裴文良,周明靜,李軍偉
(中信重工開(kāi)誠(chéng)智能裝備有限公司,唐山 063020)
綜合管廊智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)
裴文良,周明靜,李軍偉
(中信重工開(kāi)誠(chéng)智能裝備有限公司,唐山 063020)
針對(duì)城市地下綜合管廊的巡檢、監(jiān)控問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的、可以代替人工進(jìn)入管廊中進(jìn)行巡檢、數(shù)據(jù)采集和災(zāi)害報(bào)警的機(jī)器人裝置,詳細(xì)論述了巡檢機(jī)器人的組成和功能,利用該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合管廊的自動(dòng)巡檢,實(shí)現(xiàn)綜合管廊的現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害處置,為城市工程管線的可靠運(yùn)行提供全面的技術(shù)保障。
綜合管廊;機(jī)器人;巡檢;控制系統(tǒng)
隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展,城市地下綜合管廊的建設(shè)不斷增多,地下綜合管廊是城市的超級(jí)大動(dòng)脈,它給城市帶來(lái)從內(nèi)到外的活力,但由于地下管線建設(shè)規(guī)模不足、管理水平較低等問(wèn)題,使得一些城市相繼發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷、設(shè)施被盜等事件,嚴(yán)重影響了人民群眾生命安全和城市運(yùn)行秩序。綜合管廊智能機(jī)器人移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),是專門(mén)針對(duì)地下綜合管廊研發(fā)設(shè)計(jì)的智能一體化巡檢方案。系統(tǒng)以綜合管廊智能巡檢機(jī)器人為核心,同時(shí)結(jié)合強(qiáng)大的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),數(shù)據(jù)服務(wù)器以及相關(guān)附件,可實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合管廊環(huán)境與設(shè)備的不間斷的移動(dòng)往返監(jiān)控監(jiān)測(cè)及應(yīng)急火災(zāi)報(bào)警和處置。本文從實(shí)用性角度出發(fā),介紹了一種綜合管廊智能巡檢機(jī)器人的研制方法及應(yīng)用。
綜合管廊智能巡檢機(jī)器人由以下六部分組成:機(jī)器人本體、滅火機(jī)器人平臺(tái)、智能控制系統(tǒng)、軌道平臺(tái)、供電平臺(tái)和通信平臺(tái),如圖1所示。
圖1 綜合管廊智能巡檢機(jī)器人組成
1.1 機(jī)器人本體
機(jī)器人本體主要由圖像采集系統(tǒng)、語(yǔ)音對(duì)講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、自主防撞與避障系統(tǒng)、精準(zhǔn)定位系統(tǒng)和人員檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)等組成,它是完成巡檢任務(wù)的核心部件。
1)圖像采集系統(tǒng)
圖像采集系統(tǒng)搭載一體化高性能云臺(tái)攝像機(jī),集成高清攝像技術(shù)與熱成像技術(shù),可實(shí)現(xiàn)低照度下清晰成像。球機(jī)具有6條巡航掃描,每條可設(shè)置16個(gè)預(yù)置點(diǎn),預(yù)置時(shí)間可調(diào);旋轉(zhuǎn)角度:垂直角度 從-20°(俯視)到+90°(仰視),水平角度:360°,連續(xù)旋轉(zhuǎn),無(wú)監(jiān)視盲區(qū)。
2)語(yǔ)音對(duì)講及應(yīng)急廣播系統(tǒng)
機(jī)器人本體搭載先進(jìn)的雙向語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)講,聲音清晰、洪亮,對(duì)講聲音在110分貝以上。同時(shí)配備大口徑鍍金震膜咪頭,本底噪聲極低,采音更廣泛。ClearSpeech自適應(yīng)動(dòng)態(tài)降噪處理技術(shù),內(nèi)置高速DSP數(shù)字信號(hào)處理器。獨(dú)特設(shè)計(jì)的“電子噪聲動(dòng)態(tài)閉環(huán)抑制電路”,徹底消除“嘶嘶”電子噪音。監(jiān)聽(tīng)范圍:5~80m2,靈敏度可調(diào)。緊急事故發(fā)生,如檢測(cè)到火光或者超溫情況,機(jī)器人本體具備報(bào)警指示功能及機(jī)器人狀態(tài)指示功能。
3)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)
巡檢機(jī)器人環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)管廊的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),監(jiān)測(cè)范圍包括:可同時(shí)對(duì)O2、CO、H2S和CH4等4種氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)和超限報(bào)警;可完成環(huán)境溫度、濕度的檢測(cè),檢測(cè)范圍為:溫度-40℃~+123.8℃;濕度為:0%~100%RH;另外可對(duì)煙霧、光照度以及火焰進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
4)自主防撞與避障系統(tǒng)
機(jī)器人本體帶有自主防撞與避障系統(tǒng),采用超聲波探測(cè),可對(duì)障礙物和隧道內(nèi)工作人員進(jìn)行探測(cè),遇到障礙自動(dòng)停止,并報(bào)警,同時(shí)加裝安全觸邊,防止碰撞造成人員及設(shè)備損傷。超聲波探測(cè)距離0.1~4m,探測(cè)角度120°。
5)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)
機(jī)器人采用精準(zhǔn)里程定位,實(shí)時(shí)上傳自身位置信息,并通過(guò)GIS地圖實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,同時(shí)也可關(guān)聯(lián)百度地圖實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置鎖定。
1.2 滅火機(jī)器人平臺(tái)
滅火機(jī)器人與巡檢機(jī)器人本體共用軌道系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和控制系統(tǒng),自身搭載超細(xì)干粉滅火器。滅火機(jī)器人能與巡檢機(jī)器人聯(lián)動(dòng),準(zhǔn)確到達(dá)火災(zāi)位置,其運(yùn)動(dòng)性能與巡檢機(jī)器人相同,如速度、爬坡能力、定位精度等。防護(hù)性能為IP65。
1.3 智能控制系統(tǒng)
智能控制系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人的控制核心,利用智能控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制及信息處理等功能。
1)智能巡檢
按照預(yù)先設(shè)定的巡檢路線進(jìn)行巡檢,同時(shí)可通過(guò)集控系統(tǒng)在巡檢過(guò)程中適時(shí)修改巡檢點(diǎn)和路線。系統(tǒng)提供手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種對(duì)機(jī)器人的控制方式,并能在兩種控制模式間任意切換。手動(dòng)控制功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體、攝像云臺(tái)、電源、可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外熱像儀的控制操作。自動(dòng)控制時(shí),系統(tǒng)能夠在全自主的模式下,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的任務(wù)或者由用戶臨時(shí)指定的任務(wù),實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)功能。
2)告警管理
控制系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)超標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)告警,能以短信、郵件、聲音、軟件界面提示等方式進(jìn)行告警,并能以人機(jī)界面方式對(duì)所有存儲(chǔ)的告警信息按照時(shí)間、地點(diǎn)或組合進(jìn)行查詢。
3)信息采集與數(shù)據(jù)處理
控制系統(tǒng)控制巡檢機(jī)器人完成采集、存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)和視頻圖像的功能,可對(duì)視頻進(jìn)行播放、停止、抓圖、存儲(chǔ)、全屏顯示等;可實(shí)時(shí)記錄、下傳并在本地監(jiān)控后臺(tái)上顯示巡檢機(jī)器人的工作狀態(tài)、巡檢路線等信息;控制系統(tǒng)也具有采集、存儲(chǔ)巡檢機(jī)器人傳輸?shù)囊纛l信號(hào)功能,支持音頻信息的錄制、回放和可視化展示,展示內(nèi)容包括聲音波形、頻域信息等;控制系統(tǒng)同時(shí)可采集、存儲(chǔ)紅外熱圖功能,并能夠從紅外熱圖中提取溫度信息。
控制系統(tǒng)除完成信息采集功能外,還提供數(shù)據(jù)處理等功能。包括:自動(dòng)生成設(shè)備缺陷報(bào)表、巡檢任務(wù)報(bào)表,提供歷史曲線;可按巡檢時(shí)間、設(shè)備類型、設(shè)備名稱、最高溫度等過(guò)濾條件對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。所有巡檢產(chǎn)生的數(shù)據(jù),系統(tǒng)都將自動(dòng)保存下來(lái),并形成報(bào)表,可供用戶打印巡檢記錄或者導(dǎo)出到Excel中。
1.4 軌道平臺(tái)
綜合管廊智能巡檢機(jī)器人的軌道平臺(tái)由工字型軌道構(gòu)成,此軌道是一種專門(mén)特制加工的型材,它是軌道巡檢機(jī)器人的主體支撐軌道。為滿足不同需求,可采用多種模式:1)鋁合金導(dǎo)軌:外觀美觀、重量輕,但成本較鋼制導(dǎo)軌略高。2)鋼制導(dǎo)軌:外觀較鋁合金導(dǎo)軌略顯簡(jiǎn)陋,重量較重,但成本低。軌道平臺(tái)要求承載重量150kg以上,每隔6米安裝一只軌道固定支架。由于地下管廊中濕度較大,軌道要有較好的防銹處理。
1.5 供電平臺(tái)
為保證巡檢機(jī)器人正常工作,一定要有可靠的電源供應(yīng)。本系統(tǒng)采用電池和分布式接觸充電系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式。分布式充電站采用接觸式防打火安全充電技術(shù),每隔1000米設(shè)置一臺(tái)充電樁,充電系統(tǒng)具有良好的防打火性能,機(jī)器人車載電池單次充電能保證連續(xù)行走10km以上。
1.6 通信平臺(tái)
綜合管廊智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)前端巡檢機(jī)器人的控制。在綜合管廊內(nèi)每200米設(shè)置一臺(tái)無(wú)線發(fā)射終端,實(shí)現(xiàn)綜合管廊內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫隙覆蓋。同時(shí)在綜合管廊內(nèi)鋪設(shè)光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò),綜合管廊內(nèi)光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)的光纜及四電口10/100M電信級(jí)光纖收發(fā)器作為本系統(tǒng)的主干傳輸設(shè)備,巡檢機(jī)器人和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)配備后備電源功能,主網(wǎng)失電后,系統(tǒng)能正常運(yùn)行工作不少于1小時(shí)。
2.1 綜合管廊的自動(dòng)巡檢
綜合管廊智能巡檢機(jī)器人可不間斷地對(duì)綜合管廊進(jìn)行反復(fù)巡檢,并對(duì)綜合管廊的環(huán)境數(shù)據(jù)、聲音、視頻進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)的采集及存儲(chǔ)。巡檢機(jī)器人具備開(kāi)機(jī)自檢、自動(dòng)休眠、上位喚醒等多種工作模式。遠(yuǎn)程控制端可控制機(jī)器人的行走速度:0~120m/min可調(diào),具有自行勻速巡檢、工作位置準(zhǔn)確停車探測(cè)、緊急事件高速到達(dá)、遇到障礙自動(dòng)停車告警以及遇到人員減速跟蹤探測(cè)等功能。
2.2 巡檢機(jī)器人行走方式設(shè)計(jì)
巡檢機(jī)器人采用自動(dòng)行走的懸掛軌道式設(shè)計(jì),由電機(jī)驅(qū)動(dòng)巡檢機(jī)器人行走,從機(jī)械設(shè)計(jì)上保證機(jī)器人爬坡時(shí),對(duì)摩擦力的要求。同時(shí)機(jī)器人具有姿態(tài)分析功能,當(dāng)遇到上坡、下坡以及轉(zhuǎn)彎等情況時(shí),自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行。因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)行時(shí)靠軌道兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪夾緊運(yùn)行,分別由各自電機(jī)驅(qū)動(dòng),當(dāng)運(yùn)行軌道存在上坡、下坡以及轉(zhuǎn)彎等情況時(shí),機(jī)器人的運(yùn)行速度要發(fā)生變化。為了保證巡檢機(jī)器人的監(jiān)測(cè)質(zhì)量,希望巡檢機(jī)器人不論在任何環(huán)境下都能自由、平穩(wěn)的行走。本系統(tǒng)采用了基于傾角傳感器的巡檢機(jī)器人調(diào)速裝置及控制方法,通過(guò)巡檢機(jī)器人內(nèi)部預(yù)置的傾角傳感器,實(shí)時(shí)采集機(jī)器人本體運(yùn)行中姿態(tài)的變化,根據(jù)機(jī)器人本體行進(jìn)方向俯仰角度、傾斜角度以及航向角度的變化,控制機(jī)器人本體合理的調(diào)整運(yùn)行速度,使機(jī)器人本體行走能夠滿足各種工況環(huán)境的需求。
2.3 巡檢機(jī)器人災(zāi)害處理手段
巡檢機(jī)器人具有災(zāi)情預(yù)警、高溫識(shí)別、火焰識(shí)別、定位、定點(diǎn)滅火能力。現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)災(zāi)情時(shí),巡檢機(jī)器人可將事故現(xiàn)場(chǎng)的圖像、環(huán)境溫度、有害氣體的含量等數(shù)據(jù)發(fā)送回指揮中心,并能通過(guò)應(yīng)急對(duì)講進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指揮作業(yè)或緊急疏散。巡檢機(jī)器人還可依靠熱成像技術(shù)穿透煙霧,準(zhǔn)確探尋現(xiàn)場(chǎng)傷員位置,為搶險(xiǎn)救援提供決策。
2.4 多樣化的應(yīng)用模式
巡檢機(jī)器人系統(tǒng)具有多種應(yīng)用模式,可以實(shí)現(xiàn)靈活、多樣、快速、便利應(yīng)用,諸如:例行巡檢、遙控巡檢、特殊巡檢、設(shè)備精確測(cè)溫、應(yīng)急事故處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮等高級(jí)功能。巡檢機(jī)器人在發(fā)現(xiàn)異?;蜃陨沓霈F(xiàn)問(wèn)題時(shí),可以發(fā)出聲音報(bào)警,并以短信或郵件形式通知用戶。
綜合管廊作為解決城市地下空間與管網(wǎng)問(wèn)題的有效方式,代表了城市基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的必然方向和全新模式,其發(fā)展前景是毋庸置疑的。目前,對(duì)綜合管廊的研究主要集中在開(kāi)發(fā)利用的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段,而對(duì)管廊后期的運(yùn)營(yíng)管理,特別是以電氣控制技術(shù)為手段的運(yùn)營(yíng)管理方面的研究較少。城市地下綜合管廊智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合管廊的自動(dòng)巡檢,實(shí)現(xiàn)綜合管廊的現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害處置,可與原有在線監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合管廊的智能化管理,為城市工程管線的可靠運(yùn)行提供全面的技術(shù)保障,對(duì)保證綜合管廊及綜合管廊內(nèi)工程管線的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
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高精度激光焊接系統(tǒng)的應(yīng)用,更加完善了電子元器件高精度自動(dòng)裝配與焊接系統(tǒng)在電子裝配領(lǐng)域的不足之處,系統(tǒng)依靠其精度高、穩(wěn)定性好、靈活度大等特點(diǎn)會(huì)在未來(lái)電子裝配生產(chǎn)中占有一席之地。
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TP242
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1009-0134(2017)01-0091-03
2016-10-24
裴文良(1975 -),男,河北唐山人,高級(jí)工程師,本科,研究方向?yàn)榈V山機(jī)械設(shè)備、自動(dòng)化電子設(shè)備及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)。