劉尚珺

（國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

1 無線巡檢機(jī)器人的應(yīng)用

城市基礎(chǔ)設(shè)施檢修中，需在污水井、采暖管道、雨水管道內(nèi)進(jìn)行檢修。如果對管道或受限空間內(nèi)部氣體、壓力等情況不了解，盲目下井存在嚴(yán)重的人身安全隱患，可能危及工作人員的生命。利用無線巡檢機(jī)器人完成巡檢工作可以避免人身安全風(fēng)險。無線巡檢機(jī)器人可以對城市管廊的現(xiàn)場視頻畫面、環(huán)境溫、濕度以及有毒、有害氣體濃度等要素進(jìn)行不間斷采集，實(shí)現(xiàn)無線巡檢機(jī)器人對城市綜合管廊的巡檢，并針對其他固定式在線監(jiān)測系統(tǒng)無法完全覆蓋的情況進(jìn)行有效補(bǔ)充。

系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備和監(jiān)控中心設(shè)備兩部分組成?，F(xiàn)場設(shè)備部署在管廊電力通信艙、綜合艙部分部署在最外側(cè)電力艙，包括巡檢機(jī)器人、機(jī)器人軌道、分布式充電器、機(jī)器人防火門及防火門控制器等設(shè)備。

巡檢機(jī)器人采用懸掛軌道安裝方式，搭載紅外熱像儀、可見光高清攝像機(jī)、氣體檢測儀、溫濕度傳感器、停障系統(tǒng)等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)自動檢測、遠(yuǎn)程控制、智能識別以及人機(jī)交互等功能。

機(jī)器人軌道型材由高強(qiáng)度鋁合金制作，采用預(yù)埋施工的方式安裝在管廊中部頂面。在進(jìn)料口等特殊位置需采用弧軌避開特殊口，通過分段拼接方式進(jìn)行延伸，并可根據(jù)管廊具體情況設(shè)置彎曲度和坡度。在爬坡時，通過機(jī)器人車體上的自動張緊裝置實(shí)現(xiàn)車輪和軌道的自動張緊，從而增大摩擦力。

1.1 涵洞邊溝檢測

在涵洞邊溝內(nèi)空間狹小、環(huán)境無光。為滿足此類檢測環(huán)境，管道機(jī)器人配備了照明系統(tǒng)，以保證視頻拍攝清晰度。遇到邊溝內(nèi)地勢不平的環(huán)境時，機(jī)器人的防振系統(tǒng)可以保證拍攝視頻無劇烈晃動，使監(jiān)控人員能更好地通過視頻發(fā)現(xiàn)邊溝內(nèi)的問題所在。

懸掛機(jī)器人在行走的同時可以轉(zhuǎn)換信號采集和傳輸方式，無需使用傳統(tǒng)機(jī)器人控制器即可完成PAD 無線操控，將視頻信號高效地采集、傳輸至電腦軟件，實(shí)時顯示管道內(nèi)部情況。

機(jī)器人搭載有氣體檢測模塊，可以通過遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人對管道以及箱涵、污水井等不同區(qū)域的有毒氣體和環(huán)境溫度等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，彌補(bǔ)了固定監(jiān)測裝置檢測范圍小等缺點(diǎn)。當(dāng)有害氣體超標(biāo)或環(huán)境溫度異常時，機(jī)器人會自動報警，并將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

1.2 井內(nèi)檢測

對于井內(nèi)檢測等特殊情況，需要機(jī)器人探測障礙物并避讓管線。機(jī)器人搭載有紅外避障系統(tǒng)，可以在探測到障礙物后進(jìn)行自動避障，也可以通過控制器人轉(zhuǎn)彎、后退，進(jìn)行人工避障。

2 無線巡檢機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究

2.1 有毒氣體檢測機(jī)器人研究

研究有毒氣檢測機(jī)器人在受限空間內(nèi)對有毒氣體檢測的功能，并通過室內(nèi)測試與室外環(huán)境測試進(jìn)行完善優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)受限空間頂部、中部和底部的全方位檢測目標(biāo)，對受限空間內(nèi)部的CO、H2S、O2、可燃?xì)怏wEx、CO2、NOx等濃度進(jìn)行實(shí)時檢測。

2.2 機(jī)器人無線控制技術(shù)研究

研究機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)的需求，創(chuàng)建局域網(wǎng)，滿足控制系統(tǒng)運(yùn)行的通信需求。利用電池動力系統(tǒng)架設(shè)內(nèi)部控制信號網(wǎng)絡(luò)，通過筆記本電腦或其他終端（手機(jī)）操控軟件，直接對電池動力系統(tǒng)發(fā)出控制信號，動力系統(tǒng)接收到命令后傳送至機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎等動作。

2.3 高清視頻畫面?zhèn)鬏敿夹g(shù)研究

早期視頻采集設(shè)備采用模擬信號進(jìn)行傳輸，抗干擾能力較差。利用數(shù)字信號代替模擬信號進(jìn)行傳輸，對時延擴(kuò)展有較強(qiáng)的保持信號完整性的能力，減少信號間干擾的影響，實(shí)現(xiàn)了高清視頻的無延時采集和傳輸，提高檢測精度。

2.4 檢測軟件研究

研制采集數(shù)據(jù)分析及評估軟件，實(shí)時高清視頻畫面拍攝、視頻數(shù)據(jù)采集、終端控制等功能，可對檢測視頻文件進(jìn)行播放預(yù)覽、添加檢測信息、截取缺陷圖像、判讀描述等。將判讀結(jié)果數(shù)據(jù)自動生成為圖文形式的檢測報告，包括項(xiàng)目信息、工程概況、有毒氣體含量等參數(shù)。轉(zhuǎn)換使用預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)接口，能嵌入GIS 系統(tǒng)，提供電子地圖查閱功能，在電子地圖中標(biāo)注出作業(yè)點(diǎn)的位置，實(shí)時對作業(yè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，并將缺陷分布圖導(dǎo)出為網(wǎng)頁格式，以供數(shù)據(jù)上報、分閱。

3 無線巡檢機(jī)器人功能研究

3.1 高溫預(yù)警功能

在管廊/管道中，電纜、接地線等溫度異常主要體現(xiàn)在電流致熱型，而電纜接頭是電流致熱與電壓致熱都可能存在的混合模式，往往導(dǎo)致設(shè)備溫度升高，因此對設(shè)備的溫度測量與監(jiān)控至關(guān)重要。

（1）對于管廊內(nèi)交叉接地箱、電纜接頭、接地線等易發(fā)熱的關(guān)鍵輸電設(shè)備，需要對其進(jìn)行實(shí)時溫度監(jiān)控。

（2）機(jī)器人在測溫過程中檢測到異常發(fā)熱點(diǎn)時，將自動啟動系統(tǒng)高溫報警功能，提示控制人員實(shí)施進(jìn)一步的故障排查。

（3）在設(shè)備運(yùn)行期間對其進(jìn)行高溫預(yù)警監(jiān)控。

（4）系統(tǒng)輸電線路過負(fù)荷等情況下，尤其需要對相應(yīng)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行溫度檢測。

3.2 環(huán)境信息采集功能

管廊內(nèi)因通風(fēng)條件差、溫度高、易積水等問題，容易出現(xiàn)有害氣體含量超標(biāo)的情況，形成人身安全和設(shè)備運(yùn)行隱患。管廊/管道巡檢機(jī)器人自身攜帶環(huán)境監(jiān)測模塊，可以實(shí)時監(jiān)測管廊中O2、H2S、CO、CH4等氣體的濃度及溫度、濕度、煙霧等環(huán)境信息。機(jī)器人能將實(shí)時采集的環(huán)境信息及時傳輸?shù)娇刂浦行?，為控制人員提供現(xiàn)場環(huán)境信息，以利于操控人員的決策。傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器系統(tǒng)的特點(diǎn)有：

（1）采用定制化的專用傳感器，通信接口統(tǒng)一。

（2）傳感器接口采用通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持Modebus 或CANopen 通信協(xié)議。

（3）總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)清晰，線路簡潔，提高系統(tǒng)可靠性。

（4）后續(xù)增加的功能設(shè)備可通過通信總線接入系統(tǒng)，兼容性、可擴(kuò)展性強(qiáng)。

3.3 管廊綜合平臺聯(lián)動功能

城市綜合管廊無線檢測機(jī)器人與機(jī)器人綜合管理平臺之間采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議對接，機(jī)器人綜合管理平臺中有專門針對無線檢測機(jī)器人的定制化智能聯(lián)動業(yè)務(wù)模塊，可通過管廊中的位置信息將機(jī)器人與管廊內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備無縫結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動展示、系統(tǒng)聯(lián)動智能分析、報警智能處理等業(yè)務(wù)。

機(jī)器人綜合管廊管理平臺可以實(shí)時顯示機(jī)器人在管廊中的位置、錄制的視頻、傳感器采集的數(shù)據(jù)等，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并形成相應(yīng)的曲線、報表等進(jìn)行存儲，方便運(yùn)維人員及專家查看分析，同時可以將采集及分析的數(shù)據(jù)上傳至運(yùn)維中心的管廊綜合控制系統(tǒng)平臺。

4 無線巡檢機(jī)器人設(shè)計

無線巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要包括：

（1）智能巡檢機(jī)器人、機(jī)器人軌道、分布式自主充電器、機(jī)器人防火門設(shè)備及配套設(shè)施。

（2）后端管理服務(wù)器、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)管理平臺軟件及與綜合管廊統(tǒng)一管理平臺的通信接口。

（3）無線巡檢機(jī)器人巡檢系統(tǒng)管線材料、吊裝支架套件等附屬材料（包括主材與輔材）。

（4）工程設(shè)備、材料及所有零配件貨物的采購、運(yùn)輸、施工安裝、系統(tǒng)調(diào)試及工程驗(yàn)收、人員培訓(xùn)等，以及為滿足設(shè)計院圖紙要求所產(chǎn)生的工程服務(wù)。

本文設(shè)計的巡檢機(jī)器人采用蓄電池供電方式，車體重量25 kg（圖2）。對無線巡檢機(jī)器人進(jìn)行受力分析（圖3）。

圖2 無線巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖3 無線巡檢機(jī)器人受力分析

圖3 中，F(xiàn)a為機(jī)器人的牽引力，F(xiàn)f為機(jī)器人上坡時所受摩擦力，mg 為機(jī)器人所受重力，F(xiàn)w為機(jī)器人重力沿斜面方向的分力。車輪和斜面的滾動摩擦因數(shù)μ=0.6（橡膠輪和鋼軌）。

對機(jī)器人所需要的牽引力進(jìn)行分析計算：

代入數(shù)據(jù)計算，可得驅(qū)動小車爬坡所需的牽引力Fa=612 N，則所需牽引力矩為M1=Fa×D/2=15.27 N·m，總減速比為K=1∶62，故所需電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為M0=M1×K=0.246 N·m。

根據(jù)上述計算結(jié)果，選用某品牌空心杯電機(jī)，其特性曲線如圖4 所示。該電機(jī)在結(jié)構(gòu)空間安裝、驅(qū)動速度等方面均能滿足設(shè)計要求（圖5）。

圖4 電機(jī)特性曲線

圖5 電機(jī)安裝空間示意

通過以上分析，可以確認(rèn)該管廊巡檢機(jī)器人方案可行。

5 結(jié)束語

城市綜合管廊無線檢測機(jī)器人可以在涵洞邊溝等空間狹小、環(huán)境無光的環(huán)境中使用，可通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程操控，且具有紅外避障系統(tǒng)，能在探測到障礙物后進(jìn)行自動避障，也可以通過人工手動操作控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、后退，實(shí)現(xiàn)人工避障。無線巡檢機(jī)器人可以對管道、箱涵以及污水井等不同區(qū)域的有毒氣體和氣體溫度等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而提高工作效率。