管帶機智能巡檢系統設計及與輸送機的配合設計

鄧建旺 張洪凱

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

管帶機智能巡檢機器人可以代替人工實現對特定范圍內運行工況的自動檢查，并且在發現異常之后立即報警，為檢修人員及時發現隱蔽故障、保障系統運行安全發揮了積極作用。但是巡檢機器人在使用中也存在諸多問題，例如定位不夠精準、通信質量不高等。在這種情況下，智能巡檢機器人如果搭載多種傳感裝置，每臺傳感器都作為一個感知源，拓展了數據采集渠道，可實現對輸送作業的實時感知、動態監控，保證實時性與準確性。在作業環境復雜化、操作設備多樣化的發展背景下，智能巡檢機器人的應用前景廣闊。

1 管帶機智能巡檢系統設計

1.1 核心技術

該機械采用集轉向、導向、驅動、預壓縮于一體的雙驅動機構提供動力。驅動裝置的基本參數為：主動模塊電動機功率70.8W，額定運行速度在0-1m/s（可調），爬坡能力≤8°；采用電子標簽+里程計數據的定位技術，利用內置霍爾傳感器和軌道上安裝的磁鐵，實現機器人的精準定位。軌道左側磁鐵為定位初始點，右側磁鐵為定位點。從傳感器識別信號到機器人控制系統作出響應，周期為10ms，可有效控制定位誤差，制動距離≤0.5m。機器人到達塢站后自動對接充電設備后開始充電。在巡檢過程中，可通過聲音識別、視覺識別、溫度檢測判斷故障位置、故障類型，實現自動化、智能化巡檢。

1.2 驅動模塊設計

驅動模塊是智能巡檢機器人的核心部分，其內部結構如圖1所示。

圖1 智能巡檢機器人驅動結構示意圖

機器人總質量（m）40kg，滑輪直徑40mm，滑輪與軌道之間的滾動摩擦系數（f）取0.05，最大加速度（α）0.5m/s2。主動模塊使用1 臺最大功率70.8W 的電機提供動力，減速器速比8.3:1，同步輪速比28:14。根據管帶機運行環境的不同，可分為兩種工況：一種是平路時，爬坡角度（θ）為0°，這時驅動輪所需驅動力（F）為：

F=f×mgcosθ+mgsinθ+ma=40N

需要力矩（T）=F×r=40×0.25=1N·m。根據電機減速比（8.3:1）和配合同步帶（2:1），計算出所需速度V=nΠφ/60=1.45m/s。以滑動摩擦系數（μ）取0.4 為例，則機器人所需正壓力（N）=F/μ=40/0.4=100N。同時，假設4 個驅動輪所受壓力均攤，則每個輪的壓力N′=mg/4=100N，正好滿足機器人在平路時的行駛需要。

還有一種是爬坡時，以該機器人允許的最大爬坡角度8°為例，按照上文驅動力（F）的計算公式，可得爬坡時的機器人驅動力（F1）=95.5N。已知鏈輪分度圓直徑（d）為50mm，則力矩（T）=F1×r=95.5×50/2=2.39 N·m。根據電機減速比（5.2:1）和蝸輪蝸桿減速比（13.5:1），計算出所需速度V=0.34m/s。滑動系數（μ）不變，則機器人所需正壓力（N1）=F/μ=95.5/0.4=238.75 N。而單個驅動輪的壓力仍然為100N。故該機器人在爬坡（8°）時，需要驅動電機額外提供238.75-100=138.75N 的力才能滿足其正常運行的需要。

2 管帶機智能巡檢系統與輸送機的配合設計

2.1 輸送機設計要求

在進行管帶機輸送任務中，應用管帶機智能巡檢系統能夠實現智能化操作，在減輕巡檢工作人員的工作量及提高工作效率上有很好的效果，并且能夠及時發現系統問題，保證輸送過程的安全性。管帶機智能巡檢系統能夠實現無人化操作，避免工人在環境危險的輸送管廊中進行作業，系統中的攝像儀器及檢測儀器可以通過智能化控制，達到精準作業的效果。待生成圖像后可以對整個管廊情況進行監控，從而進一步對管廊中管帶扭曲、跑偏、皮帶撕裂、托輥磨損、驅動溫度異等情況進行實時監控。管帶機智能巡檢系統現階段在技術應用、設備管理及數據分析方面均以達到較高水平，在進行作業監控過程中都能保證數據準確并具有可追溯性，從而降低了工作人員由于水平經驗問題而帶來的操作失誤。在輸送機巡檢過程中系統應用的是高性能電池，配合分布式自主充電，可隨時對管廊進行巡檢。

2.2 輸送機設計參數

輸送機進行管廊作業需要結合實際環境進行參數設計，以敬業項目為例，具體設計參數見表1。

表1 基于管帶機智能巡檢系統的輸送機設計參數

其中NR101、NK101 為共線管帶，K113、K114 為共線管帶機。

在實際設計環節，巡檢機器人需要根據管帶機臺數進行設置，為保證雙側巡檢效果，雙線并行的管帶機需要應用三臺智能機器人協助管帶機，從而實現管廊全線巡檢效果。

2.3 管帶機智能巡檢系統配合輸送機作業的功能要求

2.3.1 巡檢功能

支持全自主巡檢和人工遙控巡檢兩種模式，不同模式之間能夠做到靈活切換。對于全自主巡檢，操作人員可提前預設巡檢指令，包括巡檢范圍、巡檢頻次等。具體又包括了例行和特巡兩種方式。

2.3.2 檢測功能

管帶機智能巡檢系統前端配備有若干類型的檢測設備，可用于感知、采集外界信息，如紅外熱成像儀可檢測溫度，聲音采集設備可收集聲音信息，光攝像機可對皮帶、托輥架等物體進行拍照等。所有采集到的圖像、視頻、音頻等信息，實時發送至監控后臺，同步顯示。

2.3.3 后臺監控系統功能

根據前端采集裝置反饋的實時信息，分析、判斷有無異常情況或潛在故障。如果存在皮帶跑偏、托輥發熱、嚴重噪聲等問題，立即報警并中止智能巡檢機器人當前任務，按照預設指令安全返航進行檢修。除了一鍵返航外，還支持應急實施對講，方便現場工作人員與后臺管理人員進行語音交流。

2.3.4 防碰撞功能

利用安裝在管帶機智能巡檢系統周邊的傳感器，及時感知障礙物，并立即停止，防止發生碰撞。如果處于全自助模式，在檢測到障礙清除后可按照原定線路繼續執行巡檢任務。

2.3.5 自主學習功能

智能巡檢系統通過自有單片機系統，對預先植入的輸送機正常信號保存，同時實時收據現場數據比對，形成正常與異常工況數據庫，實時報警。通過熱成像監測皮帶撕裂情況，與廠家提供皮帶性能參數對比，反算出皮帶壽命與更換時間，為正常生產與檢修預警。

2.3.6 其他功能

除了上述主要的功能外，該管帶機智能巡檢系統還要求配備自主充電功能、夜視功能、軌道自主導航功能等。

2.4 輸送機檢測內容

智能巡檢系統在輸送機中的應用，可完成皮帶機滾筒、托輥的發熱、軸承燒壞卡死不工作、皮帶架開縫、螺絲松動、皮帶的撕裂、溫度異常、托輥異響等工況檢測。

2.4.1 皮帶機滾筒異常工況檢測

預先植入輸送機正常信號作為參考信號，現場收集滾筒聲音信號后，首先分析正常高低音，將處于高低音范圍內的正常聲音過濾掉。對于剩余的異常聲音進行分類，提取噪音特征。利用MFCC 梅爾倒譜系數對噪音的音頻進行處理。利用深度學習算法對噪音處理結果進行判斷，判斷屬于哪一類別的噪音，從而分析出產生噪音的故障類型。

2.4.2 托輥磨損檢測

對于拍攝所得照片，利用深度學習目標檢測，判斷托輥的位置。基于OPENCV 開閉運算處理獲取托輥所有連接像素，然后在此基礎上再使用細化骨架算法，得到托輥的高度、寬度、傾斜率等參數。將基于拍攝照片的分析結果，與托輥的標準參數進行對比，判斷是否出現嚴重磨損，以及是否需要更換。

2.4.3 托輥溫度異常檢測

利用紅外熱成像儀獲取各托輥的實時溫度，并且對溫度異常的區域進行檢測。通過熱成像分析，找出溫度最高點，自動分析導致溫度異常的原因。

3 管帶機智能巡檢軟件系統的聯動實現

3.1 軟件系統連接

軟件的整體架構分為4 層，每層包含了1 種或多種服務器，如圖2 所示。

圖2 系統集成軟件部署圖

依據服務器的功能將8 類服務器進行劃分：

傳感器接入電路后即可以立即開始工作。在處于靜止狀態時，震動軸靜止，電路處于導通狀態，當傳感器感受到震動時，震動軸位移，電路瞬時斷開，進而實現震動的觸發功能。設計時考慮到傳感器單獨工作輸出電壓不穩定，為了保證模擬量轉化為數字量時信號不失真，因此采用了LM393電壓比較器對信號進行過濾。同時為增強裝置的適應性，提高靈敏度，在設計電路時采用了調節電位器，可以通過自主調節電阻值大小改變傳感器的靈敏度[3]。

3.1.1 數據服務器

包括數據庫服務器、FTP 文件服務器等。操作步驟是將前端采集的數據，或在虛擬機中存儲的數據，按照使用需求在服務器之間實現傳遞或對數據進行處理。

3.1.2 視頻服務器

用于運行、管理視頻流。操作步驟是將關鍵數據、分析結果等轉化成視頻形式，在顯示器上呈現出來，方便檢修人員更加直觀地了解設備的運行工況或故障情況。

3.1.3 應用服務器

包括Web 服務器、手機APP 服務器等。主要進行Web 網站的日常維護，通過前臺響應、后臺服務，確保智能巡檢機器人的各項應用功能順利實現。

3.2 聯動實現

管帶機智能巡檢系統共設有9 個接口，3 個接口為下發接口，用于連接機器人系統和控制中心管理系統。6 個為上報接口，用于連接機器人系統和后臺管理系統。以下發接口中的中繼站巡檢設備清單推送為例，進行如下調試：

3.2.1 選擇接口并定義接口名稱。

3.2.2 描述接口功能，即后臺管理系統設備清單推送。

3.2.3 設定接口的接入方式，服務端與機器人系統連接，客戶端與后臺管理系統連接。

3.2.4 定義接口輸入、輸出內容。如表2、表3 所示。

表2 輸入數據表

表3 輸出數據表

完成上述準備后，啟動管帶機智能巡檢系統，在設定范圍內進行巡檢。自動推送預設的巡檢設備清單。一段時間后，觀察巡檢機器人是否對清單上所列電氣設備進行巡檢。若所有設備均完成一次檢查，則說明該功能可以正常實現。

結束語

管帶機智能巡檢系統使用GPS 定位器、紅外測溫儀、高清攝像機等作為數據采集裝置，通過無線網絡AP 系統將信號傳送至后臺系統，利用軟件系統對數據進行分析、處理，實現對異常工況的精準識別。管帶機智能巡檢系統具有數據采集更加準確、全面，分析結果更加可靠等特點，為巡檢人員及時發現隱蔽故障、盡快采取修復措施，為保障操作安全運行提供了技術支持。