一種新型的電纜隧道巡檢機(jī)器人研制

張小軍 付豪 張博 莊文兵

摘要：隧道電纜的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到地下供電網(wǎng)絡(luò)與各級(jí)變電站的安全性與可靠性。電纜溝道智能巡檢機(jī)器人研究，是一種基于集成檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)的巡檢裝置，該裝置配置的溫濕度傳感器、熱成像儀、攝像機(jī)、微波探傷儀和電源模塊等能實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溝道的溫濕度、熱分布、空間成像、設(shè)備物理缺陷等情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能代替人工高效率高質(zhì)量的巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜溝內(nèi)的各種安全隱患，防患于未然。

關(guān)鍵詞：智能巡檢;自動(dòng)控制;傳感器;電源;電纜溝

中圖分類號(hào)：TM835文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DevelopmentofANewTypeofCableTunnelRoutingInspectionRobot

ZhangXiaojun¹，F(xiàn)uHao²，ZhangBo²，ZhuangWenBing¹

（1.ElectricPowerResearchInstitute，StateGridXinjiangElectricPowerCompany，Urumqi830011，

XinjaingUygurAutonomousRegion，China;

2.StateGridXinjiangElectricPowerCompany，Urumqi830011，XinjaingUygurAutonomousRegion，China）

Abstract：Thesafeandstableoperationofthetunnelcableisdirectlyrelatedtothesafeanstableoperationoftheundergroundpowersupplynetworkandsubstationsatalllevels.Researchoncablechannelintelligenttransportationinspectionrobotsaimtosupplyanewmethodforcablechannelinspection.Thecablechannelintelligenttransportationinspectionrobotsisakindoftechnologybasedonintegrateddetectionandautomaticcontroltechnologiesincludingtemperature&humiditysensor，thermalimager，camera，microwaveflawdetectorandpowermoduleetc.Byethedevice，temperature，humidity，heatdistributionandspaceofthecablechannelcanbemonitoredreal-timely.Real-timemonitoringofimagingandequipmentphysicaldefectscanreplaceartificialhigh-efficiencyandhigh-qualityinspectionsandtimelydiscovervarioussafetyhazardsincabletrenchestopreventproblemsbeforetheyoccur.

Keywords：intelligentinspection;automaticcontrol;sensor;powersupply;cabletunnel

0引言

越來(lái)越多的城市或人口密集區(qū)采用地下電纜輸配電方式取代架空輸電線路，成為城市電網(wǎng)的重要組成部分。與其相應(yīng)的，變電站的隧道管網(wǎng)總長(zhǎng)度與日俱增。故此，隧道電纜的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到地下供電網(wǎng)絡(luò)與各級(jí)變電站的安全性與可靠性。在環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的隧道中，電纜長(zhǎng)期運(yùn)行，時(shí)常出現(xiàn)老化、斷股、磨損、腐蝕或小動(dòng)物噬咬等問(wèn)題，加之隧道環(huán)境惡劣，常年沉積有易燃有毒氣體，如不及時(shí)采取措施，極有可能釀成火災(zāi)爆炸事故，損失慘重。所以，必須對(duì)隧道中的電纜定期檢查維護(hù)，隨時(shí)了解電纜運(yùn)行情況及其周圍環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患，確保供電安全。

傳統(tǒng)的人工工作方式缺陷明顯。勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定，存在嚴(yán)重的人身安全隱患，已經(jīng)越來(lái)越適應(yīng)不了現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需要。隨著機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，智能機(jī)器人設(shè)備將會(huì)成為智能電網(wǎng)的重要組成部分，對(duì)電網(wǎng)供電能力和供電質(zhì)量提出更高的要求。

1國(guó)內(nèi)網(wǎng)研究水平綜述

美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家先后開展了地上巡檢機(jī)器人的研究工作，并取得了階段性的成果。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著城市地下配電網(wǎng)絡(luò)的普及，美國(guó)率先完成原理樣機(jī)的開發(fā)工作。但是也存在一些缺點(diǎn)與不足，如連續(xù)工作時(shí)間較短，只能維持1小時(shí)左右;遠(yuǎn)程主機(jī)與機(jī)器人之間無(wú)線通信的允許最大距離（十米之內(nèi)）較短，當(dāng)機(jī)器人大部分電子器件暴露在外，防水性能較差，當(dāng)其工作在滴水現(xiàn)象發(fā)生的隧道中，會(huì)對(duì)機(jī)器人的正常運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響，甚至無(wú)法完成電纜檢測(cè)工作。

我國(guó)城市地下配電網(wǎng)的快速發(fā)展并完善給電纜巡檢機(jī)器人的研制帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇，從理論研究到原理樣機(jī)的研制都取得了豐碩的成果。上海市電力公司2009年設(shè)計(jì)出了一種小型電纜隧道檢測(cè)機(jī)器人。但是該機(jī)器人體積仍然較大，無(wú)法滿足小型電纜管道的巡檢任務(wù)。

2012年由杭州市電力局研發(fā)的電纜隧道巡檢智能機(jī)器人具有自主巡檢、突發(fā)事件處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，續(xù)航能力長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)，配有高清可見光和紅外攝像機(jī)、有害氣體檢測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)電纜形變、溫度及有害氣體的監(jiān)測(cè)。但是，該機(jī)器人采用輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)，越障能力較差，只能在大型的地面相對(duì)平緩的電纜隧道中進(jìn)行工作。

目前，針對(duì)機(jī)器人用于地下電纜管道作業(yè)與電纜檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究并不多見，比較典型的有上海電力公司小型電纜隧道檢測(cè)機(jī)器人，上海交大電纜管道機(jī)器人，巴西南里奧格蘭德聯(lián)邦大學(xué)的TATUBOT機(jī)器人。但以上地下電纜機(jī)器人功能較為單一，如僅針對(duì)電纜隧道內(nèi)綜合檢測(cè)、僅用于管道疏通或施工驗(yàn)收、僅用于管內(nèi)電纜狀態(tài)檢測(cè)。

適用于電纜隧道巡檢的機(jī)器人還處于原理樣機(jī)階段，當(dāng)前時(shí)期在高機(jī)動(dòng)性載體、復(fù)雜環(huán)境越障、環(huán)境探測(cè)、通訊、遠(yuǎn)程控制、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等方面都需要針對(duì)電纜隧道情況，進(jìn)行深入細(xì)致的研究，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平。

2總體設(shè)計(jì)

開發(fā)一套人機(jī)界面，可以顯示電纜溫度數(shù)據(jù)、隧道內(nèi)實(shí)時(shí)圖像、隧道內(nèi)氣體種類和濃度、云臺(tái)運(yùn)行情況、各電機(jī)狀態(tài)、報(bào)警等信息。裝置的工作參數(shù)可以反饋傳輸?shù)綑z修人員手機(jī)。通過(guò)遙控手柄和手機(jī)APP控制裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

裝置的工作參數(shù)可以反饋傳輸?shù)綑z修人員手機(jī)，通過(guò)遙控手柄和APP控制裝置的運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)軟件使用C#編寫，具有友好美觀的人機(jī)交互界面，其主要功能有：1、控制探測(cè)頭的開閉或移動(dòng);2、控制巡檢機(jī)器人的移動(dòng);3、控制探測(cè)頭托架的動(dòng)作;4、串口與下位機(jī)通信;5、緊急停止等。

2.1機(jī)器人組成框架圖

該機(jī)器人包括控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣體檢測(cè)裝置、電纜檢測(cè)裝置、導(dǎo)航定位裝置、通訊裝置、電源管理系統(tǒng)。移動(dòng)體組成部分框圖如圖所示。該巡檢系統(tǒng)包括機(jī)器人（移動(dòng)體）、通訊網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程終端三部分組成。

2.2運(yùn)動(dòng)控制

分析電纜隧道機(jī)器人的工作狀況，需要機(jī)器人完成低速向前運(yùn)動(dòng)，左右原地轉(zhuǎn)向，能適應(yīng)斜坡地面。為滿足以上要求，設(shè)計(jì)采用四驅(qū)輪式結(jié)構(gòu)，用全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制直流減速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速正反轉(zhuǎn)。直流減速電機(jī)自帶減速箱，轉(zhuǎn)速低扭矩大，很適合電纜隧道機(jī)器人。

2.3定位裝置

隧道內(nèi)部路口較多，要完成各個(gè)路段的巡檢工作，需要設(shè)定好機(jī)器人的行進(jìn)路線。如果機(jī)器人有“認(rèn)路”功能，那么隧道遍歷工作就可以順利完成。聯(lián)想到公路路口設(shè)置的道路指示牌，如果在隧道內(nèi)部各路口處也設(shè)置“路牌”，那么機(jī)器人就可以參考“路牌”，對(duì)自身定位。然而公路路牌是文字，機(jī)器人較難實(shí)現(xiàn)識(shí)字功能。此處，我們使用射頻卡充當(dāng)“路牌”，使用射頻卡讀卡裝置充當(dāng)機(jī)器人的“眼睛”。

2.4溫濕度及氣體含量傳感器

氣體檢測(cè)裝置含多種空氣質(zhì)量傳感器，有：硫化氫傳感器，一氧化碳傳感器，氫氣傳感器，溫濕度傳感器，煙霧傳感器，甲烷傳感器等。使用的氣體含量傳感器均輸出模擬電壓量，其電壓值正比于檢測(cè)的氣體含量。氣體傳感器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。需要進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)化的傳感器較多。

溫濕度傳感器DHT11器件采用簡(jiǎn)化的單總線通信。單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由單總線完成。設(shè)備（主機(jī)或從機(jī)）通過(guò)一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其它設(shè)備使用總線。

3實(shí)施方案

3.1行走動(dòng)力裝置

為了巡檢機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜的電纜隧道環(huán)境，選用雙履帶式結(jié)構(gòu)。履帶上設(shè)計(jì)有凸起的等間距分布的橡膠結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加了機(jī)器人的越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源與機(jī)體后方下部的兩個(gè)直流減速電機(jī)，電機(jī)通過(guò)兩對(duì)錐齒輪改變扭矩方向，將動(dòng)力分別傳遞到左右后輪上，而后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，帶動(dòng)整個(gè)履帶的運(yùn)動(dòng)和其他輔輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

整個(gè)裝置的基座部分采用強(qiáng)度高、密度小的鋁合金，使得機(jī)器人整體重量大大減少，也不會(huì)影響其使用壽命，且便于加工，并且重量的減小又進(jìn)一步提高電機(jī)的效率，后驅(qū)動(dòng)輪的扭矩進(jìn)一步增大，使得機(jī)器人的越障能力、環(huán)境適應(yīng)能力進(jìn)一步提高。

3.2探測(cè)云臺(tái)升降與旋轉(zhuǎn)裝置

云臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)依靠調(diào)節(jié)中心絲杠的收縮量實(shí)現(xiàn)裝置的升降功能，兩對(duì)懸臂兩端分別連接云臺(tái)與基座，共同構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的四連桿機(jī)構(gòu)。而絲杠與靠近基座的一對(duì)懸臂又形成一個(gè)三連桿機(jī)構(gòu)。絲杠末端裝有一組電機(jī)，傳動(dòng)引入絲杠螺母，通過(guò)無(wú)線遙控器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，絲杠收縮，使得三連桿機(jī)構(gòu)的絲杠部分變短。

云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)依靠云臺(tái)內(nèi)后方的舵機(jī)的正逆旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)鏡頭部分的左右旋轉(zhuǎn)，整個(gè)鏡頭部分由內(nèi)外兩層弧形結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)層為正常半圓弧結(jié)構(gòu)，而外層由半圓弧和平直擋板組成，擋板部分無(wú)弧度，這就在機(jī)械的層面上解決了云臺(tái)鏡頭的旋轉(zhuǎn)邊界閾值問(wèn)題。

3.3檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置由氣體檢測(cè)與電纜信息檢測(cè)組成，氣體檢測(cè)有溫濕度傳感器和氣體含量傳感器，而對(duì)于電纜信息的監(jiān)測(cè)則依靠電纜圖像的采集和電纜溫度的測(cè)量來(lái)完成。

氣體檢測(cè)裝置中的溫濕度傳感器DHT11器件采用簡(jiǎn)化的單總線通信，當(dāng)DHT11模塊收到單片機(jī)呼叫時(shí)，其返回的數(shù)據(jù)是上一次呼叫時(shí)測(cè)量的溫濕度結(jié)果，而當(dāng)次呼叫測(cè)量的數(shù)據(jù)將于收到下一次呼叫時(shí)發(fā)送出去?？紤]到隧道內(nèi)部比較封閉，溫濕度不會(huì)突變，設(shè)置3秒的呼叫時(shí)間間隔是可以接受的。

使用的氣體含量傳感器均輸出模擬電壓量，設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)果位數(shù)為12位，則轉(zhuǎn)換結(jié)果取值范圍在0～4095之間。ADC最大識(shí)別電壓為3.3V，即可以分辨out引腳在許用電壓范圍內(nèi)0.8mV的電壓變化。測(cè)試結(jié)果顯示，這個(gè)精度是可以滿足需要的。使用者可以根據(jù)需要設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)果為10或16位，選用位數(shù)可視實(shí)際情況而定。

對(duì)于電纜信息的圖像采集，采用CMOS攝像頭器件，分辨率可以達(dá)到640×480，傳輸速率可以達(dá)到30幀，能夠滿足圖像采集系統(tǒng)的要求。OV7620的控制采用SCCB（SeriaICameraControlBus）協(xié)議。SCCB是簡(jiǎn)化的I2C協(xié)議，SIO.l是串行時(shí)鐘輸入線，SIO.O是串行雙向數(shù)據(jù)線，分別相當(dāng)于I2C協(xié)議的SCL和SDA。

而最重要的溫度信息的采集，采用紅外非接觸溫度計(jì)。傳感器的探測(cè)視場(chǎng)是一個(gè)夾角平面。傳感器測(cè)量的溫度為視場(chǎng)里所有物體溫度的平均值。運(yùn)用此特性，可測(cè)量隧道中一定面積電纜的整體溫度。

4結(jié)論

（1）在原有技術(shù)基礎(chǔ)上，繼續(xù)研發(fā)驅(qū)動(dòng)方案和監(jiān)測(cè)方案采仍然用原來(lái)技術(shù)方案，控制方案則升級(jí)為無(wú)線通訊遠(yuǎn)程遙控控制系統(tǒng)和移動(dòng)客戶端雙端控制，可以滿足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)變電站電纜溝的巡檢功能。

（2）機(jī)械越障部分主要采用了履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)，另外為了方便機(jī)器人越障，機(jī)器人另設(shè)計(jì)安裝了輔助擺臂;雙端通訊部分運(yùn)用了有線通訊與無(wú)線通訊的結(jié)合通訊方式，極大的提高了機(jī)器人的通訊可控范圍。

（3）機(jī)器人機(jī)械越障部分、雙端通訊部分、遠(yuǎn)程控制部分和監(jiān)控軟件部分相互獨(dú)立卻又彼此聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性和工作的連貫性，易于部分維修和協(xié)調(diào)工作。

（4）電纜溝智能巡檢機(jī)器人安全可靠，高效便捷，功能完備，可有效預(yù)防電纜事故隱患的發(fā)生，提高電力自動(dòng)化水平，加快電網(wǎng)智能化發(fā)展，推動(dòng)電纜溝巡檢的無(wú)紙化和信息化，切實(shí)提高巡檢的工作效率和質(zhì)量，為電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行管理提供了一種創(chuàng)新型的設(shè)備檢測(cè)和監(jiān)控手段。

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作者簡(jiǎn)介：

張小軍（1988-），男，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析、電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究，E-mail：523389980@qq.com