基于隧道巡檢機(jī)器人的隧道設(shè)備用電異常監(jiān)測研究

廖思成 馬生濤

摘 要：在貴州省山區(qū)高速公路系統(tǒng)中隧道是安全隱患較高的區(qū)域。對隧道中的各種機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測對于保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和交通運(yùn)輸安全是十分有必要的。利用隧道巡檢機(jī)器人對電力線路進(jìn)行遠(yuǎn)程電流測量，可以判斷設(shè)備的運(yùn)行正常與否。穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電力線跟蹤是一個非常關(guān)鍵的問題。為了準(zhǔn)確地跟蹤和進(jìn)行精確地測量，電力線的擺動路徑應(yīng)該事先用隧道巡檢機(jī)器人用數(shù)學(xué)函數(shù)擬合和預(yù)測。在此之后，隧道巡檢機(jī)器人可以跟蹤電源線并測量電流。本文提出了一種利用拋物線和圓擬合算法進(jìn)行電力線路檢測的新方法。通過模擬仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果說明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：設(shè)備巡檢；巡檢機(jī)器人；智能傳感；線路跟蹤算法；電力檢測

0 前言

高速公路具有交通流量大、行車速度快等特點(diǎn)[1]，貴州省的高速公路往往具有大量的隧道，這些隧道是公路上易于誘發(fā)交通意外的特殊地段，特別是氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生交通事故和交通阻塞[2]。高速公路中、長或特長隧道內(nèi)會設(shè)有交通誘導(dǎo)、交通檢測、環(huán)境檢測、通風(fēng)照明、火災(zāi)報警等設(shè)備，設(shè)備復(fù)雜、品種較多，對隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)施如何進(jìn)行有效管控是公路運(yùn)維管理部門最關(guān)注的問題之一[3，4]。

1 電力線跟蹤算法介紹

本文提出了一種基于隧道巡檢機(jī)器人和智能儀表的新型移動傳感電力線跟蹤算法[5]。如圖1所示，說明了使用隧道巡檢機(jī)器人和智能儀表的電力檢測系統(tǒng)[6]。

在該檢測系統(tǒng)中，主電能表（MEM）和終端智能儀表（TSM）分別安裝在各用電設(shè)備的啟動節(jié)點(diǎn)和終端。MEM測量所有機(jī)電設(shè)備的總能量。同時，TSM測量每個設(shè)備的能量消耗，并通過電力線通信系統(tǒng)傳輸測量的能量值。如果供電系統(tǒng)發(fā)生用電異常，MEM的測量值和每個TSM測量值的總和將不相等。在這種情況下，檢測系統(tǒng)通過切換TSM的狀態(tài)開始一個過程，如圖1（b）所示。TSM的開關(guān)可以通過帶有高頻組件的控制塊的命令打開或關(guān)閉。電壓暫降通過AC/AC變壓器轉(zhuǎn)換為正常電壓，由開關(guān)頻率產(chǎn)生。如果MEM測量到一定量的電流，即使設(shè)備的電流被TSM切斷，這意味著通過該電源線使用電力異常。但是，當(dāng)設(shè)備電流被TSM接通時，MEM的測量電流代表配電系統(tǒng)的總電流。因此，巡檢機(jī)器人可以遠(yuǎn)程測量這兩種電流。巡檢機(jī)器人可以在傳輸線下爬行和移動，利用攝像機(jī)和其他傳感器。圖2顯示了帶有巡檢機(jī)器人的檢測系統(tǒng)的工作環(huán)境。

2 基于巡檢機(jī)器人的直線跟蹤方法仿真研究

為了實(shí)現(xiàn)對該算法的整體仿真，需要對電力線擺動模型進(jìn)行仿真，對圓柱形機(jī)械手模型進(jìn)行仿真，并對線跟蹤算法進(jìn)行仿真。為了描述電導(dǎo)體的擺動軌跡，采用拋物線函數(shù)。為了獲得帶噪聲的測量數(shù)據(jù)，在導(dǎo)電體與接近傳感器之間的距離數(shù)據(jù)中加入了40%的高斯白噪聲。然而，在圓柱機(jī)械手仿真中，采用了上述運(yùn)動學(xué)模型。本文所建立的仿真模型都是在matlab環(huán)境下進(jìn)行的。

該模型的仿真結(jié)果如圖3所示。它顯示了直線軌跡的擺動面。這些結(jié)果需要在新的跟蹤算法的仿真模型中得到。

下一個模擬結(jié)果是在電流傳感器的恒定位置確定的電線擺動過程中電流傳感器到電線的距離測量。然而，在確定過程中，使用線擺動模型移動電線位置。模擬結(jié)果如圖4所示。此外，為了考慮實(shí)際環(huán)境距離測量數(shù)據(jù)，在確定的距離數(shù)據(jù)中加入了40%的高斯白噪聲，該結(jié)果如圖4所示。上述過程與近距離傳感器產(chǎn)生的誤差有關(guān)。如果使用這種有誤差的測量距離數(shù)據(jù)，則線跟蹤的運(yùn)動將包含一點(diǎn)振動。該噪聲由圖4中的紅線表示。

為了驗(yàn)證跟蹤算法，建立了機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動的必要模型。本文實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人機(jī)械手的建模。機(jī)器人操作器可以在二維空間中移動到插入的坐標(biāo)。操縱器的一個移動結(jié)果如圖5所示。

最后仿真模型采用了新的跟蹤算法。圖6顯示了最終的跟蹤結(jié)果，它表示機(jī)器人操縱器上的電流傳感器軌跡。結(jié)果表明，機(jī)械手運(yùn)動平穩(wěn)，Y向誤差得到

修正。

3 結(jié)論

本文提出了一種新的巡檢機(jī)器人跟蹤方法，用于用電異常的檢測。仿真結(jié)果表明，該算法是有效的，提高了跟蹤性能。隧道巡檢機(jī)器人的使用將很好地提高隧道機(jī)電系統(tǒng)故障發(fā)現(xiàn)和排查處理的效率，降低隧道機(jī)電運(yùn)維成本。通過本項(xiàng)目研究成功的應(yīng)用，可以有效地指導(dǎo)相關(guān)人員開展隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維工作，提高運(yùn)維水平。

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