基于掛軌機器人的智能巡檢系統(tǒng)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(tǒng)的應(yīng)用場合，介紹了巡檢系統(tǒng)在實際應(yīng)用中一些功能，包括自主定位導(dǎo)航巡檢、視頻及環(huán)境檢測、自主安全防護、語音對講、自身狀態(tài)檢測等，然后介紹了基于掛軌機器人的智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計，包括軌道、供電系統(tǒng)、機器人本體、通信系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等，最后說明實物系統(tǒng)在新疆某廠房應(yīng)用中取得了良好的巡檢效果，為各行各業(yè)的機器人巡檢提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：掛軌機器人；智能巡檢；滑觸線；載波通信；STM32F407；B/S架構(gòu)

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(chǎn)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(huán)境復(fù)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(jīng)驗和情緒、主觀意識的影響；頻率低，間隔長，設(shè)備發(fā)生故障不能及時被發(fā)現(xiàn)；設(shè)備運行過程中無法進行人工巡檢作業(yè)；人工獲取的數(shù)據(jù)難以形成系統(tǒng)性，參考意義不大；井下作業(yè)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(shù)、圖像識別技術(shù)、紅外測溫技術(shù)的發(fā)展，機器人巡檢代替人工巡檢已逐漸成為設(shè)備巡檢的發(fā)展方向。機器人巡檢系統(tǒng)能讓運維人員足不出戶就可全景掌握設(shè)備的狀態(tài)，減少巡檢次數(shù)，降低日常維護的人員、車輛以及物資等維護成本，挖掘設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)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(shè)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(tǒng)進行設(shè)計和應(yīng)用。

1 功能介紹

開發(fā)的機器人巡檢系統(tǒng)主要有自主定位導(dǎo)航巡檢、視頻及環(huán)境檢測、自主安全防護、語音對講、自身狀態(tài)檢測等功能。

機器人采用傳感器和軟件計算結(jié)合場景軌道布置實現(xiàn)自然環(huán)境下的精準定位，能根據(jù)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(shè)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(guī)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(yù)，便可完成巡檢作業(yè)，自動記錄、保存、上傳數(shù)據(jù)。

機器人利用自身攜帶各種環(huán)境傳感器對現(xiàn)場被巡檢設(shè)備和環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，然后將采集的數(shù)據(jù)進行分析，進而診斷出設(shè)備是否存在故障并觸發(fā)相應(yīng)報警。一般可用于設(shè)備指示燈、數(shù)字及指針表計、開關(guān)閥門等識別，也可用于跑冒滴漏的高變倍監(jiān)控實現(xiàn)液體跑冒滴漏事件的實時監(jiān)測。巡檢任務(wù)執(zhí)行完成后會自動生成任務(wù)報表，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備及環(huán)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(qū)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(shè)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(dāng)前的各種狀態(tài)，提醒巡檢區(qū)域內(nèi)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(wù)。

巡檢系統(tǒng)可通過搭建的網(wǎng)絡(luò)在機器人端與后臺主控室之間進行實時語音對講，方便現(xiàn)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(jiān)控自身狀態(tài)并通過警示燈或后臺客戶端顯示。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

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

2.1 軌道和供電系統(tǒng)

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(diào)整可調(diào)節(jié)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(jù)現(xiàn)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(shè)于軌道上。

機器人要開展巡檢工作，穩(wěn)定的電源系統(tǒng)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(shè)置充電裝置間斷性充電，巡檢效率相對不高。本系統(tǒng)創(chuàng)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(guān)電源對應(yīng)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(shè)計是本系統(tǒng)的核心，主要由工控機、主控板、電機驅(qū)動系統(tǒng)、各種傳感器、電源模塊等組成，如圖3所示。實現(xiàn)機器人運動控制、視頻和傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸保存、安全防護、狀態(tài)檢測、語音對講相關(guān)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(nèi)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(tǒng)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(zé)視頻、語音、傳感器、機器人狀態(tài)等數(shù)據(jù)采集處理傳輸保存等。

運動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和機器人狀態(tài)檢測顯示相關(guān)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(nèi)核，最高頻率可達168 MHz，從Flash存儲器執(zhí)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(shù)據(jù)并計算實時運行里程結(jié)合光電傳感器矯正的方式來實現(xiàn)，編碼器采用進口傳感器安裝在驅(qū)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(qū)域的反光標簽，一般直道間隔8 m內(nèi)，距離彎道0.1～0.5 m范圍內(nèi)，軌道盡頭1 m內(nèi)都貼有標簽，當(dāng)機器人攜帶光電傳感器到標簽附近時傳感器自身發(fā)射的紅外光經(jīng)反射光強度變強可以感應(yīng)到對應(yīng)的IO脈沖信號被MCU檢測到并確定對應(yīng)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(tǒng)來實現(xiàn)，包括驅(qū)動器、電機、制動電阻等，驅(qū)動器具有PID調(diào)節(jié)功能，MCU通過CAN通信下發(fā)速度使機器人可穩(wěn)定加減速和勻速運行在軌道上到達預(yù)定的目標位置[6]。本系統(tǒng)加裝的傳感器可根據(jù)不同場景配置，常規(guī)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(tài)，一旦超出上下限數(shù)值就會使得機器人三色燈變相應(yīng)燈顏色，同時語音播報器也會播報相應(yīng)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(tài)信息以及各模塊之間相互通信校驗，如果狀態(tài)或通信異常機器人也能及時發(fā)現(xiàn)并停止運行提醒管理人員檢修。

對于整個系統(tǒng)來講機器人的安全防護是至關(guān)重要的一環(huán)，本系統(tǒng)采用多重安全防護措施，包括避障雷達、碰撞開關(guān)、急停開關(guān)等[7]。選用的避障雷達探測距離可達20 m，感應(yīng)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(qū)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(fā)射激光脈沖，當(dāng)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(jù)發(fā)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(yīng)措施。值得一提的是雷達可以根據(jù)輸入IO信號設(shè)置16個不同區(qū)域，這樣可以在不同區(qū)域設(shè)置不同觸發(fā)距離，從而實現(xiàn)機器人應(yīng)付復(fù)雜環(huán)境的避障功能。輸出3個IO信號對應(yīng)3個防護級別分別對應(yīng)遠端預(yù)警、正常停止、急停停止，可使機器人提前預(yù)判調(diào)整運動軌跡，區(qū)域設(shè)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(xiàn)。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(guān)，當(dāng)碰撞開關(guān)觸發(fā)后，內(nèi)部開關(guān)閉合，該信號可切斷驅(qū)動器輸出使得機器人失去動力，同時接入主控板，使系統(tǒng)知道碰撞開關(guān)觸發(fā)狀態(tài)。急停開關(guān)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(tǒng)。

電源模塊也是極為重要的，它為機器人本體所有設(shè)備提供了穩(wěn)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(zhuǎn)化為24 V和12 V以供工控機、主控板、傳感器等設(shè)備工作，經(jīng)計算功率都取50 W，而驅(qū)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(nèi)，所以直接輸入即可。

2.3 通信系統(tǒng)

目前，巡檢機器人常用的通信方式有Wi-Fi、移動網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定、數(shù)據(jù)延時大、時常掉線連接的問題。移動網(wǎng)絡(luò)一般只有在空曠的環(huán)境信號才好，在室內(nèi)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(xiàn)有電力線，不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，信號穩(wěn)定、高傳輸速率、抗干擾性強、免布線煩惱、即插即用。應(yīng)用電力載波通信技術(shù)，進行音視頻、控制指令和系統(tǒng)狀態(tài)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(wǎng)成本[8]。

得益于系統(tǒng)采用滑觸線方式供電，利用其搭載電力載波模塊實現(xiàn)機器人與后端的通信，服務(wù)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(nèi)，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(guān)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(wěn)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(chǎn)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(wù)器系統(tǒng)

本系統(tǒng)涉及各種數(shù)據(jù)檢測、遠程控制、數(shù)據(jù)存儲及支持多機器人監(jiān)控等功能，考慮到后續(xù)的機器人系統(tǒng)增加、接入檢測設(shè)備的增加、算法的不斷提升，特建立服務(wù)器系統(tǒng)[9]，該方案可實現(xiàn)一臺服務(wù)器包含多種功能：

1）高并發(fā)高可靠、多用戶、多業(yè)務(wù)、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(shè)備的全生命周期管理。

2）提供網(wǎng)絡(luò)管理、用戶管理、機器人管理、地圖管理、任務(wù)管理、報警管理。

3）AI和實時數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)、調(diào)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(tǒng)

巡檢系統(tǒng)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(gòu)，將控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)集中在服務(wù)端上，通過瀏覽器對機器人進行操控實現(xiàn)跨平臺統(tǒng)一的用戶交互[10]。機器人的視頻、數(shù)據(jù)、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(nèi)容可編輯，客戶端軟件界面具備機器人各種數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、機器人控制等功能，對機器人的實時坐標進行動態(tài)更新和顯示。

3 應(yīng)用實例

基于本系統(tǒng)技術(shù)的掛軌機器人巡檢系統(tǒng)已應(yīng)用于隧道作業(yè)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(shè)備閥門開關(guān)等識別和環(huán)境氣體監(jiān)測運行現(xiàn)場和客戶端管理畫面。目前已連續(xù)穩(wěn)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(shè)備動作狀態(tài)，可以實時顯示現(xiàn)場氣體濃度、環(huán)境溫度、噪音值等傳感器數(shù)值和機器人速度、位置等狀態(tài)，高效完成了預(yù)定的巡檢任務(wù)，且數(shù)據(jù)可追述便于管理，給客戶節(jié)省了大量人力成本。

4 結(jié) 論

綜上，基于掛軌機器人的巡檢系統(tǒng)方案穩(wěn)定可靠，切實代替人解決了一些需要巡檢的工作任務(wù)，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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的大力發(fā)展，該系統(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻：

[1] 王天野.室內(nèi)軌道巡檢與作業(yè)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā) [D].南京：南京理工大學(xué)，2019.

[2] 李祥，崔昊楊，曾俊冬，等.變電站智能機器人及其研究展望 [J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2017，33（1）：15-19.

[3] 蔡兆祝.基于兩棲機器人的雨污管道自動化巡檢技術(shù)研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2021.

[4] 李新海，徐寶軍，肖星，等.變電站掛軌機器人智能巡檢系統(tǒng)技術(shù)研究[J].電氣傳動，2021，51（19）：43-49.

[5] 劉永成，馬孝林，孫昊，等.移動機器人智能取電技術(shù)研究 [J].信息技術(shù)與信息化，2021（9）：217-219.

[6] 胡楠，張吉沐陽，郭鍵，等.配電房軌道式自動巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].計算機測量與控制，2016，24（3）：95-98+102.

[7] 石金進，朱成龍.移動機器人安全性研究綜述 [J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2022，43（3）：151-156.

[8] 俞海猛，隋仕偉，劉夢爽，等．基于電力載波通信技術(shù)的智能小區(qū)抄表系統(tǒng) [J]．計算機測量與控制，2022，30（11）：251-256+278.

[9] 胡肸.軌道攝像機器人服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [D].南京：南京理工大學(xué)，2017.

[10] 李征.基于B/S結(jié)構(gòu)的水下機器人遠程控制的設(shè)計 [J].工業(yè)設(shè)計，2016（5）：144-145.

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(shù)。

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