大流量液壓區(qū)域巡檢機器人設(shè)計

劉宇航，王 松，呂洪磊

(中國煤炭科工集團 北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

0 引言

在我國現(xiàn)有技術(shù)中，運行設(shè)備巡檢是有效保障設(shè)備安全運行的一項必不可少的基礎(chǔ)性工作。目前，我國工業(yè)設(shè)備的巡檢方法分為人工巡檢和機器人巡檢。人工巡檢手段以人工感覺器官觀察、手持儀器測量和憑經(jīng)驗分析診斷為主，巡檢記錄則以手工記錄和筆記本電腦記錄為主。機器人巡檢則是通過軌道導航或自動導航等方式，使機器人在巡檢區(qū)域內(nèi)進行移動，通過傳感器、高清攝像儀等采集儀器，實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集。然后通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊進行信息傳遞，由上位機進行數(shù)據(jù)的存儲及分析。

近年來，設(shè)備的公稱流量、公稱壓力逐步提升，設(shè)備運行的危險性也隨之變大，人工巡檢的方式存在安全風險高、工作強度高、工作效率低、巡檢數(shù)據(jù)分散等明顯弊端，一些高危、惡劣工況(例如高液壓工況、強電壓工況)也并不適合巡檢人員進入，人工巡檢的方式終將被機器人巡檢所取代。

本文從實用性角度出發(fā)，介紹了一種適用于大流量液壓區(qū)域的巡檢機器人，主要論述了該巡檢機器人的組成結(jié)構(gòu)、自動導航方式、通訊方式、功能特點以及在大流量液壓區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用。

1 巡檢機器人

1.1 巡檢機器人組成

適用于大流量液壓區(qū)域的巡檢機器人主要由驅(qū)動系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和自動導航系統(tǒng)組成。驅(qū)動系統(tǒng)主要包括步進驅(qū)動器、步進電機、絕緣靜音車輪和直線電機；信息采集系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、噪聲傳感器、濕度傳感器、振動傳感器和高清攝像儀；信息處理系統(tǒng)包括中央處理模塊、診斷模塊和控制模塊；無線通訊系統(tǒng)主要包括ZigBee模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、5G基站和5G無線通訊模塊；自動導航系統(tǒng)主要包括紅外傳感器、磁條傳感器、磁條、RFID標簽、RFID射頻識別標簽卡讀寫器和上位機。

1.2 上位機

上位機安裝在測控中心，可通過5G無線通訊技術(shù)與巡檢機器人組網(wǎng)，讀取巡檢機器人采集的實時數(shù)據(jù)、視頻。也可以操作上位機軟件，從而控制巡檢機器人的啟停、巡檢路徑以及高清攝像儀的位置及方向。上位機軟件界面如圖1所示。

圖1 上位機軟件界面

2 巡檢機器人的功能與設(shè)計

2.1 巡檢機器人設(shè)計

巡檢機器人的主要功能是完成巡檢任務(wù)、進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及故障報警。大流量液壓區(qū)域?qū)嶋H工況噪聲大、濕度高、信號干擾強(噪聲干擾、其他運行設(shè)備信號干擾)，對巡檢機器人功能進行設(shè)計應(yīng)優(yōu)先選用運行穩(wěn)定性高的技術(shù)。

巡檢機器人外觀采用流線型設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)緊湊。因其巡檢工況為高濕度、高壓力的大流量液壓區(qū)域，所以外殼需具備良好的抗沖擊性及防水性能。外殼材料選用強度高、耐腐蝕性良好、重量輕的碳纖維復合材料；殼體接縫處設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)部安裝有密封條；殼體上所有連接件、緊固件全部加裝密封圈，以防液體滲入巡檢機器人殼體。一些外置傳感器使用透明防霧玻璃罩進行保護。

2.2 自動導航功能

2.2.1 巡檢路線

在地面敷設(shè)磁條來規(guī)定巡檢機器人的巡檢路線。巡檢機器人的中心線兩側(cè)相同位置上安裝磁條傳感器以實時采集路面磁條信號，采集的磁條信號經(jīng)過診斷模塊判斷，確定小車是否偏離磁條。中央處理模塊接收診斷模塊信息進行處理并傳遞信息到控制模塊，控制模塊控制步進電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)巡檢機器人直行或轉(zhuǎn)彎。

當小車中心未偏離地面敷設(shè)磁條時，小車兩側(cè)磁條傳感器采集信號相同，控制模塊控制巡檢機器人4個車輪的步進電機以相同的速度運轉(zhuǎn)，小車直線向前運動。當小車中心偏離地面敷設(shè)磁條時，小車兩側(cè)磁條傳感器采集信號出現(xiàn)差值，控制模塊控制巡檢機器人4個車輪的步進電機一側(cè)制動，一側(cè)正常運轉(zhuǎn)，巡檢機器人進行轉(zhuǎn)向。自動導航系統(tǒng)尋跡方法如圖2所示。

圖2 自動導航系統(tǒng)尋跡方法

2.2.2 起點終點選擇

地面敷設(shè)的磁條上粘貼RFID標簽，而巡檢機器人上安裝了RFID射頻識別標簽卡讀寫器用來掃描讀取RFID標簽。每個RFID標簽寫入不同的ID號和定義，都可以作為巡檢機器人巡檢路線的起點或終點；RFID標簽位置固定，當巡檢機器人經(jīng)過RFID標簽時，上位機軟件可以對巡檢機器人進行精準定位。

2.2.3 實時定位

驅(qū)動系統(tǒng)中選用步距角1.8°的步進電機，步進驅(qū)動器不設(shè)置細分。步進電機旋轉(zhuǎn)一周需要360°/1.8°=200個脈沖信號。由上位機統(tǒng)計步進電機脈沖信號數(shù)量，計算出巡檢機器人實時位移量=絕緣靜音車輪周長×脈沖信號數(shù)量/200，從而實現(xiàn)對巡檢機器人實時位置的確定，并通過RFID標簽定位對其進行校準。

2.3 無線通訊功能

2.3.1 設(shè)備與巡檢機器人間無線通訊

本文選用成本低、運行穩(wěn)定的ZigBee無線通訊技術(shù)，在運行設(shè)備上安裝ZigBee無線通訊模塊與設(shè)備主機或傳感器連接，巡檢機器人上安裝ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee無線通訊模塊。通過ZigBee協(xié)調(diào)器進行ZigBee無線通訊模塊組網(wǎng)，使得每個ZigBee無線通訊模塊在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)能夠與其他多個ZigBee無線通訊模塊無線連接，自動中轉(zhuǎn)其他ZigBee無線通訊模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實現(xiàn)每個ZigBee無線通訊模塊之間相互通訊，確保設(shè)備的各項運行數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸至巡檢機器人。

2.3.2 巡檢機器人與上位機間無線通訊

因傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸距離遠，為保證實現(xiàn)對巡檢機器人的精準控制，故選用高效率、低延時、遠傳輸?shù)?G無線通訊技術(shù)。在巡檢機器人上安裝5G無線通訊模塊，根據(jù)現(xiàn)場工況選擇5G基站安裝地點。5G基站提供無線覆蓋，實現(xiàn)巡檢機器人與上位機間的無線通訊：巡檢機器人將采集的設(shè)備運行數(shù)據(jù)及高清攝像儀采集的高清視頻傳遞至上位機；上位機發(fā)出信號，選擇巡檢機器人巡檢路徑及控制高清攝像儀轉(zhuǎn)動。

2.4 數(shù)據(jù)診斷及故障處理功能

2.4.1 數(shù)據(jù)診斷及報警

信息采集系統(tǒng)中巡檢機器人上安裝的各傳感器采集數(shù)值送至診斷模塊進行判斷，當各傳感器采集數(shù)值正常時，巡檢機器人正常運行；當有傳感器采集數(shù)值異常時，巡檢機器人步進電機急停，同時警報燈亮起，蜂鳴器工作。當傳感器采集數(shù)值恢復正常后，經(jīng)診斷模塊判斷，巡檢機器人自動恢復運行。

2.4.2 設(shè)備故障應(yīng)急處理

無線通訊系統(tǒng)中ZigBee無線通訊模塊采集設(shè)備各項運行數(shù)據(jù)，運行數(shù)據(jù)經(jīng)診斷模塊判斷無誤后發(fā)送給中央處理模塊，再由中央處理模塊通過5G無線通訊模塊發(fā)送至上位機軟件。運行數(shù)據(jù)經(jīng)診斷模塊判斷發(fā)現(xiàn)故障時，診斷模塊直接通過ZigBee無線通訊模塊向故障設(shè)備發(fā)送急停信號，控制設(shè)備急停，同時警報燈亮起，蜂鳴器工作。當設(shè)備恢復正常后，需重啟巡檢機器人。圖3為故障應(yīng)急處理流程。

圖3 故障應(yīng)急處理流程

2.5 實時監(jiān)控功能

攝像儀選用可360°旋轉(zhuǎn)、90°俯仰且可變焦的高清攝像儀，將高清攝像儀裝至巡檢機器人上，操作人員根據(jù)實際觀察需求，操作上位機軟件發(fā)出指令，巡檢機器人通過5G無線通訊模塊接收指令信息，將信息傳遞至中央處理模塊，中央處理模塊向控制模塊傳遞信息，由控制模塊控制驅(qū)動系統(tǒng)中的直線電機運動，調(diào)節(jié)高清攝像儀的垂直高度，并控制高清攝像儀旋轉(zhuǎn)、俯仰，實現(xiàn)360°無死角監(jiān)控。

3 應(yīng)用效果

巡檢機器人具備高清視頻傳輸、設(shè)備運行數(shù)據(jù)記錄、故障急停等關(guān)鍵功能，滿足大流量液壓區(qū)域內(nèi)巡檢工作需求，既能采集工況信息，又能與運行設(shè)備數(shù)據(jù)互通采集設(shè)備運行信息，且具有運行穩(wěn)定性高、可進行采集數(shù)據(jù)分析、檢測故障報警并急停設(shè)備、安全可靠性高等優(yōu)勢，可以代替人工巡檢，解決了高危工況下人工巡檢危險度高的難題，同時解放了勞動力。圖4為其實際應(yīng)用圖。

圖4 實際應(yīng)用