電纜通道實(shí)景可視化多功能作業(yè)機(jī)器人的研究

馬進(jìn) 楊義軍 于金亮 趙世坡 張國平

摘 要：本電纜通道實(shí)景可視化多功能作業(yè)機(jī)器人的研發(fā)將使電纜線路的日常運(yùn)維做到可視化、參數(shù)化，大大提高了管理人員對電纜線路的管理水平。通過實(shí)景攝像技術(shù)、環(huán)境傳感器技術(shù)、遙控操作技術(shù)的結(jié)合，在曾設(shè)電纜施工作業(yè)時(shí)，本機(jī)器人可代替人實(shí)現(xiàn)拖繩作業(yè)，大大提高了施工安全水平，提升了作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：電纜通道；實(shí)景可視化；機(jī)器人

概述

城市用電負(fù)荷的快速增長，對供電可靠性提出了越來越高的要求。然而，電纜井內(nèi)巡視管理存在空白，管理人員無法及時(shí)了解井內(nèi)電纜接頭溫升情況，與電纜溝內(nèi)溫度、濕度變化。對電纜線路運(yùn)維缺乏一手資料。

1 當(dāng)前世界研究水平綜述

管道機(jī)器人是一種比較先進(jìn)的管道檢測設(shè)備，在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下，沿管道內(nèi)行走并實(shí)時(shí)連續(xù)的拍攝、顯示出管道內(nèi)圖像，直觀清晰的反映出管道內(nèi)故障點(diǎn)的狀況，克服了傳統(tǒng)檢測方法存在的弊端，提高了診斷精度，加強(qiáng)了對管道的認(rèn)識和把握能力，及時(shí)有效的完成了對管道的檢測與維護(hù)、維修任務(wù)，顯示出巨大的應(yīng)用前景。

2 機(jī)器人基本設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用變位履帶式機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)，變位履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過改變履帶的位置或履帶的機(jī)構(gòu)形式以達(dá)到適應(yīng)不同環(huán)境的要求，使用傳統(tǒng)機(jī)器人視覺界面集成紅外干涉投影技術(shù)使之可以完成機(jī)器人前方3-5米范圍內(nèi)的高精度三維空間掃描，進(jìn)而勘察電纜溝的布置與空間情況，并提供精確的空間測量數(shù)據(jù)。

視覺傳感器作為管道內(nèi)部狀態(tài)的檢測裝置，是管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分。本系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器與圖像處理器協(xié)同工作的方式，配合廣角鏡頭和照明系統(tǒng)，獲取管道內(nèi)部情況的數(shù)字圖像。通過CAN總線傳輸及JPEG編解碼算法，對數(shù)字圖像進(jìn)行處理。從而查明管道堵塞、錯(cuò)位等異?，F(xiàn)象，排除電纜敷設(shè)的隱患；并且監(jiān)測土建殘?jiān)奈恢?，以便開動(dòng)清掃器進(jìn)行清掃。

3 機(jī)器人研究方案與性能指標(biāo)

本電纜通道實(shí)景可視化多功能作業(yè)機(jī)器人主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、空間采集、傳感器平臺、總線通信和機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)幾大部分組成。本項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容如下：

（1）根據(jù)電纜排管監(jiān)視的應(yīng)用場合和具體功能要求，建立系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)模型；（2）著重討論視頻監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和可行性；（3）紅外干涉投影照明設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（4）基于CMOS彩色數(shù)字圖像傳感器及高性能圖像處理芯片的攝像頭模塊的設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)；（5）基于ARM7TDMI的JPEG圖像處理與顯示控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)；（6）多傳感器集成平臺的設(shè)計(jì)開發(fā)；（7）分析JPEG圖像壓縮算法的原理，編寫圖像采集部分的程序；（8）編寫軟件解碼程序，將JPEG圖像數(shù)據(jù)解壓成RGB數(shù)據(jù)；（9）掌握CAN總線的通信方法，制定合理有效的通信協(xié)議，設(shè)計(jì)軟件完成圖像數(shù)據(jù)及控制命令的高效傳輸；（10）完善管道機(jī)器人性能，完成產(chǎn)品的制作和生產(chǎn)。防水實(shí)驗(yàn)及拉力試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)器人工業(yè)性能。

本電纜通道實(shí)景可視化多功能作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成，管道機(jī)器人要在管道這樣的極限環(huán)境內(nèi)完成作業(yè)任務(wù)，其移動(dòng)載體的性能是關(guān)鍵。通過對江蘇地區(qū)電纜排管的疏通及牽引拉線施工過程的分析，為滿足對管道的檢測、清掃等作業(yè)任務(wù)的要求，所研究的電纜管道機(jī)器人必須具有良好的自定心性、較高的越障能力、良好的通過性、大驅(qū)動(dòng)力輸出和水下作業(yè)等特性，這樣才能保證機(jī)器人在管道這樣的極限環(huán)境下圓滿的完成預(yù)期的作業(yè)任務(wù)。電纜管道機(jī)器人主要由三維掃描攝像模塊，車體控制模塊，傳感器模塊，手持控制其模塊四大部分組成。

本項(xiàng)目機(jī)器人用于電纜管道探巡、鋪設(shè)拉線和管道清理工作。

機(jī)器人三維掃描攝像模塊可同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字影像采集與三維空間掃描工作。使用時(shí)，將清掃器安裝在機(jī)器人尾部，將機(jī)器人攝像頭朝前放入電纜排管一端入口，將電纜及牽引繩掛在清掃器后部，接通電源，電纜的電源芯線負(fù)責(zé)為機(jī)器人提供24V電源，操作者通過手持控制器，遙控機(jī)器人前行、后退或停止，并可以在液晶屏上監(jiān)視到管道內(nèi)的圖像，并開動(dòng)清掃器清掃管壁。如果不使用清掃功能，也可以不安裝清掃器，直接將電纜及牽引繩掛接在清掃器尾部，接通電源進(jìn)行操作。機(jī)器人由大功率微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，微處理器智能控制，具有足夠的牽引力穿越長度1000米的電纜管道，具有較強(qiáng)的爬坡能力和彎道通過能力，能夠牽引重量大于10kg的線纜，實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)拉線功能。采用增力臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的管徑并防止顛覆；采用微觀動(dòng)、靜密封技術(shù)，防止微觀泄漏；密封防水，滿足能在水深1米中穿行的要求；用高性能的抗腐蝕材料，防止機(jī)器人在帶有酸或堿性的水介質(zhì)中腐蝕。

手持控制器通過CAN總線發(fā)送命令給車體控制器，控制前后電機(jī)的前轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止?？梢苑浅７奖愕囊苿?dòng)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)操作。

牽引繩單元由牽引滌綸繩和繞線盤等組成，主要用于收放牽引繩，輔助電纜敷設(shè)，并且可以在事故時(shí)，將機(jī)器人從地下排管中拉出來。

整套電纜通道實(shí)景可視化多功能作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括：電源變換技術(shù)、微電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其微處理器控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)字圖像監(jiān)視技術(shù)、密封技術(shù)、爬坡技術(shù)和穿越水道技術(shù)。主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）機(jī)器人能牽引一定重量（大于10kg）的線纜；（2）機(jī)器人能依靠自主動(dòng)力穿越長度大于125米長的PE材料的電纜管道，電纜線輪上裝有計(jì)數(shù)器，可以看出機(jī)器人爬行的距離，機(jī)器人的最大爬行速度不低于0.1m/s；（3）機(jī)器人能適合φ150～φ500mm寬度的電纜溝；（4）具有圖像監(jiān)視功能，攝像頭寬視角能夠監(jiān)視管道正前方及管壁，圖像象素不小于800×600，攝像頭可拆卸；（5）圖像可以以數(shù)據(jù)的方式通過無線CAN總線實(shí)時(shí)傳輸，彩色圖像12幀/秒；（6）可以實(shí)時(shí)采集三維空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確測量，精度達(dá)到3cm；（7）可測量電纜接頭溫度，采集環(huán)境溫濕度，精度達(dá)到0.01℃；（8）機(jī)器人能可爬至少20°以上的坡度，能適應(yīng)管道不大于5度的彎曲度；（9）機(jī)器人能越過局部變化、坡鼓高度在20mm以下的坡鼓；（10）機(jī)器人能在水深不大于1米的環(huán)境作業(yè)；（11）具有抗腐蝕、防水、抗顛覆能力；（12）體積小、靈活性好；（13）具有安全回收措施；（14）實(shí)現(xiàn)5小時(shí)自主供電，無需外部電源支撐。

4 本項(xiàng)研究結(jié)論

本電纜通道實(shí)景可視化多功能作業(yè)機(jī)器人的成功研發(fā)推廣將使電纜線路的日常運(yùn)維做到可視化、參數(shù)化，大大提高了管理人員對電纜線路的管理水平。同時(shí)，在曾設(shè)電纜施工作業(yè)時(shí)，本機(jī)器人可代替人實(shí)現(xiàn)拖繩作業(yè)，大大提高了施工安全水平，提升了作業(yè)效率?！?/p>

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