基于紅外感知技術(shù)的電線電纜檢測(cè)機(jī)器人研究

蔣煒華　姚景昆

摘要：針對(duì)當(dāng)前電纜檢測(cè)難度大、人工檢測(cè)效率低的特點(diǎn)，本文提出基于紅外感知機(jī)器人的研究，并分別對(duì)機(jī)器人本體部分、控制部分以及抗干擾部分提出研究方案及對(duì)策。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人能夠滿足當(dāng)前電纜安全檢測(cè)的需要，有較大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：紅外;電線電纜;檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）08-0064-02

1 研究背景

隨著信息化社會(huì)的建設(shè)與發(fā)展，電力電纜供電網(wǎng)絡(luò)也得到快速發(fā)展，規(guī)模龐大的地下供電網(wǎng)絡(luò)，電纜分布眾多，如何在發(fā)展的同時(shí)對(duì)電纜進(jìn)行安全檢查是保障電網(wǎng)工作可靠的前提。當(dāng)前我國(guó)電線電纜檢修主要以人工檢查為主，由于線路檢測(cè)不方便，且存在各種特殊情況，所以極易引發(fā)安全事故。同時(shí)，人工檢測(cè)效率過于低下，不能滿足日常檢修工作量要求，甚至對(duì)于一些狹窄區(qū)域或者深埋地下的電纜無法進(jìn)行有效檢測(cè)，這也導(dǎo)致了在出現(xiàn)故障時(shí)無法第一時(shí)間檢測(cè)。

上世紀(jì)60年代以法國(guó)、日本為代表的一些國(guó)家開始進(jìn)行較復(fù)雜工程任務(wù)的高效能管道機(jī)器人研究，并取得了一定的成果。但國(guó)外檢測(cè)機(jī)器人價(jià)格昂貴，且電纜溝實(shí)際情況與我國(guó)并不相同，不適用于我國(guó)的實(shí)際使用環(huán)境。同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人研究時(shí)間較短，在精確性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性等方面還存在很大的差距。

2 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為能在60mm×60mm的電纜溝內(nèi)行駛的電線電纜故障預(yù)警檢測(cè)蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)，由于蛇形機(jī)器人模擬自然界蛇的無肢結(jié)構(gòu)且具有多自由度、多冗余自由度的特點(diǎn)可以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。在機(jī)器人頭部，安裝有紅外檢測(cè)儀，同時(shí)可以安裝其他裝置，在進(jìn)入預(yù)檢測(cè)區(qū)域之后，該機(jī)器人會(huì)將頭部抬起，并可360度旋轉(zhuǎn)，以便更好地檢測(cè)地下電纜的問題。

2.1 機(jī)械本體部分設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合機(jī)器人的功能需求將機(jī)器人機(jī)械本體部分分為兩大部分：前端檢測(cè)部分和主體部分。

（1）前端監(jiān)測(cè)部分：前端監(jiān)測(cè)部分和主體部分以轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)聯(lián)接，通過電機(jī)控制與主體部分的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。工作時(shí)，前端監(jiān)測(cè)部分抬高90度，使得安裝在前端監(jiān)測(cè)部分的設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)到相關(guān)信號(hào);在需要穿過防火墻孔洞時(shí)，控制電機(jī)使得前端監(jiān)測(cè)部分與主體部分保持直線，以順利穿越。

（2）主體部分：將主體部分分為上下兩層，上下兩層之間的相對(duì)位置可以相互調(diào)節(jié)。主體部分實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、以及為整個(gè)裝置提供動(dòng)力源等功能。正常工作時(shí)，下層在溝內(nèi)行走，上層在溝外側(cè)起輔助平衡作用;需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，下層向上提升，上下兩層合并成一個(gè)整體，由上層驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，以實(shí)現(xiàn)溝道外轉(zhuǎn)彎;需要穿越防火墻孔洞時(shí)，上層位于溝道外側(cè)的輪子縮回體內(nèi)，上層下沉，上下層合并為一個(gè)整體，整個(gè)機(jī)器人呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的蛇形，完成孔洞穿越。

完成各部分運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：

1）行走機(jī)構(gòu)：機(jī)器人正常工作時(shí)在電纜溝內(nèi)行走，采用后輪驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行。在溝槽內(nèi)行駛時(shí)，通過該電機(jī)驅(qū)動(dòng)和減速器作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的運(yùn)動(dòng)。

2）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：當(dāng)機(jī)器人需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于溝道限制，必須在溝道外轉(zhuǎn)彎，否則會(huì)卡死，因此必須有能夠在溝道外部行走的輔助溝道轉(zhuǎn)彎的輔助轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝在上半車身。

3）高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)，本體部分必須在電纜溝外，否則轉(zhuǎn)彎時(shí)必定卡死。該機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，負(fù)責(zé)將機(jī)器人本體抬升到電纜溝與周圍地面平齊位置。在轉(zhuǎn)彎后，能夠讓機(jī)器人本體在溝道內(nèi)繼續(xù)行走。

4）輔助輪收縮機(jī)構(gòu)：機(jī)器人在穿越防火墻60mm×60mm的孔洞時(shí)，主體部分上下層高度調(diào)節(jié)，上層下沉，同時(shí)上層的輪子收縮回機(jī)器人體內(nèi)，完成穿越。

5）前端抬升機(jī)構(gòu)：機(jī)器人在正常工作時(shí)，前端部分需要抬起60-70mm的高度，以便紅外探測(cè)儀采集信號(hào);但在機(jī)器人穿越防火墻孔洞時(shí)，則要求前端部分與本體部分保持一條直線，以便順利完成穿越。如圖1所示。

2.2 控制部分設(shè)計(jì)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、SD卡記憶模塊等多個(gè)模塊共同組成。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，傳感器檢測(cè)到彎道或者防火墻時(shí)，信息會(huì)發(fā)送至主控制器MCU然后在通過輸入輸出端口控制電機(jī)，使得機(jī)器人做出相應(yīng)的調(diào)整。在完成該項(xiàng)操作時(shí)，能夠恢復(fù)原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其控制流程圖如圖2所示。

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。采用LD1117三端穩(wěn)壓器及MIC5207電源模塊，分別對(duì)MCU進(jìn)行供電，以保證主控制電的穩(wěn)定性。同時(shí)加入了自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和反接二極管，充分保護(hù)MCU。

（2）傳感器模塊。當(dāng)熱釋電紅外傳感器收到紅外輻射源的照射時(shí)，其內(nèi)部敏感材料的溫度將升高，極化強(qiáng)度減弱，表面電荷減少，形成熱釋電電荷。由于熱釋電電荷經(jīng)電路轉(zhuǎn)變成的輸出電壓也同樣可以反映出材料溫度的變化，從而探測(cè)出紅外輻射能量的變化。

（3）SD卡記憶模塊。該機(jī)器人預(yù)期使用控制內(nèi)置系統(tǒng)內(nèi)置FLASH ROM存儲(chǔ)芯片，以便能隨時(shí)記錄采集來的數(shù)據(jù)，方便對(duì)電纜的情況進(jìn)行隨時(shí)匯報(bào)。

2.3 抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的干擾可以通過屏蔽的方法加以抑制，本設(shè)計(jì)主要針對(duì)電場(chǎng)干擾，電磁場(chǎng)干擾進(jìn)行抗干擾處理。

（1）電場(chǎng)屏蔽。使用接地的金屬體包裹控制板，金屬體可以是很薄的金屬箔，屏蔽體對(duì)地直接接地。采用盒形和全封閉的屏蔽體。

（2）電磁場(chǎng)屏蔽。電磁場(chǎng)屏蔽是靠對(duì)電磁波的反射和吸收來完成的，屏蔽效果與屏蔽體的厚度無關(guān)。選擇屏蔽體材料的原則是：當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流形成抵消作用;當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的空間去;在某些場(chǎng)合下，如果要求對(duì)高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的屏蔽效果時(shí)，往往采用不同的金屬材料和磁材料組成多層屏蔽體。

（3）通信方式。采用NBIoT的通信方式，通信覆蓋增強(qiáng)，通信頻率在800KHz左右，帶寬較窄，所以受干擾相對(duì)較小。并且在天線處采用濾波器，防雷擊浪涌處理。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人，在其前端安裝有紅外熱像儀，工作時(shí)將前半段抬升，使得熱像儀和上方的電纜近距離接觸，以達(dá)到檢測(cè)其溫度的效果。其后半部分是驅(qū)動(dòng)部分，分為上下兩個(gè)部分，且這兩部分的相對(duì)高度可以自由調(diào)節(jié)，其收縮時(shí)可通過防火墻下的孔洞。在通過彎道時(shí)，電纜溝容易把機(jī)器人卡死，無法轉(zhuǎn)彎，因此，該機(jī)器人可以通過上下部分的高度調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)溝外轉(zhuǎn)彎。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人能夠滿足當(dāng)前電纜安全檢測(cè)的需要，有較大的實(shí)用價(jià)值，創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）蛇形機(jī)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：目前市場(chǎng)上沒有可檢測(cè)電纜溫度的機(jī)器人，與現(xiàn)有的檢測(cè)機(jī)器人相比，蛇形設(shè)計(jì)可以靈活穿越防火墻，實(shí)現(xiàn)橫向和縱向尺寸調(diào)節(jié)。

（2）機(jī)身自身高度的調(diào)節(jié)：因?yàn)殡娎|溝內(nèi)部環(huán)境的局限性，機(jī)身通過上下伸縮的機(jī)構(gòu)，可自行調(diào)節(jié)機(jī)身的高度，以便于更加安全的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和穿越防火墻。

（3）機(jī)身兩側(cè)的車輪伸縮調(diào)節(jié)：利用齒輪齒條進(jìn)行橫向的伸縮，來調(diào)節(jié)機(jī)身的寬度，以便出穿越防火墻孔洞。

參考文獻(xiàn)

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Research on Wire and Cable Detection Robot Based on Infrared Sensing Technology

JIANG Wei-hua，YAO Jing-kun

（Henan Institute of Technology，Henan Xinxiang? 453003）

Abstract：In view of the difficulty of cable detection and the low efficiency of manual detection， this paper puts forward the research based on infrared sensing robot， and puts forward the research plan and Countermeasures for the robot body， control part and anti-interference part respectively. Through field test， the designed snake-like robot can meet the needs of current cable safety detection， and has great practical value.

Key words：infrared; wire and cable;detection