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        用于輸煤廊道的智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)

        2024-01-05 08:04:00高亞磊趙松璞
        自動化與儀表 2023年12期
        關(guān)鍵詞:廊道軌道監(jiān)控

        高亞磊,侯 楠,趙松璞

        (1.華電忻州廣宇煤電有限公司,忻州 034000;2.深圳市朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司,深圳 518000)

        目前,輸煤廊道巡檢工作存在巡視盲區(qū)和效率低下的問題,使用人工巡視方式容易發(fā)生巡視疏漏和嚴(yán)重事故[1]。此外,輸煤廊道中的主要運(yùn)行設(shè)備皮帶機(jī)和托輥軸承的潤滑不及時容易導(dǎo)致故障,進(jìn)而引發(fā)快速升溫和火災(zāi)風(fēng)險。其中,皮帶材料是橡膠,在高溫情況下容易產(chǎn)生安全隱患。另外,輸煤廊道容易受環(huán)境因素影響,如惡劣天氣和地震,會影響輸煤廊道的運(yùn)行可靠性。夏季雨水過多時,輸煤廊道容易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害,威脅設(shè)備正常運(yùn)行和工作人員安全[2]。這些問題給輸煤廊道的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。

        智能巡檢機(jī)器人頻繁應(yīng)用于變電站、交通物流以及煤礦等眾多場合中。為了提升輸煤廊道的監(jiān)管水平,避免輸煤廊道出現(xiàn)安全事故,維持輸煤廊道內(nèi)輸煤皮帶等設(shè)備的安全可靠運(yùn)行狀態(tài),設(shè)計智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng),實現(xiàn)輸煤廊道的日常監(jiān)管。

        1 智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)

        1.1 智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)總體設(shè)計

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)主要包括軌道傳動模塊、機(jī)器人本體、通信模塊、供電動力模塊以及監(jiān)控平臺,如圖1 所示。機(jī)器人本體搭載了高清攝像頭、溫度傳感器和聲音傳感器等傳感器,通過這些傳感器采集輸煤廊道的圖像信息[3]、溫度信息等環(huán)境數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過通信模塊傳送至監(jiān)控平臺,為輸煤廊道管理人員提供實時環(huán)境數(shù)據(jù),實現(xiàn)輸煤廊道的實時監(jiān)控。

        圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of system

        1.2 智能巡檢機(jī)器人

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)中,智能巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖2 所示??梢钥闯?,智能巡檢機(jī)器人包括車廂、靜音底盤、同步帶、動力總成等部分。智能巡檢機(jī)器人設(shè)置了同步帶和同步輪的天然橡膠輪胎,保障機(jī)器人巡檢時不發(fā)出噪聲。智能巡檢機(jī)器人內(nèi)設(shè)置金屬定位片以及定位芯片,為系統(tǒng)的監(jiān)控平臺提供實時位置[4]。巡檢機(jī)器人中搭載了溫濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、一氧化碳傳感器等多個傳感器,為監(jiān)控平臺提供全面的環(huán)境信息。

        圖2 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of inspection robot

        智能巡檢機(jī)器人中搭載的輸煤廊道巡檢的傳感器如圖3 所示。

        圖3 巡檢機(jī)器人搭載傳感器Fig.3 Inspection robot is equipped with sensors

        智能巡檢機(jī)器人在巡視系統(tǒng)中,主要包括如下功能:

        (1)定位導(dǎo)航。智能巡檢機(jī)器人搭載了定位芯片。在輸煤廊道中預(yù)先吊裝軌道,利用二維碼在巡檢機(jī)器人上設(shè)置特征標(biāo)識點,在機(jī)器人沿軌道行走以及定點運(yùn)行時,可以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。采用軌道導(dǎo)航定位技術(shù),不受環(huán)境等因素影響,適用于復(fù)雜環(huán)境的輸煤廊道中。

        (2)圖像分析。圖像分析技術(shù)是輸煤廊道巡檢的重要部分。將具有較高清晰度的高清可見光攝像頭,搭載于智能巡檢機(jī)器人中。利用高清的可見光攝像頭,采集輸煤廊道圖像[5]。利用圖像識別、目標(biāo)檢測等圖像識別技術(shù),識別輸煤廊道中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。由于輸煤廊道中包含眾多不同類型設(shè)備,設(shè)備型號繁多,需要高識別性能的識別算法,保障巡檢目標(biāo)識別的高效性。采用深度學(xué)習(xí)算法等人工智能技術(shù),實現(xiàn)輸煤廊道內(nèi)設(shè)備的快速精準(zhǔn)識別。

        巡檢機(jī)器人可以依據(jù)預(yù)先設(shè)定的巡檢任務(wù),自動規(guī)劃巡檢路徑,完成巡檢任務(wù)[6]。巡檢機(jī)器人設(shè)置了360°全方位的云臺攝像頭。巡檢機(jī)器人具備自動化報警功能,可將故障信息及時上報至監(jiān)控平臺。機(jī)器人設(shè)置了防碰撞接觸裝置,巡檢機(jī)器人與人或障礙物距離過小時,及時發(fā)出報警,避免機(jī)器人與障礙物出現(xiàn)碰撞。

        1.3 系統(tǒng)軌道傳動模塊設(shè)計

        設(shè)計智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)的軌道傳動模塊時,需要充分考慮輸煤廊道的特殊環(huán)境信息,依據(jù)輸煤廊道內(nèi)設(shè)備布置方式、設(shè)備架構(gòu)、廊道環(huán)境和廊道走勢,設(shè)計便于機(jī)器人巡檢的軌道系統(tǒng)。采用高強(qiáng)度鋁合金材料作為傳動模塊的軌道型材料。軌道安裝時,可以采用拼接方式。依據(jù)輸煤廊道地形設(shè)計軌道坡度和軌道的彎曲度。軌道傳動模塊采用的材料需要具有較高的抗磨損性能和抗腐蝕性能。軌道傳動模塊設(shè)置鋼質(zhì)防火門,利用配套的電控模塊控制防火門啟閉。軌道傳動模塊的防火門為常閉狀態(tài)。機(jī)器人穿越時,向電動模塊發(fā)送信號,電動模塊控制防火門自動化開啟,直至機(jī)器人完成防火門穿越后,電動模塊控制防火門自動化關(guān)閉。

        1.4 系統(tǒng)通信模塊

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)中的通信模塊起著關(guān)鍵的作用。該模塊可將機(jī)器人采集的信息傳送至監(jiān)控平臺,并實現(xiàn)與輸煤廊道中的其他設(shè)備的實時通信。為確保通信的可靠性,系統(tǒng)在輸煤廊道中設(shè)置了多個通信基站,構(gòu)建無線局域網(wǎng),以提升通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡和帶寬。通過高效的通信性能,機(jī)器人與監(jiān)控平臺之間可以實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸,保障巡視任務(wù)的順利進(jìn)行。這一通信模塊的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

        圖4 通信模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of communication module

        1.5 智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)軟件設(shè)計

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)軟件設(shè)計時,需要考慮系統(tǒng)機(jī)器人本體嵌入微控制器的控制軟件設(shè)計,以及監(jiān)控平臺的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示與操控軟件設(shè)計。機(jī)器人本體的微控制器,利用軟件設(shè)計控制機(jī)器人自主往返巡檢,對巡檢過程中存在的異常位置進(jìn)行定位與復(fù)檢。機(jī)器人利用搭載的傳感器和攝像頭采集的數(shù)據(jù),需要同時傳送至數(shù)據(jù)存儲模塊,利用通信模塊通過構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)傳送至輸煤廊道管理人員的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺,實現(xiàn)輸煤廊道的實時監(jiān)測。選取Visual Basic/Visual C++的集成開發(fā)軟件,開發(fā)系統(tǒng)的控制軟件以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示軟件,實現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)器人本體與監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)、圖像傳輸,以及數(shù)據(jù)、圖像的顯示與存儲。系統(tǒng)監(jiān)控平臺的軟件設(shè)計主要包括以下內(nèi)容:

        (1)圖像顯示模塊。利用圖像顯示模塊的軟件設(shè)計,實時顯示機(jī)器人搭載的攝像頭采集的輸煤廊道現(xiàn)場圖像;

        (2)皮帶問題分析顯示模塊。利用皮帶問題分析顯示模塊,顯示機(jī)器人巡檢輸煤廊道的環(huán)境信息以及皮帶信息;

        (3)機(jī)器人運(yùn)動控制模塊。通過機(jī)器人運(yùn)動控制軟件設(shè)計,實現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動模式的選擇,設(shè)置自主定位復(fù)檢等巡檢功能;

        (4)機(jī)器人狀態(tài)模塊。利用機(jī)器人狀態(tài)模塊實時顯示機(jī)器人的運(yùn)行速度與位置信息,控制機(jī)器人運(yùn)行速度;

        (5)視頻分析模塊。利用視頻分析模塊,顯示輸煤廊道的實際運(yùn)行狀態(tài),檢測電子圍欄、輸煤皮帶人員是否存在翻越情況,以及是否存在未佩戴安全帽的人員。

        機(jī)器人軟件設(shè)計包括本體嵌入軟件和遠(yuǎn)程控制軟件,診斷、控制巡檢機(jī)器人,實現(xiàn)上位機(jī)通信功能。系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計的機(jī)器人巡檢程序流程如圖5所示。利用機(jī)器人本體嵌入式控制軟件,控制與診斷機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài),實現(xiàn)上位機(jī)的通信。本體嵌入式控制軟件,初始化系統(tǒng)的底層配置,完成底層配置初始化后,對應(yīng)用層進(jìn)行初始化,包括傳感器數(shù)據(jù)采集以及上位機(jī)通訊等數(shù)據(jù)的初始化。利用循環(huán)程序執(zhí)行處理函數(shù)、命令執(zhí)行函數(shù)以及通訊處理函數(shù)。

        圖5 上位機(jī)巡檢程序流程Fig.5 Flow chart of PC inspection program

        2 實例分析

        選取某集團(tuán)發(fā)電有限公司的輸煤廊道作為系統(tǒng)測試對象。針對該電廠輸煤廊道設(shè)計的智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng),主要設(shè)備設(shè)置情況如表1所示。

        表1 智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)主要設(shè)備Tab.1 Main equipment of patrol system of intelligent inspection robot

        依據(jù)表1 的設(shè)備設(shè)置情況,構(gòu)建智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)。

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)中,巡檢機(jī)器人的現(xiàn)場圖如圖6 所示??梢钥闯觯悄苎矙z機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)設(shè)置的智能巡檢機(jī)器人,成功搭載在輸煤廊道中。智能巡檢機(jī)器人利用搭載的攝像頭,采集輸煤廊道的圖像信息以及環(huán)境信息,為輸煤廊道的智能巡檢提供良好的基礎(chǔ)。

        圖6 輸煤廊道巡檢機(jī)器人現(xiàn)場Fig.6 Field picture of inspection robot in coal transport corridor

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)中,巡檢機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

        表2 巡檢機(jī)器人參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings of inspection robot

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)對輸煤廊道進(jìn)行巡檢,系統(tǒng)環(huán)境溫度監(jiān)測的運(yùn)行界面如圖7 所示。從圖7 系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出,所設(shè)計系統(tǒng)利用軟件設(shè)計程序,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行界面圖中,有效顯示了輸煤廊道的環(huán)境溫度信息,實現(xiàn)輸煤廊道環(huán)境溫度的實時監(jiān)測。輸煤廊道管理人員,可以依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的界面圖,分析輸煤廊道的環(huán)境溫度運(yùn)行狀態(tài)。

        圖7 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.7 System operation interface

        智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)的監(jiān)控平臺,依據(jù)機(jī)器人平臺上傳的數(shù)據(jù),判斷輸煤廊道狀態(tài)。分析機(jī)器人采集的聲音數(shù)據(jù),判斷輸煤廊道設(shè)備是否存在異響,判斷輸煤廊道設(shè)備存在異響時及時報警。傳感器上傳的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號如圖8 所示。

        圖8 輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號分析Fig.8 Sound spectrum signal analysis of coal corridor equipment

        分析圖8 的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號,輸煤廊道設(shè)備出現(xiàn)故障時,設(shè)備的聲音頻譜信號將出現(xiàn)異常。圖8(a)中的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號具有較高的規(guī)律性,表明輸煤廊道設(shè)備為正常運(yùn)行狀態(tài);圖8(b)中的輸煤廊道設(shè)備聲音頻譜信號呈現(xiàn)規(guī)律的異常聲音信號,信號存在諧波情況。圖8 實驗結(jié)果驗證,系統(tǒng)可以利用所采集的輸煤廊道設(shè)備的聲音頻譜信號,分析輸煤廊道設(shè)備是否存在異常。

        3 結(jié)語

        針對輸煤廊道設(shè)計智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)時,需要充分考慮輸煤廊道的實際應(yīng)用環(huán)境。設(shè)計的智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)需要具備實時巡檢功能,同時具備振動測試功能等眾多功能。利用機(jī)器人巡檢方式,代替人工巡檢方式,充分發(fā)揮機(jī)器人的巡視功能,提升輸煤廊道的巡檢效率,為燃煤電廠中煤炭的正常輸送提供可靠保障。所設(shè)計的智能巡檢機(jī)器人自動化巡視系統(tǒng)有效降低輸煤廊道的人工作業(yè)成本,響應(yīng)智能電站的建設(shè)要求。

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