一種電纜隧道巡檢機器人的控制系統研究

成 健 胡力廣 詹威鵬 陳騰彪 孫 風

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市深鵬達電網科技有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著機器人技術的飛速發展，機器人已經越來越多地替代傳統的人檢和物防工作，在減少人們的生命安全隱患的同時，還能有效提升工作效率。機器人在電力行業中的應用越來越普遍，自20 世紀80 年代以來，許多城市逐漸采用地下電纜隧道取代傳統的架空線路方式，因而使用電纜隧道巡檢機器人將大大節省電力公司的人力、物力和財力，更重要的是，它可以大大減少電纜隧道的惡劣環境對檢測人員的傷害。

美國是最早研制出電纜隧道檢測機器人的國家。2005年，華盛頓大學的Bing Jiang 開發了一套名為Rangers 的地下電纜檢測機器人[1]。機器人兩端裝有2 個12 V 直流齒輪電機，采用單平臺多節模塊設計，因而具有穩定的轉向能力。此外，由于采用多分段結構，機器人可以攜帶更多的傳感器。機器人平臺分為2 個部分，分別用于機器人的控制和傳感器的數據處理。該機器人長1.2 m，可沿直徑4 cm～8 cm 的電纜行走，跨越沿途遇到的障礙物，沿電纜爬行并識別故障位置[2-3]。

在我國，由于對機器人的研究和開發越來越重視，一些高校和科研院所在隧道機器人研究方面取得了一定的成果。上海交通大學研發了一款索道履帶機器人，除了配備紅外溫度傳感器外，還有各種類型的氣體傳感器。該機器人通過收集和處理這些設備的數據，可以實時了解電纜隧道中有毒氣體的濃度，并檢測電纜是否損壞。

2012 年，浙江大學研發了一款電纜隧道巡邏機器人。該機器人具有自主檢測、應急處理、遠程監控等功能，可連續工作3.5 h。此外，它還配備了紅外攝像機和溫度、氣體傳感器以及其他感應器，能夠實時監測隧道內的異常情況、溫度和有害氣體，并將隧道內的情況實時上傳到監測中心。因此，機器人可以代替人工巡檢，有效減少人員傷亡，極大地提高了電纜隧道巡檢的效率。

履帶式機器人具有結構簡單、越障性能好等優點，在電纜隧道檢測方面具有巨大的應用潛力。此外，可變式履帶移動機器人的出現，進一步提高了履帶式移動機器人對于地面環境的適應能力。如果可變式履帶移動機器人結合自動適應機制以改變履帶體的形狀，就可以有效地簡化結構和控制系統并降低能耗。此外，如果系統采用模塊化的設計方式，拆卸和維修的難度將會大大降低。

結合以上分析，在分析電纜隧道環境特點的基礎上，該文設計了一款履帶式電纜隧道巡檢機器人，其具有3 個特征。1）機器人動作靈活，爬坡避障能力強。在高溫、有毒有害氣體和其他對人身安全構成威脅的環境下，該機器人仍然能正常巡檢并將實時數據傳遞給監測中心。2）機器人小巧、緊湊且質量輕，便于攜帶和投放工作，同時涉水及防水性能優異[4]。3）機器人能夠采集溫度和有害氣體濃度信息，通過超聲波測距并將這些信息及時傳回控制臺。

1 機器人結構設計

機器人由履帶式底盤、機械臂和攝像機鏡頭組成。機器人本體采用履帶輪臂結構。履帶式車輪臂結構是將車輪運動模式、行走模式和軌跡模式相結合的一種新方式。巡檢機器人結構圖如圖1 所示。

圖1 巡檢機器人結構圖

采用輪臂式結構的機器人兼有輪式、行走式和履帶式機器人的優點，可實現爬樓梯、過溝、越障、轉向等功能，因而巡檢機器人在復雜環境下具有很強的可操作性，二自由度的機械臂負責相機平移和傾斜的升降。可以俯仰旋轉，負責收集、監控路徑。其具體規格見表1。

表1 巡檢機器人規格參數

輪臂結構采用的結構控制方式為4 個輪臂分成2 組，前2 個輪臂是第一組，后2 個輪臂是第二組，每個輪臂的運動方式一致且互不干擾。4 個軌道也分成2 組，左邊2 個軌道是第一組，右邊2 個軌道是第二組，每個軌道固定不變且互不干擾。結構控制方式使機器人的運動更穩定且更靈活。

履帶結構的應用提高了巡檢機器人的越障能力。巡檢機器人可以順利翻越小型障礙物，通過人為操控還可以翻越大型障礙物。此外，履帶可以增加摩擦力，使巡檢機器人獲得更大的驅動力，進而提高了復雜環境的適應能力[5-6]。履帶結構由主動輪、履帶和托輥組成，采用內齒輪傳遞。與傳統履帶底盤相比，簡單履帶底盤具有更強的角度和臺階高度的適應性，行走過程更加平穩。

2 控制系統設計

電纜隧道環境對巡檢機器人的要求主要體現在2 個方面。1）巡檢機器人的工作環境中存在大量的未知因素，控制系統必須能夠獲取可靠的定位信息，對局部環境進行有效識別，從而高效執行動作規劃。2）控制系統需要對傳感器信息進行實時處理，特別是圖像信息，需要對信息進行充分融合。巡檢機器人的工作示意圖如圖2 所示。

圖2 巡檢機器人工作示意圖

機器人控制系統由3 個單片機處理終端組成，分別為MCU1、MCU2 和MCU3。MCU1 使用SPI 標準串口連接PTR8000 全雙工無線通信系統，使其能夠與上位機通信并進行數據交換。MCU2 主要控制四通動力電機和三維旋轉平臺。MCU3 連接溫度傳感器、超聲波測距傳感器和氣體探測器，將模擬信號轉換成數字信號并上傳到MCU1。MCU3 控制圖像采集和處理系統，其信號通過2.4G 微波發射器上傳到上位機。機器人控制系統框圖如圖3 所示。

為了探測電纜隧道的環境條件，巡檢機器人配備了各種傳感器。

2.1 溫度傳感器

機器人借助非接觸式紅外測溫技術可以快速準確地測量出機器人表面的溫度，也可用于測量發熱物、危險品或難接觸物的溫度。

2.2 姿態傳感器

機器人利用傳感器來監測車輪臂的旋轉角度，將磁化后的圓柱形磁鐵放在齒輪箱的一級輪上，借助霍爾傳感器檢測出齒輪的轉動數。單片機記錄從動輪的轉動次數并將其轉換為臂角信息，使其能夠實現精確控制。

2.3 氣體探測器

選擇合適的傳感器作為氣體探測器，保證該探測器對于二氧化碳和甲烷具有很高的靈敏度，且待機時間長、穩定性好。

2.4 攝像機

無線紅外攝像機借由2 個獨立馬達可以實現2 個自由度——旋轉和俯仰。旋轉角度0°～350°，俯仰+350°（相機在0°之上），導航錄像帶可以用來收集圖像。機器人的攝像機采用2.4G 無線發射機超微CCD 芯片，具有優異的信號穩定性和圖像抗干擾性能。此外，使用UTV330+TV 盒子來接收無線攝像機傳輸的圖像信號。

2.5 電機驅動電路

采用驅動電路控制直流電機的旋轉和旋轉校正，設計的驅動方案為使用高功率晶體管驅動直流電機，采用繼電器控制電機的轉動。該方案能耗低，高效簡便并且實用。

2.6 舵機控制

操舵裝置由直流電機、減速齒輪裝置、傳感器以及控制電路組成，用來控制角度和方位，其通過發送脈沖信號來控制電機轉動和輸出轉矩。同時，輸出軸上的電位計探測輸出軸的轉角并且將其轉換成電信號，通過比較該電信號和輸入軸的轉角信號來控制直流電機的旋轉反饋。伺服驅動模組采用高功率MOS 管作為動力元件，驅動模塊采用PWM 方式進行直流電機的速度控制。

3 實驗

在南方電網示范工程隧道，對機器人進行了行走實驗， 將巡檢機器人放置于隧道的入口處，進行上電并建立起無線通信連接，發出指令之后控制機器人運行。在巡檢機器人沿隧道行走的過程中，使用微型紅外攝像頭以及紅外測距傳感器對前方障礙情況進行檢測，如果情況需要，還應通過云臺轉動的方式對拍攝角度進行調整。實驗數據有以下3 個。1）在遙操作模式下，機器人順利通過隧道，未出現危險情況，耗時約42 min。2）自主行走時，機器人可以順利行進300 m，未出現危險情況，耗時約15 min。3）機器人能夠順利自主爬越高88 mm 的門檻，無故障。

4 結語

該文基于現有技術的實際應用，設計了一種微型電纜隧道巡檢機器人，介紹了其主要功能、機械結構和控制系統。在機械結構方面，履帶輪臂結構設計使巡檢機器人的運動性能更優異，使其更適用于諸如電纜隧道的復雜環境。在控制系統方面，控制電路結構簡單、抗干擾能力強、穩定性強。實驗結果證實，微型巡檢機器人能夠滿足電纜隧道環境的工作要求。

圖3 巡檢機器人控制系統框圖