一種城市地下綜合管廊巡檢機器人系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳文濤，劉飛飛，代云勇，陳臻陽，彭輝輝

（1.江西理工大學(xué) 電氣自動化與工程學(xué)院，贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

城市地下綜合管廊，將電力、通訊，燃氣、供熱、及排水等各種工程管線集于一體，設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一建設(shè)和管理。城市地下綜合管廊解決了城市發(fā)展過程中各類管線的維修、擴容造成的“拉鏈路”和空中“蜘蛛網(wǎng)”的問題，對提升城市總體形象，創(chuàng)造城市和諧生態(tài)環(huán)境起到了積極推動作用。城市地下綜合管廊已成為21世紀城市現(xiàn)代化建設(shè)的熱點和衡量城市建設(shè)現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一。自2015年起我國就開始大力投資建設(shè)城市地下綜合管廊。根據(jù)測算，未來地下綜合管廊需建8000公里，若按每公里1.2億元測算，投資規(guī)模將達1萬億。城市地下綜合管廊是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。巡檢是保證城市地下管廊安全運行的最主要手段。傳統(tǒng)的人工巡檢費時費力，應(yīng)對緊急事件不能第一時間進行處理，巡檢數(shù)據(jù)還常常因為人為主觀意識而產(chǎn)生誤差，同時人工巡檢還存在人身安全風(fēng)險。因此迫切需要將智能巡檢機器人技術(shù)運用到城市地下綜合管廊的日常巡檢作業(yè)當(dāng)中去[1～3]。所以研制了一種城市地下綜合管廊智能巡檢機器人。相比于傳統(tǒng)的人工巡檢，使用巡檢機器人巡檢系統(tǒng)進行管廊的巡檢和管理作業(yè)，將最大限度的減少人力成本，大大降低安全風(fēng)險，同時增加巡檢數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。面對緊急災(zāi)害，巡檢機器可以做出最快的災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)工作，確保城市“生命線”的安全運行[4～6]。本文從實際應(yīng)用的角度出發(fā)闡述了巡檢機器人系統(tǒng)的總體架構(gòu)，介紹了巡檢機器人系統(tǒng)的硬件機構(gòu)和軟件系統(tǒng)，分析了實現(xiàn)過程的關(guān)鍵技術(shù)。

1 巡檢機器人系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的管廊巡檢機器人系統(tǒng)主要由前端設(shè)備和后端遠程監(jiān)控中心組成。前端設(shè)備由機器人軌道單元、機器人本體單元/無線通信單元/滑觸線取電單元/視覺聽覺單元/傳感檢測單元/防火門聯(lián)動單元等構(gòu)成。遠程監(jiān)控中心由視頻監(jiān)控、閾值警報、語音對講、數(shù)據(jù)分析顯示、數(shù)據(jù)存儲、巡檢設(shè)置、機器人控制等多個子模塊組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 巡檢機器人系統(tǒng)機械機構(gòu)設(shè)計

2.1 巡檢機器人本體總體機構(gòu)設(shè)計

圖1 管廊巡檢機器人組成架構(gòu)圖

根據(jù)城市地下綜合管廊的環(huán)境的特殊性，巡檢機器人本體的行走方式采用掛軌式設(shè)計。軌道選用市場上常見的8040鋁型材，價格便宜，原材料好找，大大的減少了架設(shè)機器人運行軌道的難度。機器人本體主要由一體化伺服電機、減速器、編碼器、摩擦驅(qū)動輪、承重輪、夾緊裝置、掛板、底板和橫梁組成。根據(jù)承重和驅(qū)動分離的準則進行設(shè)計，其中使用軸承作為承重輪，包膠軸承輪作為摩擦驅(qū)動輪。巡檢機器人的視覺和聽覺單元采用的是第三方一體化產(chǎn)品，具有網(wǎng)絡(luò)傳輸、高清攝像、紅外攝像、語音對講等功能。攝像頭云臺可進行360°水平方向旋轉(zhuǎn)，105°上下方向調(diào)節(jié)。使用車體和云臺配合可以實現(xiàn)全方位監(jiān)控。機器人本體總體效果如圖2所示。

圖2 機器人本體效果圖

2.2 巡檢機器人本體夾緊機構(gòu)與滑觸線取電機構(gòu)設(shè)計

夾緊機構(gòu)主要由軸承底座、杠桿板、杠桿旋轉(zhuǎn)軸、夾緊輪、彈簧、彈簧擋板組成。機器人的夾緊裝置采用杠桿原理，結(jié)合彈簧可調(diào)壓力裝置進行設(shè)計。增加夾緊力可以增加驅(qū)動輪與軌道的摩擦力從而驅(qū)動機器人本體行走，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整夾緊力可以達到防止電機堵死的效果。

滑觸線取電機構(gòu)主要由滑觸線、集電器、和底座組成。集電器是滑觸線取電單元中的主要裝置，它通過集電刷與導(dǎo)軌的滑動接觸，將電能直接傳導(dǎo)至用電器，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的移動供電。總體安裝效果如圖3所示。

圖3 夾緊機構(gòu)與滑觸線取電機構(gòu)圖

2.3 巡檢機器人系統(tǒng)火門單元機構(gòu)設(shè)計

防火門是城市地下綜合管廊防火分隔的最主要措施之一。防火門對防止煙、火的擴散和曼延、減少損失起著重要作用。管廊智能巡檢機器人系統(tǒng)要求防火門不僅能隔離煙、火，還必須具有軌道預(yù)留窗，必須具有聯(lián)網(wǎng)控制控功能，在需要的時候自動打開或者關(guān)閉防火門[7]。

本課題設(shè)計的防火門聯(lián)動單元主要由門框、門體、電動閉門器、行程開關(guān)和Esp8266物聯(lián)網(wǎng)控制器四個部分組成。防火門的設(shè)計效果如圖4(a)所示。

本課題的防火門采用鋁型材搭建邊框和門體進行樣機實驗測試，實物效果如圖4(b)所示。

圖4 地下管廊防火門設(shè)計圖

3 巡檢機器人系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計

巡檢機器人的控制系統(tǒng)主要由ARM嵌入式控制版、一體化伺服電機、編碼器、各種傳感器模塊、ESP8266物聯(lián)網(wǎng)控制器、滑觸線取電模塊、一體化攝像機、和無線通信設(shè)備組成。機器人本體、一體化紅外攝像機和防火門是控制系統(tǒng)三大控制對象。ARM嵌入式控制板是巡檢機器人本體的控制核心，負責(zé)控制機器人的基本運動控制、采集并處理傳感器數(shù)據(jù)和與遠程監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交互。ESP8266物聯(lián)網(wǎng)控制器做為防火門接入系統(tǒng)的核心部件，負責(zé)接收上位機命令和控制防火門的開關(guān)。滑觸線取電模塊負責(zé)將集電器取下的電能進行變壓并穩(wěn)壓輸送給機器人本體、一體化攝像機和無線通信設(shè)備。機器人本體搭載無線傳輸模塊負責(zé)將三大控制對象的數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控中心同時負責(zé)接收遠程監(jiān)控中心發(fā)來的命令分發(fā)給三大控制對象。

4 巡檢機器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計

巡檢機器人的軟件系統(tǒng)設(shè)計包括PC端上位機遠程監(jiān)控中心軟件設(shè)計、機器人本體控制器下位機軟件設(shè)計和ESP8266物聯(lián)網(wǎng)控制器下位機軟件設(shè)計。整個系統(tǒng)的主要功能有遠程監(jiān)控、遠程操控前端設(shè)備、自動巡檢并遠程采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、閾值警報、語音對講、圖像識別檢測等。軟件系統(tǒng)框圖如圖6所示。

4.1 巡檢機器人系統(tǒng)下位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

下位機軟件設(shè)計分為機器人本體控制端軟件和防火門控制端軟件設(shè)計2個部分。本系統(tǒng)樣機采用stm32F103ZET6作為機器人本體的主控芯片，實現(xiàn)機器人的行走控制，環(huán)境數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

機器人本體控制端的軟件設(shè)計主要工作有編寫各個硬件模塊的驅(qū)動底層程序、移植嵌入式操作系統(tǒng)、移植LWIP以太網(wǎng)協(xié)議棧、開發(fā)嵌入式Web服務(wù)、開發(fā)網(wǎng)頁前端界面并確定HTTP數(shù)據(jù)交互接口和編寫主控程序。

圖6 軟件系統(tǒng)框圖

其中底層硬件模塊包括電機、編碼器、超聲波模塊、溫濕度模塊、煙霧報警器模塊、光電開關(guān)模塊、ADC模塊、氣體參數(shù)檢測模塊等。防火門控制芯片采用的是樂鑫公司生產(chǎn)的ESP8266EX IOT物聯(lián)網(wǎng)模塊作為控制器，實現(xiàn)防火門的聯(lián)網(wǎng)控制。

防火門控制端的下位機軟件設(shè)計主要工作有移植ESP8266 Non-OS SDK、編寫電機驅(qū)動程序、編寫防火門限位中斷函數(shù)，開發(fā)TCP協(xié)議數(shù)據(jù)交互接口和編寫主控程序。機器人端下位機軟件設(shè)計流程如圖7所示，防火門下位機軟件設(shè)計流程如圖8所示。

4.2 巡檢機器人系統(tǒng)PC端上位機遠程監(jiān)控中心設(shè)計

PC端遠程監(jiān)控中心軟件設(shè)計流程如圖9所示。

PC端遠程監(jiān)控中心采用C++/QT技術(shù)進行開發(fā)，QT技術(shù)負責(zé)界面樣式開發(fā)，C++技術(shù)則負責(zé)底層邏輯的實現(xiàn)。遠程監(jiān)控中心主要由機器人運動控制、攝像頭運動控制，視頻流讀取顯示、巡檢設(shè)置、閾值警報、傳感檢測顯示、語音對講、圖像識別檢測設(shè)置和防火門聯(lián)動控制等多個子模塊組成。PC端遠程監(jiān)控中心采用HTTP協(xié)議與機器人本體和一體化攝像機進行數(shù)據(jù)交互。采用TCP協(xié)議和ESP8266物聯(lián)網(wǎng)控制器進行數(shù)據(jù)交互。

多線程技術(shù)能充分利用和發(fā)揮處理器與外圍設(shè)備并行工作的能力，具有通信簡潔、信息傳送速度快等特點[8]。本課題設(shè)計的PC端應(yīng)用程序一共有四條線程分別為一條主線程和三條子線程。線程間的通信機制采用的是QT的信號和槽機制，通過自定義信號和槽可以實現(xiàn)各個線程間的數(shù)據(jù)交互。UI界面主線程負責(zé)刷新UI界面和捕獲用戶對UI界面的操作，并把用戶的操作請求傳給相應(yīng)的子模塊進行處理。其他三個子線程的任務(wù)分別為：

圖7 機器人本體下位機軟件流程圖

圖8 防火門下位機軟件流程圖

圖9 PC端遠程監(jiān)控中心軟件流程圖

1）定時接收機器人本體下位機軟件的傳感檢測數(shù)據(jù)和機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2）實時接收并處理需要進行防火門的開關(guān)操作。

3）實時接收并處理攝像頭回傳數(shù)據(jù)。

5 巡檢機器人車體速度控制與車體定點停車算法設(shè)計

本系統(tǒng)規(guī)定上位機控制端有0～10級的調(diào)速能力，0級車體速度最慢為0m/s，10級車體速度最快為2.5m/s。調(diào)速各個參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表中參數(shù)v為程序中設(shè)定上位機控制端可以調(diào)速的等級對應(yīng)的車體速度。f為理論上脈沖頻率調(diào)節(jié)器需要產(chǎn)生并發(fā)送給伺服電機驅(qū)動器的脈沖頻率。psc和arr分別為定時器的預(yù)分頻系數(shù)和比較值。脈沖頻率f、機器人車體速度v和arr三者之間的計算公式為：

表1 調(diào)速參數(shù)關(guān)系對應(yīng)圖

式(7)中的r為機器人車輪半徑35mm，d為伺服電機驅(qū)動器的細分。本系統(tǒng)中伺服驅(qū)動器的細分參數(shù)為12800。式(8)中的F為定時器的時鐘頻率。

理論上只要機器人控制器發(fā)送如表1中的脈沖頻率給伺服啟動器，就可以使電機維持所需的速度。但是實際測試中發(fā)現(xiàn)由于包膠驅(qū)動輪存在一定量的形變和打滑，使得車體速度并不能維持在理想狀態(tài)下。實際測試中還發(fā)現(xiàn)車體在變速過程中會出現(xiàn)嚴重抖動，這是控制器發(fā)送給伺服驅(qū)動的頻率變化太劇烈造成的。所以必須設(shè)計一種速度控制算法。

自動巡檢是巡檢機器人系統(tǒng)必須具備的功能之一，自動巡檢要求巡檢機器人本體具有定位、定點停車和定速巡航的能力。本文介紹的巡檢機器人的從動輪一側(cè)安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器用于測速和定位。

本課題研制的巡檢機器人的從動輪一側(cè)安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器用于采集機器人的移動速度，由于編碼器是安裝在從動輪上的，所以可以很大程度上的避免車輪打滑和形變的影響，使得速度反饋更加精確。系統(tǒng)采用目前魯棒性和穩(wěn)定性較好的增量式PID控制算法來進行巡檢機器人的速度控制定點停止控制，從而達到速度準確穩(wěn)定，變速過程平緩無抖動、并且定位準確的效果。

增量式PID算法在巡檢機器人車速控制和位置定位中的應(yīng)用原理如圖10所示。

圖10 PID算法應(yīng)用原理

PID控制器的設(shè)計原理為：

或者為：

其中u(t)表示t時刻由PID控制器計算得出并及時傳入到脈沖頻率調(diào)節(jié)器當(dāng)中的參數(shù)。

對上述公式進行數(shù)值化離散處理，假設(shè)數(shù)值周期長為T，對微積分進行數(shù)值化處理公式如式(5)所示：

式(5)式中k為采樣序號；t為采樣時刻，由此可得數(shù)值化之后的機器人速度參數(shù)和位置參數(shù)：

式(6)、式(7)為增量式PID控制參數(shù)，式(8)得出的Δu為k時刻和k-1時刻PID控制器輸出給脈沖頻率控制器的整定參數(shù)[9,10]。

PID算法在車速控制中的應(yīng)用流程為：首先上位機控制端給定車體運行速度值v；通過公式：

式(9)中的r（t）為到輪子轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。r為輪子半徑。然后將r（t）和編碼器采集的輪子轉(zhuǎn)速反饋值y（t）兩者之減比較差產(chǎn)生偏差e（t），最后結(jié)合PID控制器與脈沖頻率調(diào)節(jié)器采用比例（P）、積分（I）、微分（D）進行輪速精確校正。

PID算法在巡檢機器人定點停車控制中的應(yīng)用流程為：首先上位機控制端給定車體定位點S；通過公式：

式(10)中的r（t）為從原點到設(shè)定點S編碼器應(yīng)該產(chǎn)生的脈沖數(shù)。P為編碼器轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。然后將r（t）和編碼器采集的位置參數(shù)反饋值y（t）兩者之減比較差產(chǎn)生偏差e（t），最后結(jié)合PID控制器與脈沖調(diào)節(jié)器將機器人位置逐步平穩(wěn)的逼近目標(biāo)位置，當(dāng)偏差值到達工程要求時機器人停止運動并停止PID位置控制。

圖11 巡檢機器人樣機實物圖

6 巡檢機器人樣機設(shè)計結(jié)果

該巡檢機器人系統(tǒng)已經(jīng)完成現(xiàn)場實際測試，根據(jù)設(shè)計完成的巡檢機器人系統(tǒng)樣機如圖11(d)所示。巡檢機器人Web控制系統(tǒng)界面如圖11(c)所示，PC端遠程監(jiān)控中心控制界面如圖11(a)和圖11(b)所示。巡檢機器人系統(tǒng)樣機主要的功能有：實時視頻圖像采集、語音對講、傳感檢測、自動定點巡檢、紅外測溫、閾值警報、防火門聯(lián)動等。

經(jīng)過測試證明該巡檢機器人系統(tǒng)運行穩(wěn)定良好。具有圖像采集清晰、傳感數(shù)據(jù)采集準確、閾值警報及時等特點。可以投入到實際運用當(dāng)中去替代人工進行城市地下綜合管廊的日常巡檢工作。