管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及與輸送機(jī)的配合設(shè)計(jì)

鄧建旺 張洪凱

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

管帶機(jī)智能巡檢機(jī)器人可以代替人工實(shí)現(xiàn)對(duì)特定范圍內(nèi)運(yùn)行工況的自動(dòng)檢查，并且在發(fā)現(xiàn)異常之后立即報(bào)警，為檢修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱蔽故障、保障系統(tǒng)運(yùn)行安全發(fā)揮了積極作用。但是巡檢機(jī)器人在使用中也存在諸多問(wèn)題，例如定位不夠精準(zhǔn)、通信質(zhì)量不高等。在這種情況下，智能巡檢機(jī)器人如果搭載多種傳感裝置，每臺(tái)傳感器都作為一個(gè)感知源，拓展了數(shù)據(jù)采集渠道，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送作業(yè)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。在作業(yè)環(huán)境復(fù)雜化、操作設(shè)備多樣化的發(fā)展背景下，智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用前景廣闊。

1 管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 核心技術(shù)

該機(jī)械采用集轉(zhuǎn)向、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)、預(yù)壓縮于一體的雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)裝置的基本參數(shù)為：主動(dòng)模塊電動(dòng)機(jī)功率70.8W，額定運(yùn)行速度在0-1m/s（可調(diào)），爬坡能力≤8°；采用電子標(biāo)簽+里程計(jì)數(shù)據(jù)的定位技術(shù)，利用內(nèi)置霍爾傳感器和軌道上安裝的磁鐵，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位。軌道左側(cè)磁鐵為定位初始點(diǎn)，右側(cè)磁鐵為定位點(diǎn)。從傳感器識(shí)別信號(hào)到機(jī)器人控制系統(tǒng)作出響應(yīng)，周期為10ms，可有效控制定位誤差，制動(dòng)距離≤0.5m。機(jī)器人到達(dá)塢站后自動(dòng)對(duì)接充電設(shè)備后開(kāi)始充電。在巡檢過(guò)程中，可通過(guò)聲音識(shí)別、視覺(jué)識(shí)別、溫度檢測(cè)判斷故障位置、故障類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化巡檢。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊是智能巡檢機(jī)器人的核心部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人總質(zhì)量（m）40kg，滑輪直徑40mm，滑輪與軌道之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)（f）取0.05，最大加速度（α）0.5m/s2。主動(dòng)模塊使用1 臺(tái)最大功率70.8W 的電機(jī)提供動(dòng)力，減速器速比8.3:1，同步輪速比28:14。根據(jù)管帶機(jī)運(yùn)行環(huán)境的不同，可分為兩種工況：一種是平路時(shí)，爬坡角度（θ）為0°，這時(shí)驅(qū)動(dòng)輪所需驅(qū)動(dòng)力（F）為：

F=f×mgcosθ+mgsinθ+ma=40N

需要力矩（T）=F×r=40×0.25=1N·m。根據(jù)電機(jī)減速比（8.3:1）和配合同步帶（2:1），計(jì)算出所需速度V=nΠφ/60=1.45m/s。以滑動(dòng)摩擦系數(shù)（μ）取0.4 為例，則機(jī)器人所需正壓力（N）=F/μ=40/0.4=100N。同時(shí)，假設(shè)4 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所受壓力均攤，則每個(gè)輪的壓力N′=mg/4=100N，正好滿(mǎn)足機(jī)器人在平路時(shí)的行駛需要。

還有一種是爬坡時(shí)，以該機(jī)器人允許的最大爬坡角度8°為例，按照上文驅(qū)動(dòng)力（F）的計(jì)算公式，可得爬坡時(shí)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力（F1）=95.5N。已知鏈輪分度圓直徑（d）為50mm，則力矩（T）=F1×r=95.5×50/2=2.39 N·m。根據(jù)電機(jī)減速比（5.2:1）和蝸輪蝸桿減速比（13.5:1），計(jì)算出所需速度V=0.34m/s?；瑒?dòng)系數(shù)（μ）不變，則機(jī)器人所需正壓力（N1）=F/μ=95.5/0.4=238.75 N。而單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的壓力仍然為100N。故該機(jī)器人在爬坡（8°）時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)額外提供238.75-100=138.75N 的力才能滿(mǎn)足其正常運(yùn)行的需要。

2 管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)與輸送機(jī)的配合設(shè)計(jì)

2.1 輸送機(jī)設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行管帶機(jī)輸送任務(wù)中，應(yīng)用管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化操作，在減輕巡檢工作人員的工作量及提高工作效率上有很好的效果，并且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)題，保證輸送過(guò)程的安全性。管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人化操作，避免工人在環(huán)境危險(xiǎn)的輸送管廊中進(jìn)行作業(yè)，系統(tǒng)中的攝像儀器及檢測(cè)儀器可以通過(guò)智能化控制，達(dá)到精準(zhǔn)作業(yè)的效果。待生成圖像后可以對(duì)整個(gè)管廊情況進(jìn)行監(jiān)控，從而進(jìn)一步對(duì)管廊中管帶扭曲、跑偏、皮帶撕裂、托輥磨損、驅(qū)動(dòng)溫度異等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)現(xiàn)階段在技術(shù)應(yīng)用、設(shè)備管理及數(shù)據(jù)分析方面均以達(dá)到較高水平，在進(jìn)行作業(yè)監(jiān)控過(guò)程中都能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確并具有可追溯性，從而降低了工作人員由于水平經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題而帶來(lái)的操作失誤。在輸送機(jī)巡檢過(guò)程中系統(tǒng)應(yīng)用的是高性能電池，配合分布式自主充電，可隨時(shí)對(duì)管廊進(jìn)行巡檢。

2.2 輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

輸送機(jī)進(jìn)行管廊作業(yè)需要結(jié)合實(shí)際環(huán)境進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，以敬業(yè)項(xiàng)目為例，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基于管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)的輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

其中NR101、NK101 為共線管帶，K113、K114 為共線管帶機(jī)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，巡檢機(jī)器人需要根據(jù)管帶機(jī)臺(tái)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為保證雙側(cè)巡檢效果，雙線并行的管帶機(jī)需要應(yīng)用三臺(tái)智能機(jī)器人協(xié)助管帶機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)管廊全線巡檢效果。

2.3 管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)配合輸送機(jī)作業(yè)的功能要求

2.3.1 巡檢功能

支持全自主巡檢和人工遙控巡檢兩種模式，不同模式之間能夠做到靈活切換。對(duì)于全自主巡檢，操作人員可提前預(yù)設(shè)巡檢指令，包括巡檢范圍、巡檢頻次等。具體又包括了例行和特巡兩種方式。

2.3.2 檢測(cè)功能

管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)前端配備有若干類(lèi)型的檢測(cè)設(shè)備，可用于感知、采集外界信息，如紅外熱成像儀可檢測(cè)溫度，聲音采集設(shè)備可收集聲音信息，光攝像機(jī)可對(duì)皮帶、托輥架等物體進(jìn)行拍照等。所有采集到的圖像、視頻、音頻等信息，實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控后臺(tái)，同步顯示。

2.3.3 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)功能

根據(jù)前端采集裝置反饋的實(shí)時(shí)信息，分析、判斷有無(wú)異常情況或潛在故障。如果存在皮帶跑偏、托輥發(fā)熱、嚴(yán)重噪聲等問(wèn)題，立即報(bào)警并中止智能巡檢機(jī)器人當(dāng)前任務(wù)，按照預(yù)設(shè)指令安全返航進(jìn)行檢修。除了一鍵返航外，還支持應(yīng)急實(shí)施對(duì)講，方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員與后臺(tái)管理人員進(jìn)行語(yǔ)音交流。

2.3.4 防碰撞功能

利用安裝在管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)周邊的傳感器，及時(shí)感知障礙物，并立即停止，防止發(fā)生碰撞。如果處于全自助模式，在檢測(cè)到障礙清除后可按照原定線路繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù)。

2.3.5 自主學(xué)習(xí)功能

智能巡檢系統(tǒng)通過(guò)自有單片機(jī)系統(tǒng)，對(duì)預(yù)先植入的輸送機(jī)正常信號(hào)保存，同時(shí)實(shí)時(shí)收據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)比對(duì)，形成正常與異常工況數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)報(bào)警。通過(guò)熱成像監(jiān)測(cè)皮帶撕裂情況，與廠家提供皮帶性能參數(shù)對(duì)比，反算出皮帶壽命與更換時(shí)間，為正常生產(chǎn)與檢修預(yù)警。

2.3.6 其他功能

除了上述主要的功能外，該管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)還要求配備自主充電功能、夜視功能、軌道自主導(dǎo)航功能等。

2.4 輸送機(jī)檢測(cè)內(nèi)容

智能巡檢系統(tǒng)在輸送機(jī)中的應(yīng)用，可完成皮帶機(jī)滾筒、托輥的發(fā)熱、軸承燒壞卡死不工作、皮帶架開(kāi)縫、螺絲松動(dòng)、皮帶的撕裂、溫度異常、托輥異響等工況檢測(cè)。

2.4.1 皮帶機(jī)滾筒異常工況檢測(cè)

預(yù)先植入輸送機(jī)正常信號(hào)作為參考信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)收集滾筒聲音信號(hào)后，首先分析正常高低音，將處于高低音范圍內(nèi)的正常聲音過(guò)濾掉。對(duì)于剩余的異常聲音進(jìn)行分類(lèi)，提取噪音特征。利用MFCC 梅爾倒譜系數(shù)對(duì)噪音的音頻進(jìn)行處理。利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)噪音處理結(jié)果進(jìn)行判斷，判斷屬于哪一類(lèi)別的噪音，從而分析出產(chǎn)生噪音的故障類(lèi)型。

2.4.2 托輥磨損檢測(cè)

對(duì)于拍攝所得照片，利用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)，判斷托輥的位置。基于OPENCV 開(kāi)閉運(yùn)算處理獲取托輥所有連接像素，然后在此基礎(chǔ)上再使用細(xì)化骨架算法，得到托輥的高度、寬度、傾斜率等參數(shù)。將基于拍攝照片的分析結(jié)果，與托輥的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，以及是否需要更換。

2.4.3 托輥溫度異常檢測(cè)

利用紅外熱成像儀獲取各托輥的實(shí)時(shí)溫度，并且對(duì)溫度異常的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)熱成像分析，找出溫度最高點(diǎn)，自動(dòng)分析導(dǎo)致溫度異常的原因。

3 管帶機(jī)智能巡檢軟件系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)連接

軟件的整體架構(gòu)分為4 層，每層包含了1 種或多種服務(wù)器，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)集成軟件部署圖

依據(jù)服務(wù)器的功能將8 類(lèi)服務(wù)器進(jìn)行劃分：

傳感器接入電路后即可以立即開(kāi)始工作。在處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，震動(dòng)軸靜止，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)傳感器感受到震動(dòng)時(shí)，震動(dòng)軸位移，電路瞬時(shí)斷開(kāi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)震動(dòng)的觸發(fā)功能。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到傳感器單獨(dú)工作輸出電壓不穩(wěn)定，為了保證模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量時(shí)信號(hào)不失真，因此采用了LM393電壓比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。同時(shí)為增強(qiáng)裝置的適應(yīng)性，提高靈敏度，在設(shè)計(jì)電路時(shí)采用了調(diào)節(jié)電位器，可以通過(guò)自主調(diào)節(jié)電阻值大小改變傳感器的靈敏度[3]。

3.1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)器

包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、FTP 文件服務(wù)器等。操作步驟是將前端采集的數(shù)據(jù)，或在虛擬機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，按照使用需求在服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)傳遞或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1.2 視頻服務(wù)器

用于運(yùn)行、管理視頻流。操作步驟是將關(guān)鍵數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等轉(zhuǎn)化成視頻形式，在顯示器上呈現(xiàn)出來(lái)，方便檢修人員更加直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行工況或故障情況。

3.1.3 應(yīng)用服務(wù)器

包括Web 服務(wù)器、手機(jī)APP 服務(wù)器等。主要進(jìn)行Web 網(wǎng)站的日常維護(hù)，通過(guò)前臺(tái)響應(yīng)、后臺(tái)服務(wù)，確保智能巡檢機(jī)器人的各項(xiàng)應(yīng)用功能順利實(shí)現(xiàn)。

3.2 聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)共設(shè)有9 個(gè)接口，3 個(gè)接口為下發(fā)接口，用于連接機(jī)器人系統(tǒng)和控制中心管理系統(tǒng)。6 個(gè)為上報(bào)接口，用于連接機(jī)器人系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)。以下發(fā)接口中的中繼站巡檢設(shè)備清單推送為例，進(jìn)行如下調(diào)試：

3.2.1 選擇接口并定義接口名稱(chēng)。

3.2.2 描述接口功能，即后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)備清單推送。

3.2.3 設(shè)定接口的接入方式，服務(wù)端與機(jī)器人系統(tǒng)連接，客戶(hù)端與后臺(tái)管理系統(tǒng)連接。

3.2.4 定義接口輸入、輸出內(nèi)容。如表2、表3 所示。

表2 輸入數(shù)據(jù)表

表3 輸出數(shù)據(jù)表

完成上述準(zhǔn)備后，啟動(dòng)管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行巡檢。自動(dòng)推送預(yù)設(shè)的巡檢設(shè)備清單。一段時(shí)間后，觀察巡檢機(jī)器人是否對(duì)清單上所列電氣設(shè)備進(jìn)行巡檢。若所有設(shè)備均完成一次檢查，則說(shuō)明該功能可以正常實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語(yǔ)

管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)使用GPS 定位器、紅外測(cè)溫儀、高清攝像機(jī)等作為數(shù)據(jù)采集裝置，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)AP 系統(tǒng)將信號(hào)傳送至后臺(tái)系統(tǒng)，利用軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常工況的精準(zhǔn)識(shí)別。管帶機(jī)智能巡檢系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集更加準(zhǔn)確、全面，分析結(jié)果更加可靠等特點(diǎn)，為巡檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱蔽故障、盡快采取修復(fù)措施，為保障操作安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持。