2是机器人本体组成结构示意图。

图3是机器人本体控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，一种电解槽巡检机器人控制系统，该系统由上位机客户端、无线基站、机器人本体和自动充电桩四部分构成。

所述的上位机客户端包括：工业计算机和千兆交换机。所述工业计算机与千兆交换机通过以太网连接通讯。所述千兆交换机与无线基站通过光缆连接。机器人本体与无线基站实时无线连接。所述上位机客户端安装于办公楼监控中心，远程监控机器人本体现场运行情况，展示历史温度数据报表、设备异常信息、机器人本体故障历史记录、实时监控画面、导航任务执行情况、充电状态信息等。同时可根据现场作用需要，配置定时巡检、跟班巡检等巡检模式，可配置单体槽反复蹲点巡检、跨槽巡检、全面巡检、日常定点巡检不同种巡检作业内容。由于上位机客户端放置位置容易连接外网，所以系统可基于互联网，发送报警信息到用户手机端，便于快速处理异常情况。

所述无线基站包括无线AP、大功率射频天线、馈线和电源。大功率射频天线通过馈线连接无线AP，所述无线基站之间通过光纤连接，实现互通。机器人本体无线客户端通过漫游切换实现连接不同基站，达到全场覆盖运行。由于电解铝生产工艺，现场存在大量电磁场，所以无线传输需要采用特殊加密措施，以提高抗干扰性能。按照现场一个电解铝车间配置，需要6-8台基站。同时如果现场已经布置5G基站，也可以更换机器人本体对应无线通信客户端实现通信。

如图2所示，所述机器人本体包括：智能双视云台、三维激光导航系统、驱动系统、电池及管理系统、控制器、音频采集部分和无线客户端。

所述智能双视云台包括红外热像仪、可见光摄像机、补光灯、垂直电机、水平电机、垂直角度传感器和水平角度传感器，用于机器人本体采集电解槽外壳表面温度信息和图像信息。所述三维激光导航系统包括多线激光雷达、工控机、惯性导航模块、视觉导航模组、安全触边和红外避障传感器。

所述多线激光雷达用于SLAM建图，惯性导航模块+视觉导航模块进行辅助，经过多传感器数据融合，综合运算分析输出导航结果信息。所述驱动系统由4台伺服电机和4台低压伺服驱动器构成，用于执行导航结果，驱动机器人本体按照设定路线运行。

所述避障传感器用于防止导航异常出现碰撞事故。所述安全触边，由一根中空橡胶管+两根铜导线构成。当机器人触碰到柱子等障碍物后，橡胶管变形导致内部两根铜线接通，产生一个信号给导航工控机及驱动器，直接控制伺服电机抱闸，避免由于导航失控、避障传感器信号失效和软件崩溃导致的安全事故。

所述电池及管理系统，主要为机器人本体提供电能，通过电池管理系统进行过充过放等相关保护。所述控制器为机器人本体控制核心，采用微型计算机作为硬件，其作用为存储用户配置核心参数、控制导航系统自动执行导航任务、控制云台转动到指定位置、读取温度数据、图像数据，并通过软件算法进行处理，形成三维热场视图、温度点云数据，识别异常记录、机器人本体状态记录，同时支持上位机监控平台进行数据访问及相关任务参数配置。

所述音频采集部分包括拾音器、音频功放板和扬声器。所述拾音器为定向声音采集咪头，能够有效防止噪声干扰，用于机器人本体检测异常音频，如爆裂声响检测。所述无线客户端，与本体交换机相连，通过无线网络，上报信息到上位机客户端。

所述自动充电桩包括充电器、光电到位开关和滑触板，用作为机器人自动充电提供场所及电能。所述光电到位开关用于检测机器人是否进入充电桩，如果进入，控制充电器进行充电；所述滑触板与机器人本体取电端采用摩擦接触方式，提供抗尘性能，确保良好接触。

基于上述电解槽巡检机器人控制系统，本发明还提供了一种电解槽巡检机器人控制方法，包括以下步骤：

步骤一：首先，通过手机无线网络连接机器人本体，使用对应APP控制机器人本体运行，导航系统基于SLAM技术实现现场地图的绘制。根据电解槽的实际需要，绘制对应的巡检路线，常规绘制以槽底三趟，两个侧帮各一趟为模板。所绘制的地图信息、巡检路线信息、定位点信息存储在机器人本体工控机内。

步骤二：上位机客户端通过千兆交换机与基站连接，无线基站与机器人本体通过无线网络连接，获取导航地图信息、巡检路线信息，然后根据巡检目标所在位置，标定云台角度信息。使其巡检目标、导航位置和云台角度形成对应关系，以便巡检作业时发现异常后，可以准确锁定异常点位。

步骤三：机器人本体根据上位机客户端配置信息执行逻辑运算以及执行导航、定位、巡检和充电指令。机器人本体执行程序流程图如图3所示。

步骤四：机器人本体通过智能双视云台采集温度数据流，采用数据拼接技术形成连续热场视图及有价值的点云数据。基于红外热成像图像信息+视频分析，识别阴极钢棒巡检目标；结合点云数据，读取目标温度值。同时加上导航位置信息、云台角度信息，判断现场具体目标是否有异常情况。

步骤五：机器人检测完成1台电解槽后，自动形成数据报表。通过相同的巡检频次、相同的时间间隔，对电解槽温度场趋势进行预处理。

步骤六：机器人本体在巡检过程中，通过拾音器实时检测异常音频信息，如发现爆破、掉落等异常声音，立即上报故障信息。

步骤七：机器人本体运行中，实时监控自身状态。其中电池部分包括电量、电流、电压、温度和异常保护，驱动系统部分包括电机电流、驱动器温度、驱动器异常故障代码、安全触边状态和避障传感器状态；同时，检测整个系统及各部分通讯连接状态是否正常。

步骤八：机器人本体根据自身电量情况或配置巡检次数信息，需要充电时，自动返回充电桩执行充电动作。

步骤九：机器人本体进入充电桩后，自动触发光电到位开关，使充电桩带电，电流进入机器人本体，通过电池管理系统进行相应过充、高温保护。

步骤十：充电过程中，机器人本体进入休眠状态，关闭与系统无关的设备，以提高充电效率及器件寿命。如机器人本体出现异常，需要人为应急操作，可通过充电桩应急充电口进行充电处理。

步骤十一：当机器人本体检测到系统时钟到达充电设定时间，充电结束，自动继续巡检作业。

步骤十二：机器人本体控制器通过自身时钟，当夜间天黑时，控制补光灯自动点亮。

本发明所述并不限于具体实施方式所述的实施例，只要是本领域技术人员根据本发明方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新及保护的范围。

Claims (5)

1.一种电解槽巡检机器人控制系统，其特征在于：该巡检机器人控制系统由上位机客户端、无线基站、机器人本体和自动充电桩构成；所述上位机客户端包括：工业计算机和千兆交换机；所述工业计算机与千兆交换机通过以太网连接通讯，千兆交换机与无线基站通过光缆连接；机器人本体与无线基站通过无线方式连接，上位机客户端用于获取机器人本体采集的信息，形成历史数据报表；通过工业计算机配置下发巡检模式、导航任务、充电时间和云台角度等控制信息。

2.根据权力要求1所述一种电解槽巡检机器人控制系统，其特征在于：所述无线基站包括无线AP、大功率射频天线、馈线和电源；大功率射频天线通过馈线连接无线AP，所述无线基站之间通过光纤连接，实现互通。

3.所根据权力要求1所述一种电解槽巡检机器人控制系统，其特征在于：述机器人本体包括：智能双视云台、三维激光导航系统、驱动系统、电池及管理系统、控制器、交换机、音频采集部分和无线客户端；所述智能双视云台包括红外热像仪、可见光摄像机、补光灯、垂直电机、水平电机、垂直角度传感器和水平角度传感器；所述三维激光导航系统包括多线激光雷达、工控机、惯性导航模块、视觉导航模组、安全触边和红外避障传感器；所述驱动系统由左前电机、左后电机、右前电机和右后电机以及左前驱动器、左后驱动器、右前驱动器和右后驱动器构成；所述红外避障传感器用于防止导航异常出现碰撞事故，所述安全触边，由一根中空橡胶管+两根铜导线构成，用于控制伺服电机抱闸，避免安全事故；所述电池及管理系统包括锂电池组、稳压模块和电池管理模块，为机器人本体提供电能，并进行过充过放等相关保护；所述控制器采用微型计算机构成，所述交换机包括网络隔离模块、数据转换芯片，具备3路100兆以太网接口，通过网线分别连接机器人本体的控制器、工控机和无线客户端，使机器人内部建立局域网，通过无线客户端上报信息；所述音频采集部分包括拾音器、音频功放板和扬声器；所述无线客户端与交换机相连，并通过无线网络上传信息到上位机客户端。

4.根据权力要求1所述一种电解槽巡检机器人控制系统，其特征在于：所述自动充电桩包括充电器、光电到位开关、滑触板和应急充接头，用于为机器人自动充电提供场所及电能。

5.基于权力要求1所述电解槽巡检机器人控制系统的电解槽巡检机器人控制方法，其特征在于：该控制方法包括以下步骤：

步骤一：首先，通过手机无线网络连接机器人本体，使用对应APP控制机器人本体运行，导航系统基于SLAM技术实现现场地图的绘制；根据电解槽的实际需要，绘制对应的巡检路线，常规绘制以槽底三趟，两个侧帮各一趟为模板。所绘制的地图信息、巡检路线信息、定位点信息存储在机器人本体工控机内；

步骤二：上位机客户端通过千兆交换机与基站连接，无线基站与机器人本体通过无线网络连接，获取导航地图信息、巡检路线信息，然后根据巡检目标所在位置，标定云台角度信息；使其巡检目标、导航位置和云台角度形成对应关系，以便巡检作业时发现异常后，可以准确锁定异常点位；

步骤三：机器人本体根据上位机客户端配置信息执行逻辑运算以及执行导航、定位、巡检和充电指令；

步骤四：机器人本体通过智能双视云台采集温度数据流，采用数据拼接技术形成连续热场视图及有价值的点云数据；基于红外热成像图像信息+视频分析，识别阴极钢棒巡检目标；结合点云数据，读取目标温度值；同时加上导航位置信息、云台角度信息，判断现场具体目标是否有异常情况；

步骤五：机器人检测完成1台电解槽后，自动形成数据报表；通过相同的巡检频次、相同的时间间隔，对电解槽温度场趋势进行预处理；

步骤六：机器人本体在巡检过程中，通过拾音器实时检测异常音频信息，如发现爆破、掉落等异常声音，立即上报故障信息；

步骤七：机器人本体运行中，实时监控自身状态；其中电池部分包括电量、电流、电压、温度和异常保护，驱动系统部分包括电机电流、驱动器温度、驱动器异常故障代码、安全触边状态和避障传感器状态；同时，检测整个系统及各部分通讯连接状态是否正常；

步骤八：机器人本体根据自身电量情况或配置巡检次数信息，需要充电时，自动返回充电桩执行充电动作；

步骤九：机器人本体进入充电桩后，自动触发光电到位开关，使充电桩带电，电流进入机器人本体，通过电池管理系统进行相应过充、高温保护；

步骤十：充电过程中，机器人本体进入休眠状态，关闭与系统无关的设备，以提高充电效率及器件寿命；如机器人本体出现异常，需要人为应急操作，可通过充电桩应急充电口进行充电处理；

步骤十一：当机器人本体检测到系统时钟到达充电设定时间，充电结束，自动继续巡检作业；

步骤十二：机器人本体控制器通过自身时钟，当夜间天黑时，控制补光灯自动点亮。

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