基于紅外感知技術的電線電纜檢測機器人研究

蔣煒華　姚景昆

摘要：針對當前電纜檢測難度大、人工檢測效率低的特點，本文提出基于紅外感知機器人的研究，并分別對機器人本體部分、控制部分以及抗干擾部分提出研究方案及對策。經現場測試，設計的蛇形機器人能夠滿足當前電纜安全檢測的需要，有較大的實用價值。

關鍵詞：紅外;電線電纜;檢測

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0064-02

1 研究背景

隨著信息化社會的建設與發展，電力電纜供電網絡也得到快速發展，規模龐大的地下供電網絡，電纜分布眾多，如何在發展的同時對電纜進行安全檢查是保障電網工作可靠的前提。當前我國電線電纜檢修主要以人工檢查為主，由于線路檢測不方便，且存在各種特殊情況，所以極易引發安全事故。同時，人工檢測效率過于低下，不能滿足日常檢修工作量要求，甚至對于一些狹窄區域或者深埋地下的電纜無法進行有效檢測，這也導致了在出現故障時無法第一時間檢測。

上世紀60年代以法國、日本為代表的一些國家開始進行較復雜工程任務的高效能管道機器人研究，并取得了一定的成果。但國外檢測機器人價格昂貴，且電纜溝實際情況與我國并不相同，不適用于我國的實際使用環境。同時，由于國內管道機器人研究時間較短，在精確性、穩定性、適應性等方面還存在很大的差距。

2 方案設計

本設計為能在60mm×60mm的電纜溝內行駛的電線電纜故障預警檢測蛇形機器人設計，由于蛇形機器人模擬自然界蛇的無肢結構且具有多自由度、多冗余自由度的特點可以適應復雜多變的環境。在機器人頭部，安裝有紅外檢測儀，同時可以安裝其他裝置，在進入預檢測區域之后，該機器人會將頭部抬起，并可360度旋轉，以便更好地檢測地下電纜的問題。

2.1 機械本體部分設計

根據現場情況及設計目標，結合機器人的功能需求將機器人機械本體部分分為兩大部分：前端檢測部分和主體部分。

（1）前端監測部分：前端監測部分和主體部分以轉動關節聯接，通過電機控制與主體部分的相對旋轉。工作時，前端監測部分抬高90度，使得安裝在前端監測部分的設備能夠監測到相關信號;在需要穿過防火墻孔洞時，控制電機使得前端監測部分與主體部分保持直線，以順利穿越。

（2）主體部分：將主體部分分為上下兩層，上下兩層之間的相對位置可以相互調節。主體部分實現驅動、轉彎、以及為整個裝置提供動力源等功能。正常工作時，下層在溝內行走，上層在溝外側起輔助平衡作用;需要轉彎時，下層向上提升，上下兩層合并成一個整體，由上層驅動轉彎，以實現溝道外轉彎;需要穿越防火墻孔洞時，上層位于溝道外側的輪子縮回體內，上層下沉，上下層合并為一個整體，整個機器人呈現細長的蛇形，完成孔洞穿越。

完成各部分運動的機構設計方案如下：

1）行走機構：機器人正常工作時在電纜溝內行走，采用后輪驅動方式進行。在溝槽內行駛時，通過該電機驅動和減速器作用，實現機身的運動。

2）轉向機構：當機器人需要轉彎時，由于溝道限制，必須在溝道外轉彎，否則會卡死，因此必須有能夠在溝道外部行走的輔助溝道轉彎的輔助轉彎機構。該轉向機構安裝在上半車身。

3）高度調節機構：機器人在轉彎時，本體部分必須在電纜溝外，否則轉彎時必定卡死。該機構在工作時，負責將機器人本體抬升到電纜溝與周圍地面平齊位置。在轉彎后，能夠讓機器人本體在溝道內繼續行走。

4）輔助輪收縮機構：機器人在穿越防火墻60mm×60mm的孔洞時，主體部分上下層高度調節，上層下沉，同時上層的輪子收縮回機器人體內，完成穿越。

5）前端抬升機構：機器人在正常工作時，前端部分需要抬起60-70mm的高度，以便紅外探測儀采集信號;但在機器人穿越防火墻孔洞時，則要求前端部分與本體部分保持一條直線，以便順利完成穿越。如圖1所示。

2.2 控制部分設計

機器人的控制系統采用了模塊化設計，由電機驅動模塊、傳感器模塊、SD卡記憶模塊等多個模塊共同組成。機器人在運動過程中，傳感器檢測到彎道或者防火墻時，信息會發送至主控制器MCU然后在通過輸入輸出端口控制電機，使得機器人做出相應的調整。在完成該項操作時，能夠恢復原有的運動狀態。其控制流程圖如圖2所示。

（1）電機驅動模塊。采用LD1117三端穩壓器及MIC5207電源模塊，分別對MCU進行供電，以保證主控制電的穩定性。同時加入了自恢復保險絲和反接二極管，充分保護MCU。

（2）傳感器模塊。當熱釋電紅外傳感器收到紅外輻射源的照射時，其內部敏感材料的溫度將升高，極化強度減弱，表面電荷減少，形成熱釋電電荷。由于熱釋電電荷經電路轉變成的輸出電壓也同樣可以反映出材料溫度的變化，從而探測出紅外輻射能量的變化。

（3）SD卡記憶模塊。該機器人預期使用控制內置系統內置FLASH ROM存儲芯片，以便能隨時記錄采集來的數據，方便對電纜的情況進行隨時匯報。

2.3 抗干擾設計

對于現場的干擾可以通過屏蔽的方法加以抑制，本設計主要針對電場干擾，電磁場干擾進行抗干擾處理。

（1）電場屏蔽。使用接地的金屬體包裹控制板，金屬體可以是很薄的金屬箔，屏蔽體對地直接接地。采用盒形和全封閉的屏蔽體。

（2）電磁場屏蔽。電磁場屏蔽是靠對電磁波的反射和吸收來完成的，屏蔽效果與屏蔽體的厚度無關。選擇屏蔽體材料的原則是：當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產生的渦流形成抵消作用;當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去;在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料和磁材料組成多層屏蔽體。

（3）通信方式。采用NBIoT的通信方式，通信覆蓋增強，通信頻率在800KHz左右，帶寬較窄，所以受干擾相對較小。并且在天線處采用濾波器，防雷擊浪涌處理。

3 項目創新點

本設計的蛇形機器人，在其前端安裝有紅外熱像儀，工作時將前半段抬升，使得熱像儀和上方的電纜近距離接觸，以達到檢測其溫度的效果。其后半部分是驅動部分，分為上下兩個部分，且這兩部分的相對高度可以自由調節，其收縮時可通過防火墻下的孔洞。在通過彎道時，電纜溝容易把機器人卡死，無法轉彎，因此，該機器人可以通過上下部分的高度調節來實現溝外轉彎。經現場測試，設計的蛇形機器人能夠滿足當前電纜安全檢測的需要，有較大的實用價值，創新點如下：

（1）蛇形機器結構的設計：目前市場上沒有可檢測電纜溫度的機器人，與現有的檢測機器人相比，蛇形設計可以靈活穿越防火墻，實現橫向和縱向尺寸調節。

（2）機身自身高度的調節：因為電纜溝內部環境的局限性，機身通過上下伸縮的機構，可自行調節機身的高度，以便于更加安全的實現轉彎和穿越防火墻。

（3）機身兩側的車輪伸縮調節：利用齒輪齒條進行橫向的伸縮，來調節機身的寬度，以便出穿越防火墻孔洞。

參考文獻

[1] 章程.蛇形微型探測器探究[J].機電信息，2018（9）：43-45.

[2] 連海山，禤景文，陳妙妹.六自由度蛇形機器人設計與控制系統開發[J].嶺南師范學院學報，2017（12）：63-69.

Research on Wire and Cable Detection Robot Based on Infrared Sensing Technology

JIANG Wei-hua，YAO Jing-kun

（Henan Institute of Technology，Henan Xinxiang? 453003）

Abstract：In view of the difficulty of cable detection and the low efficiency of manual detection， this paper puts forward the research based on infrared sensing robot， and puts forward the research plan and Countermeasures for the robot body， control part and anti-interference part respectively. Through field test， the designed snake-like robot can meet the needs of current cable safety detection， and has great practical value.

Key words：infrared; wire and cable;detection