基于掛軌機器人的智能巡檢系統研究

摘 要：文章簡要描述了目前常見的巡檢場景以及掛軌機器人巡檢系統的應用場合，介紹了巡檢系統在實際應用中一些功能，包括自主定位導航巡檢、視頻及環境檢測、自主安全防護、語音對講、自身狀態檢測等，然后介紹了基于掛軌機器人的智能巡檢系統的設計，包括軌道、供電系統、機器人本體、通信系統、服務器系統、軟件系統等，最后說明實物系統在新疆某廠房應用中取得了良好的巡檢效果，為各行各業的機器人巡檢提供參考和借鑒。

關鍵詞：掛軌機器人；智能巡檢；滑觸線；載波通信；STM32F407；B/S架構

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）08-0060-05

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.014

0 引 言

目前生產和生活中輸送帶輸送機巷道、煤礦井下水泵房、城市綜合管廊、配電房、污水處理場、化工廠等場所的巡視和檢修工作大部分都依靠人工進行定時檢查、駐點值守，但人工巡檢存在以下諸多缺點：環境復雜、空間狹小、積水情況常見，對人工巡視造成阻礙和干擾；容易受到個人經驗和情緒、主觀意識的影響；頻率低，間隔長，設備發生故障不能及時被發現；設備運行過程中無法進行人工巡檢作業；人工獲取的數據難以形成系統性，參考意義不大；井下作業還威脅巡檢人員的生命安全。

隨著計算機性能的大幅提升以及通信技術、圖像識別技術、紅外測溫技術的發展，機器人巡檢代替人工巡檢已逐漸成為設備巡檢的發展方向。機器人巡檢系統能讓運維人員足不出戶就可全景掌握設備的狀態，減少巡檢次數，降低日常維護的人員、車輛以及物資等維護成本，挖掘設備狀態數據中的價值，提高管理水平[1]。巡檢機器人按行走方式主要分為軌道式、輪式和履帶式三種機器人[2]。掛軌機器人具有固定的運動軌跡，一般架設在高處不影響人員往來，還方便采用滑觸線供電，24小時不間斷工作提高巡檢效率，本文主要介紹滑觸線供電的掛軌機器人巡檢系統進行設計和應用。

1 功能介紹

開發的機器人巡檢系統主要有自主定位導航巡檢、視頻及環境檢測、自主安全防護、語音對講、自身狀態檢測等功能。

機器人采用傳感器和軟件計算結合場景軌道布置實現自然環境下的精準定位，能根據指定的路徑和指定的巡檢目標點進行自動勻速巡檢，只需要設定巡檢路徑并啟動自動巡檢即可使機器人自動完成一次巡檢。機器人每到一個巡檢工作位置，能自動準確停車探測，做完規定的動作后再按照路徑自動往下一個巡檢目標點前進，全程無須人工干預，便可完成巡檢作業，自動記錄、保存、上傳數據。

機器人利用自身攜帶各種環境傳感器對現場被巡檢設備和環境數據進行采集，然后將采集的數據進行分析，進而診斷出設備是否存在故障并觸發相應報警。一般可用于設備指示燈、數字及指針表計、開關閥門等識別，也可用于跑冒滴漏的高變倍監控實現液體跑冒滴漏事件的實時監測。巡檢任務執行完成后會自動生成任務報表，實現對現場設備及環境的高密度、高分辨率檢測與多維度分析管理[3]。

機器人帶有安全檢測傳感器對巡檢區域以及周邊進行探測，遇到障礙物會提前停止運行并報警。同時為了防止在傳感器失效的情況下碰撞造成人員或者設備損傷，在機器人身體前后兩端增加了緩沖部件和檢測電路可有效減緩碰撞力度并從硬件上強行停止。在機器人明顯位置安裝有警示燈，通過警示燈的不同顏色來表示掛軌巡檢機器人當前的各種狀態，提醒巡檢區域內工作人員注意。在自主巡檢的過程中停障后會自動通知主控室排除障礙物，在此過程中可由后臺客戶端下達返回、待命或其他無影響的巡檢任務。

巡檢系統可通過搭建的網絡在機器人端與后臺主控室之間進行實時語音對講，方便現場人員交流。

機器人具備自檢功能，支持對位置、速度、里程、通信情況等的檢測，實時監控自身狀態并通過警示燈或后臺客戶端顯示。

2 系統方案設計

本系統包含多模塊、多要素、多子系統，從數字化、信息化、智能化的要求出發，從更高維度、更全面視角設計，采用滑觸線供電和電力載波通信的智能巡檢系統。整體系統架構如圖1所示，主要包含軌道和供電系統、機器人本體、通信系統、服務器系統、軟件系統等。

2.1 軌道和供電系統

為滿足掛軌機器人平滑順暢行駛要求，軌道方案采用如圖2形式，軌道固定支架通過拉爆螺絲固定于房頂，軌道采用高強度鋁合金材料制作的直軌與彎軌拼接吊頂安裝而成，通過調整可調節高度支架可保證軌道安裝高度適宜且水平[4]。直軌道標準長度一般3 m或6 m，彎軌根據現場尺寸定制，每間隔1～2 m安裝固定支架以保證機器人的支撐強度，機器人本體主動輪和從動輪架設于軌道上。

機器人要開展巡檢工作，穩定的電源系統是各模塊工作的前提，一般常用的供電方式有電池和滑觸線兩種[5]，電池供電方式會增加機器人重量，不能長時間巡檢需要設置充電裝置間斷性充電，巡檢效率相對不高。本系統創新性的采用滑觸線供電方式，其安裝于軌道上方，初始端接入48 V開關電源對應正負極，并用集電器與滑觸線緊密接觸，集電器可以將滑觸線中的電能通過滑動接觸輸送給機器人本體，這樣機器人不僅重量輕，而且在巡檢過程中可以保持7×24小時不間斷工作。

2.2 機器人本體

機器人本體設計是本系統的核心，主要由工控機、主控板、電機驅動系統、各種傳感器、電源模塊等組成，如圖3所示。實現機器人運動控制、視頻和傳感器數據采集傳輸保存、安全防護、狀態檢測、語音對講相關功能。

工控機選用研華的MIO-5152，它采用全新第八代Atom Elkhart Lake平臺3.5嵌入式單板電腦，采用DDR4內存，整板尺寸小巧，TDP功耗6～10 W，可支持6COM、6USB、2LAN、HDMI等接口，帶有4K/8K ESD防護，具有高性價比、性能強、接口豐富、可靠性高等特點，在本系統中分別與電力載波、云臺通過交換機相連，與主控板則采用RS232通信，主要負責視頻、語音、傳感器、機器人狀態等數據采集處理傳輸保存等。

運動控制、傳感器數據采集和機器人狀態檢測顯示相關功能以STM32F407微處理器（MCU）為核心分別與各子模塊相連，它是帶有DSP和FPU指令的高性能微控制器，基于Cortex-M4內核，最高頻率可達168 MHz，從Flash存儲器執行時能夠提供210 DMIPS/566 Core Mark性能。其中自主定位采用獲取編碼器數據并計算實時運行里程結合光電傳感器矯正的方式來實現，編碼器采用進口傳感器安裝在驅動輪連接位置，MCU通過RS485通信獲得機器人運行的實時距離信息，同時在軌道上標志位置貼上長條形不同編碼區域的反光標簽，一般直道間隔8 m內，距離彎道0.1～0.5 m范圍內，軌道盡頭1 m內都貼有標簽，當機器人攜帶光電傳感器到標簽附近時傳感器自身發射的紅外光經反射光強度變強可以感應到對應的IO脈沖信號被MCU檢測到并確定對應標識位置信息，該位置可作為機器人巡檢點或輔助位置信息矯正點。機器人的運動采用低壓私服系統來實現，包括驅動器、電機、制動電阻等，驅動器具有PID調節功能，MCU通過CAN通信下發速度使機器人可穩定加減速和勻速運行在軌道上到達預定的目標位置[6]。本系統加裝的傳感器可根據不同場景配置，常規的有溫濕度傳感器、氣體傳感器、噪音傳感器等，一般采用RS485通信實時上報傳感器檢測狀態，一旦超出上下限數值就會使得機器人三色燈變相應燈顏色，同時語音播報器也會播報相應警告語。另外，機器人還具有自身檢測功能，主要包括位置、速度、里程各狀態信息以及各模塊之間相互通信校驗，如果狀態或通信異常機器人也能及時發現并停止運行提醒管理人員檢修。

對于整個系統來講機器人的安全防護是至關重要的一環，本系統采用多重安全防護措施，包括避障雷達、碰撞開關、急停開關等[7]。選用的避障雷達探測距離可達20 m，感應視角270°，采用2D平面紅外不可見激光束在單個平面上掃描周圍區域，其利用飛行時間原理測量距離，激光雷達以均勻和極短的時間間隔發射激光脈沖，當激光遇到障礙物時會反射回來，激光雷達接收到反射回來的光信號，根據發射與接收之間的時間差以及光速可計算得到物體與激光雷達之間的距離信息，雷達在檢測到有效障礙物時輸出高低電平信號以被MCU檢測到采取相應措施。值得一提的是雷達可以根據輸入IO信號設置16個不同區域，這樣可以在不同區域設置不同觸發距離，從而實現機器人應付復雜環境的避障功能。輸出3個IO信號對應3個防護級別分別對應遠端預警、正常停止、急停停止，可使機器人提前預判調整運動軌跡，區域設置輸入信號和防護檢測輸出信號分別連接MCU的IO腳可實現。為了防止避障激光雷達失效，在機器人前后方向都裝有碰撞開關，當碰撞開關觸發后，內部開關閉合，該信號可切斷驅動器輸出使得機器人失去動力，同時接入主控板，使系統知道碰撞開關觸發狀態。急停開關也具有相同功能，在其他控制無效的情況下可人為切斷機器人動力系統。

電源模塊也是極為重要的，它為機器人本體所有設備提供了穩定可靠的電源。因為滑觸線上為48 V左右直流電，采用兩個DCDC電源模塊將48 V電壓轉化為24 V和12 V以供工控機、主控板、傳感器等設備工作，經計算功率都取50 W，而驅動器是寬電壓20～70 V工作，即使滑觸線電壓有所波動也在其工作范圍內，所以直接輸入即可。

2.3 通信系統

目前，巡檢機器人常用的通信方式有Wi-Fi、移動網絡和電力載波等。Wi-Fi布局要求工程一開始就把所有布線完成，否則需要重新開槽、打墻，走線成本將非常高，且存在著傳輸不穩定、數據延時大、時常掉線連接的問題。移動網絡一般只有在空曠的環境信號才好，在室內或者偏僻地方需要通信運營商重新布置基站也需要額外花費不少成本。電力載波通信可以利用現有電力線，不需要重新架設網絡，信號穩定、高傳輸速率、抗干擾性強、免布線煩惱、即插即用。應用電力載波通信技術，進行音視頻、控制指令和系統狀態等信息的傳輸，可以做到整個通信過程的準確無誤，相比于其他兩種通信方式，簡化了布線，并大大降低了組網成本[8]。

得益于系統采用滑觸線方式供電，利用其搭載電力載波模塊實現機器人與后端的通信，服務器和客戶端則采用交換機與之相連，不過需要說明的是電力載波通信方式點對點最遠傳輸距離一般在500 m以內，更遠距離的通信則需要采用帶中繼功能的載波模塊，通信連接關系如圖4所示。

因為電力線上機器人本體帶有各種負載，比如穩壓電源、電容器、電機感性負載等，這些會對電力載波的高頻信號產生較大的吸收作用。為了避免電力載波性能的下降，以達到理想的電力載波效果，在電力線上串接了專用的二級電源濾波器，分別加在主電力載波模塊的前端和從電力載波模塊的后端，對干擾源進行濾波隔離以達到更好的通信效果。

2.4 服務器系統

本系統涉及各種數據檢測、遠程控制、數據存儲及支持多機器人監控等功能，考慮到后續的機器人系統增加、接入檢測設備的增加、算法的不斷提升，特建立服務器系統[9]，該方案可實現一臺服務器包含多種功能：

1）高并發高可靠、多用戶、多業務、強交互的機器人一體化管理平臺，提供機器人及其他接入設備的全生命周期管理。

2）提供網絡管理、用戶管理、機器人管理、地圖管理、任務管理、報警管理。

3）AI和實時數據管理、歷史數據、調試管理、音視頻管理、交互管理、閾值管理、自定義事件等功能模塊。

2.5 軟件系統

巡檢系統配備有專門的遠程控制后臺管理軟件，機器人客戶端采用B/S架構，將控制系統功能的實現集中在服務端上，通過瀏覽器對機器人進行操控實現跨平臺統一的用戶交互[10]。機器人的視頻、數據、報警、控制等融合于智能巡檢運維平臺一體化管理，界面顯示內容可編輯，客戶端軟件界面具備機器人各種數據顯示、參數設置、機器人控制等功能，對機器人的實時坐標進行動態更新和顯示。

3 應用實例

基于本系統技術的掛軌機器人巡檢系統已應用于隧道作業檢測、污水處理廠巡檢、石油化工廠巡檢等場景，圖5、圖6為新疆某廠房設備閥門開關等識別和環境氣體監測運行現場和客戶端管理畫面。目前已連續穩定工作幾個月，從客戶端可以清晰看到實時高清和紅外畫面并成功識別設備動作狀態，可以實時顯示現場氣體濃度、環境溫度、噪音值等傳感器數值和機器人速度、位置等狀態，高效完成了預定的巡檢任務，且數據可追述便于管理，給客戶節省了大量人力成本。

4 結 論

綜上，基于掛軌機器人的巡檢系統方案穩定可靠，切實代替人解決了一些需要巡檢的工作任務，并且可以7×24小時不間斷工作。隨著勞動力的緊缺，以及人工智能、物聯網、大數據等技術的大力發展，該系統在人們日常生產生活中將發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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作者簡介：吳張勇（1988.09—），男，漢族，浙江諸暨人，工程師，本科，研究方向：電子信息技術。

收稿日期：2023-09-08

Research on Intelligent Inspection System Based on Rail Hanging Robot

WU Zhangyong， JI Shubao

（Hangzhou Guochen Robot Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 311200， China）

Abstract： This paper briefly describes the current common inspection scenarios and the application scenarios of the rail hanging robot inspection system. It introduces some functions of the inspection system in practical applications， including autonomous positioning and navigation inspection， video and environmental detection， autonomous safety protection， voice intercom， self-state detection， etc. Then， it introduces the design of an intelligent inspection system based on the rail hanging robot， including the track， power supply system， robot body， communication system， server system， software system， etc. Finally， it shows that the physical system has achieved good inspection results in a factory in Xinjiang， providing reference for robot inspection in various industries.

Keywords： rail hanging robot; intelligent inspection; sliding contact line; carrier communication; STM32F407; B/S architecture