一種電纜管道智能巡檢仿生機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

周啟平

（安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

近年來，密閉空間作業(yè)發(fā)生的人身傷害事故時有發(fā)生。某些電纜通道位于地面以下，其通道巡檢屬于密閉空間作業(yè)，對巡檢人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅[1]。目前，電纜井下巡視主要采用人工進(jìn)入電纜通道巡視的方式。電纜通道不僅有一氧化碳、硫化氫、甲烷等有害氣體的存在，而且由于地勢、下雨等原因匯聚的積水、淤泥等，使得運檢人員進(jìn)行井下巡檢作業(yè)的難度更大，且具備一定危險性[2]。另外，電纜通道巡檢流程涉及打開井蓋、通風(fēng)、測量氣體濃度、下梯作業(yè)及測溫拍照等多個步驟，導(dǎo)致巡檢過程用時較長，直接影響整個過程的作業(yè)效率。

對此，亟需研制一種能夠隨時在井內(nèi)惡劣環(huán)境下自由移動且具備巡視成像、測溫等多項功能的裝置來替代傳統(tǒng)人工巡檢作業(yè)方式，提高電纜通道巡檢和故障查找效率。利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，本文提出一種適用于電纜管道智能巡檢場景應(yīng)用的仿生機器人設(shè)計方案。該方案能夠有效提升智能巡檢效率，并且降低巡檢成本。

1 仿生機器人總體設(shè)計

1.1 總體方案

本文提出的仿生機器人基于仿生學(xué)原理，以六足仿生蜘蛛為模型，通過分析其自身結(jié)構(gòu)和相關(guān)運動機理進(jìn)行設(shè)計。該機器人可滿足各種復(fù)雜工況下的應(yīng)用。仿生機器人的總體實現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 總體實現(xiàn)方案

該方案主要涉及以下幾方面的工作：

（1）手機App向控制主板發(fā)送信息傳輸命令；

（2）編寫B(tài)CM2835執(zhí)行程序，對接收信號進(jìn)行邏輯判斷，控制六足機器人的移動；

（3）集成溫度、氣體檢測、視頻傳輸?shù)妊b置，實現(xiàn)對電纜通道的巡視檢測。

1.2 設(shè)備選型

電纜管道智能運檢仿生機器人主要由機載系統(tǒng)（控制芯片、舵機）和檢測系統(tǒng)（溫度傳感器、通道環(huán)境檢測及氣體傳感器）兩部分組成。不同設(shè)備的要求有所不同，具體如下。

（1）控制芯片，實現(xiàn)溫度和氣體監(jiān)測，控制舵機操控巡檢裝置的運動方向，要求具有運行高可靠性。

（2）舵機，具有正反轉(zhuǎn)功能，要能夠容易控制啟停，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制電機轉(zhuǎn)動。

（3）溫度傳感器，實現(xiàn)溫度檢測，要求具有較高的可靠性。

（4）通道環(huán)境檢測，實現(xiàn)近距離無線數(shù)據(jù)傳輸和存儲，要求系統(tǒng)可靠性高。

（5）氣體傳感器，保證氣體檢測的前提下實現(xiàn)最大程度的省電，并要求傳感器能分辨氧氣、一氧化碳、甲烷、硫化氫等多種氣體，具有高靈敏度[3]。

下面將對各選型設(shè)備的可選方案進(jìn)行特性分析，比較分析得出滿足條件的選型方案，具體如表1所示。

表1 設(shè)備選型

2 仿生機器人設(shè)計實現(xiàn)步驟

仿生機器人的設(shè)計實現(xiàn)過程包括搭建BCM2835最小系統(tǒng)模塊、設(shè)計驅(qū)動行走模式、安裝視頻傳輸模塊、安裝氣體檢測模塊、安裝溫度檢測模塊以及整體聯(lián)調(diào)測試等步驟，流程如圖2所示。

圖2 仿生機器人設(shè)計實現(xiàn)流程

2.1 搭建最小系統(tǒng)模塊

開展仿生機器人設(shè)計，首先要做的是搭建最小系統(tǒng)模塊，并對該功能模塊進(jìn)行充分的測試驗證，確保模塊滿足系統(tǒng)總體要求。該模塊設(shè)計分為最小系統(tǒng)構(gòu)成、芯片引腳配置、編寫代碼測試等步驟。

（1）搭建博通BCM2835芯片最小系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)主要包括電源、通信、電機、I2C、舵機及擴展等相關(guān)接口，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)構(gòu)成

（2）對芯片相關(guān)引腳進(jìn)行配置。最小系統(tǒng)模塊主要包括電源/接地、TXD/RXD，GPIO，SDA/SCL以及信號使能等引腳，相應(yīng)引腳映射配置關(guān)系[4]如表2所示。

表2 引腳配置表

（3）編寫代碼及測試

編寫運行控制程序，對每一個端口利用LED、萬用表進(jìn)行邏輯功能測試。

編寫系統(tǒng)GPIO口高低電平輸出程序，利用萬用表測試各個GPIO口導(dǎo)通功能。核心代碼如下。

2.2 搭建驅(qū)動行走模式

驅(qū)動行走模式的搭建按以下步驟進(jìn)行。

（1）選取合理的驅(qū)動舵機。為滿足性能要求，經(jīng)計算，電機的最大輸出扭矩要大于10.58 kg·cm。本方案選用LX-224HV舵機。該舵機采用直流鐵芯碳刷馬達(dá)，工作電壓為11.1 V，扭矩為20 kg·cm。

（2）分配六足機器人的行走方式。對機器人的六足進(jìn)行編號，1，4，5號腿為A組腿，2，3，6號腿為B組腿，步態(tài)過程如圖4所示（實心圓代表支撐腿，空心圓代表擺動腿）。起初，六腿均處于支撐狀態(tài)，B組腿抬起轉(zhuǎn)換為擺動腿，A組腿作為支撐腿支撐機體向前移動，然后B組腿向前擺動后落地轉(zhuǎn)換為支撐腿，A組腿抬起轉(zhuǎn)換為擺動腿，B組腿支撐機體向前移動，A組腿落下，機器人回到初始姿態(tài)。

圖4 六足機器人行走步態(tài)

（3）分配串口控制舵機移動方向。對串口進(jìn)行初始化，設(shè)置舵機波特率為115 200 b·s-1，對18個舵機分別分配相應(yīng)ID號，并與中央控制板相連接。利用上位機VNC軟件對六足機器人的動作進(jìn)行編輯，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左側(cè)移動、右側(cè)移動等功能。動作編輯示意如圖5所示。

圖5 機器人動作編輯示意圖

2.3 安裝視頻傳輸模塊

視頻傳輸模塊采用型號為hv3808的USB攝像頭，傳感器類型為CMOS，像素為30萬，最高分辨率為640×480，工作溫度為-20～75 ℃，接口為USB2.0驅(qū)動，協(xié)議支持UAC1.0和UVC1.1/1.5。

將攝像頭USB接口接入控制板并測試安裝情況。如圖6所示，打開Linux終端，在插入攝像頭前后，分別輸入命令lsusb，從中可以得到攝像頭設(shè)備ID，表示攝像頭已被成功識別。

圖6 視頻模塊接入測試圖

2.4 安裝溫度檢測模塊

DS18B20模塊用于溫度檢測，其具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等特點。模塊引腳定義：DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端，GND為接地端，VCC為外接供電電源輸入端。將該模塊與BCM2835進(jìn)行連接測試，步驟如下：

（1）掛載設(shè)備驅(qū)動，sudo modprobe w1-gpiosudo modprobe w1-therm；

（2）驗證設(shè)備是否生效，cd /sys/bus/w1/devices；

（3）查看溫度，cat 28-011939632f5b/w1_slave；

如圖7所示，其中t=25 062代表溫度檢測結(jié)果，除以1 000換算為攝氏度，即實際溫度值為25.062 ℃。

圖7 溫度測量結(jié)果示意圖

2.5 安裝氣體檢測模塊

氣體檢測采用精訊暢通公司的工業(yè)氣體檢測專用模組MQ-2，模組檢測靈敏度較高。該模組具有4個端口：DO為連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳，GND為接地引腳，VCC為外接供電電源引腳，AO為連接到開發(fā)板的模擬引腳，引腳輸出的電壓值越高，通過ADC采集的模擬值越高[5]。驗證發(fā)現(xiàn)，該模塊具有良好的檢測性能，誤差控制在2%以內(nèi)。

2.6 整體聯(lián)調(diào)測試

圖8給出了六足機器人實物圖和App操控界面。通過手機App連接六足機器人內(nèi)置的藍(lán)牙模塊，通過向其發(fā)送前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等方向指令對機器人進(jìn)行控制，實現(xiàn)拍照、溫度、氣體檢測等功能。

圖8 六足機器人實物及App操控界面

為測試功能的有效性，利用六足機器人對10 m段電纜井通道進(jìn)行巡視，結(jié)果如表3所示。經(jīng)測試驗證，六足機器人可實時傳輸視頻數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確執(zhí)行指令，完成對溫度和氣體的檢測。

表3 巡視結(jié)果數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用效果

為充分驗證六足機器人在電纜管道巡檢的有效性，本文選取某供電公司的電纜線路進(jìn)行了測試。應(yīng)用機器人前后的巡檢時間比較如表4所示。可以看出，相比于傳統(tǒng)人工巡檢方式，六足機器人在效率上有了極大的提升。并且，使用機器人替代人工進(jìn)行電纜通道巡檢，能夠極大提升電纜通道巡檢運維水平。

表4 應(yīng)用前后巡檢時間對比表

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)的電纜溝井內(nèi)巡檢方式存在勞動強度大、巡檢效率較低的問題，且井下長期密閉、通風(fēng)性差，人員井下作業(yè)具有一定危險性。本文利用仿生物學(xué)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理確定運動結(jié)構(gòu)，提出一種電纜管道智能巡檢仿生機器人的設(shè)計方案，極大地提升了電纜管道運檢的水平，具有良好的應(yīng)用價值。