電力電纜隧道自動巡檢機(jī)器人設(shè)計

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司 遼寧 大連 116000

正文：

1.自動巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)電纜隧道現(xiàn)場情況以及電力電纜運(yùn)維規(guī)程的要求，本設(shè)計對自動巡檢機(jī)器人的巡檢功能、檢測功能、通訊功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。

1.1 巡檢功能

自動巡檢機(jī)器人需要對隧道內(nèi)的電纜運(yùn)行情況、隧道主體狀況以及隧道內(nèi)環(huán)境進(jìn)行綜合巡視，系統(tǒng)具備自主巡檢、遠(yuǎn)程遙控、上位機(jī)操控3種工作模式。其中自主巡檢功能主要通過激光測距傳感器、最小二乘法擬合直線算法來實(shí)現(xiàn)[1]，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)沿步道自主前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動中避障、避積水坑等功能。

1.2 檢測功能

本設(shè)計根據(jù)國網(wǎng)公司對高壓電力電纜隧道環(huán)境監(jiān)測的基本要求，配備了氧氣、CO2、CO、可燃、有毒等氣體濃度、溫濕度等傳感器，用于監(jiān)測隧道內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過無線通訊方式將數(shù)據(jù)發(fā)至上位機(jī)[2]。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、上位機(jī)操控模式要求，機(jī)器人配備了紅外攝像頭，可通過WiFi實(shí)時將視頻信號上傳，方便操作人員觀察電纜及隧道運(yùn)行情況。

1.3 通訊功能

通訊系統(tǒng)中，上位機(jī)下達(dá)控制指令，經(jīng)操作端網(wǎng)橋?qū)⑿盘栟D(zhuǎn)為無線信號，以2.4GHz 頻率的WiFi通信的發(fā)送至機(jī)器人端網(wǎng)橋，機(jī)器人端網(wǎng)橋?qū)o線信號轉(zhuǎn)為有線信號，發(fā)送至中間箱體電路[3]。中間箱體電路將接收到的控制指令分配給頂部箱體電路、左側(cè)箱體電路、右側(cè)箱體電路。同時，中間箱體電路采集各傳感器、攝像頭信息發(fā)至機(jī)器人端網(wǎng)橋，通過無線發(fā)至操作端網(wǎng)橋，控制程序通過解析回傳的信息，將圖像以及傳感器信息顯示在上位機(jī)中。

1.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人的主要材料、外部尺寸、驅(qū)動形式、整體布置方案進(jìn)行了設(shè)計，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行了防水、防火設(shè)計。

因機(jī)器人應(yīng)有防水、防火的能力，故選取了6061號鋁合金為主體材料；根據(jù)電力隧道工井尺寸計算機(jī)器人長╳寬應(yīng)小于600mm╳500mm；為提高機(jī)器人越障、通過復(fù)雜地形的能力，機(jī)器人的驅(qū)動形式為四輪驅(qū)動。

機(jī)器人需跨越防火門和應(yīng)對泥濘路面，所以將輪胎設(shè)計成齒輪，防止輪胎打滑。機(jī)器人主體分為三個箱體，箱體之間通過螺栓連接。兩側(cè)箱體放置電動機(jī)及電池，中間箱體放置升降臺、攝像頭及傳感器，箱體間信號及電力的傳輸電纜連接。為便于將機(jī)器人放入隧道中，在兩側(cè)箱體的頂端各布置了兩個吊耳。為了增加機(jī)器人的通過能力，在兩側(cè)箱體的底面和靠近中間的位置進(jìn)行了倒角處理。

加工前對全部機(jī)械零件以及防水橡膠墊進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)行了虛擬裝配，虛擬裝配與實(shí)際組裝對比圖如圖1所示。對關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元仿真，根據(jù)設(shè)計好的三維模型生成圖紙交付工廠進(jìn)行加工、組裝。

圖1 虛擬裝配與實(shí)際組裝對比圖

2.仿真測試

為減少實(shí)地試驗(yàn)，并驗(yàn)證巡檢算法和結(jié)構(gòu)的可行性，本設(shè)計對電纜隧道多種地形進(jìn)行了三維建模。建模對象主要包括電纜隧道頂部、底部及左右兩側(cè)墻體、電纜支架、電力電纜、以及積水坑、磚石、臺階等。如圖2所示，即為建模后得到的電纜隧道局部圖，圖中物體均按照電纜隧道實(shí)測尺寸建模。

圖2 電纜隧道與機(jī)器人模型

將建好的模型導(dǎo)入Webots 機(jī)器人仿真軟件中，加入所需傳感器，將半自主巡檢算法移植到Webots 中，使用Webots 進(jìn)行仿真以測試算法的可靠性。

仿真中，機(jī)器人可順利通過直線路段、轉(zhuǎn)彎路段以及折線路段，在理論上驗(yàn)證了算法的可行性。本文設(shè)計的機(jī)器人進(jìn)入電纜隧道現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試與測試，即可完成半自動巡檢功能。

3.上位機(jī)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)巡視電纜隧道內(nèi)部情況，以及對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控，需設(shè)計上位機(jī)軟件，該上位機(jī)軟件可實(shí)時顯示各氣體傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人狀態(tài)、電池電量、通訊信號強(qiáng)度等信息。

上位機(jī)界面可觀察兩路視頻信號、監(jiān)控溫度傳感器以及各個環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定好的環(huán)境參數(shù)閾值顯示正?；蛭ｋU不宜進(jìn)入電纜隧道。

上位機(jī)還具備查看主路由器、發(fā)射網(wǎng)橋、接收網(wǎng)橋、網(wǎng)轉(zhuǎn)串、導(dǎo)航攝像頭、巡檢攝像頭的IP地址、PING值、錯誤率、遠(yuǎn)距離操控等信息的功能，用于判斷機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。

4.測試

依托電纜隧道實(shí)地對本設(shè)計進(jìn)行了測試，包括防水、無線通訊距離、避障、最高速度、直線速度、爬坡能力、非連續(xù)臺階、極限長度深坑，以及連續(xù)運(yùn)行時間等測試。測試結(jié)果表明，機(jī)器人各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

5.總結(jié)

根據(jù)測試，本設(shè)計滿足大連地區(qū)電纜隧道巡檢的需要，實(shí)現(xiàn)了從隧道外部控制隧道內(nèi)機(jī)器人工作、通過自動巡檢算法進(jìn)行自動巡檢、上位機(jī)遙控三種工作模式，為電力電纜巡檢提供了新的解決方案。

通過實(shí)際應(yīng)用，該機(jī)器人同時也存在著如下改進(jìn)空間：

1、重量大，可通過選用其他新型材料進(jìn)行減重；

2、遠(yuǎn)距離遙控時需加信號中繼裝置，可結(jié)合5G通訊技術(shù)發(fā)展尋求新的通訊解決方案；