电缆通道实景可视化多功能作业机器人的研究

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摘 要：本电缆通道实景可视化多功能作业机器人的研发将使电缆线路的日常运维做到可视化、参数化，大大提高了管理人员对电缆线路的管理水平。通过实景摄像技术、环境传感器技术、遥控操作技术的结合，在曾设电缆施工作业时，本机器人可代替人实现拖绳作业，大大提高了施工安全水平，提升了作业效率。

关键词：电缆通道；实景可视化；机器人

概述

城市用电负荷的快速增长，对供电可靠性提出了越来越高的要求。然而，电缆井内巡视管理存在空白，管理人员无法及时了解井内电缆接头温升情况，与电缆沟内温度、湿度变化。对电缆线路运维缺乏一手资料。

1 当前世界研究水平综述

管道机器人是一种比较先进的管道检测设备，在操作人员的远距离控制下，沿管道内行走并实时连续的拍摄、显示出管道内图像，直观清晰的反映出管道内故障点的状况，克服了传统检测方法存在的弊端，提高了诊断精度，加强了对管道的认识和把握能力，及时有效的完成了对管道的检测与维护、维修任务，显示出巨大的应用前景。

2 机器人基本设计

本项目采用变位履带式机器人底盘设计，变位履带式移动机构通过改变履带的位置或履带的机构形式以达到适应不同环境的要求，使用传统机器人视觉界面集成红外干涉投影技术使之可以完成机器人前方3-5米范围内的高精度三维空间扫描，进而勘察电缆沟的布置与空间情况，并提供精确的空间测量数据。

视觉传感器作为管道内部状态的检测装置，是管内作业机器人的一个重要组成部分。本系统采用CMOS图像传感器与图像处理器协同工作的方式，配合广角镜头和照明系统，获取管道内部情况的数字图像。通过CAN总线传输及JPEG编解码算法，对数字图像进行处理。从而查明管道堵塞、错位等异常现象，排除电缆敷设的隐患；并且监测土建残渣的位置，以便开动清扫器进行清扫。

3 机器人研究方案与性能指标

本电缆通道实景可视化多功能作业机器人主要由控制系统、驱动装置、空间采集、传感器平台、总线通信和机器人本体结构几大部分组成。本项目的主要研究内容如下：

（1）根据电缆排管监视的应用场合和具体功能要求，建立系统整体设计模型；（2）着重讨论视频监测系统的设计方案和可行性；（3）红外干涉投影照明设备的硬件设计与实现；（4）基于CMOS彩色数字图像传感器及高性能图像处理芯片的摄像头模块的设计与硬件实现；（5）基于ARM7TDMI的JPEG图像处理与显示控制系统的硬件实现；（6）多传感器集成平台的设计开发；（7）分析JPEG图像压缩算法的原理，编写图像采集部分的程序；（8）编写软件解码程序，将JPEG图像数据解压成RGB数据；（9）掌握CAN总线的通信方法，制定合理有效的通信协议，设计软件完成图像数据及控制命令的高效传输；（10）完善管道机器人性能，完成产品的制作和生产。防水实验及拉力试验，验证机器人工业性能。

本电缆通道实景可视化多功能作业机器人结构组成，管道机器人要在管道这样的极限环境内完成作业任务，其移动载体的性能是关键。通过对江苏地区电缆排管的疏通及牵引拉线施工过程的分析，为满足对管道的检测、清扫等作业任务的要求，所研究的电缆管道机器人必须具有良好的自定心性、较高的越障能力、良好的通过性、大驱动力输出和水下作业等特性，这样才能保证机器人在管道这样的极限环境下圆满的完成预期的作业任务。电缆管道机器人主要由三维扫描摄像模块，车体控制模块，传感器模块，手持控制其模块四大部分组成。

本项目机器人用于电缆管道探巡、铺设拉线和管道清理工作。

机器人三维扫描摄像模块可同时实现数字影像采集与三维空间扫描工作。使用时，将清扫器安装在机器人尾部，将机器人摄像头朝前放入电缆排管一端入口，将电缆及牵引绳挂在清扫器后部，接通电源，电缆的电源芯线负责为机器人提供24V电源，操作者通过手持控制器，遥控机器人前行、后退或停止，并可以在液晶屏上监视到管道内的图像，并开动清扫器清扫管壁。如果不使用清扫功能，也可以不安装清扫器，直接将电缆及牵引绳挂接在清扫器尾部，接通电源进行操作。机器人由大功率微型电机驱动，微处理器智能控制，具有足够的牵引力穿越长度1000米的电缆管道，具有较强的爬坡能力和弯道通过能力，能够牵引重量大于10kg的线缆，实现电缆敷设拉线功能。采用增力臂结构设计，使机器人能够适应不同的管径并防止颠覆；采用微观动、静密封技术，防止微观泄漏；密封防水，满足能在水深1米中穿行的要求；用高性能的抗腐蚀材料，防止机器人在带有酸或碱性的水介质中腐蚀。

手持控制器通过CAN总线发送命令给车体控制器，控制前后电机的前转，反转和停止。可以非常方便的移动机器人进行相关操作。

牵引绳单元由牵引涤纶绳和绕线盘等组成，主要用于收放牵引绳，辅助电缆敷设，并且可以在事故时，将机器人从地下排管中拉出来。

整套电缆通道实景可视化多功能作业机器人系统包括：电源变换技术、微电机驱动及其微处理器控制技术、导航技术、数字图像监视技术、密封技术、爬坡技术和穿越水道技术。主要技术特点如下：

（1）机器人能牵引一定重量（大于10kg）的线缆；（2）机器人能依靠自主动力穿越长度大于125米长的PE材料的电缆管道，电缆线轮上装有计数器，可以看出机器人爬行的距离，机器人的最大爬行速度不低于0.1m/s；（3）机器人能适合φ150～φ500mm宽度的电缆沟；（4）具有图像监视功能，摄像头宽视角能够监视管道正前方及管壁，图像象素不小于800×600，摄像头可拆卸；（5）图像可以以数据的方式通过无线CAN总线实时传输，彩色图像12帧/秒；（6）可以实时采集三维空间数据，进行精确测量，精度达到3cm；（7）可测量电缆接头温度，采集环境温湿度，精度达到0.01℃；（8）机器人能可爬至少20°以上的坡度，能适应管道不大于5度的弯曲度；（9）机器人能越过局部变化、坡鼓高度在20mm以下的坡鼓；（10）机器人能在水深不大于1米的环境作业；（11）具有抗腐蚀、防水、抗颠覆能力；（12）体积小、灵活性好；（13）具有安全回收措施；（14）实现5小时自主供电，无需外部电源支撑。

4 本项研究结论

本电缆通道实景可视化多功能作业机器人的成功研发推广将使电缆线路的日常运维做到可视化、参数化，大大提高了管理人员对电缆线路的管理水平。同时，在曾设电缆施工作业时，本机器人可代替人实现拖绳作业，大大提高了施工安全水平，提升了作业效率。■

参考文献

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