电力电缆隧道自动巡检机器人设计

国网辽宁省电力有限公司大连供电公司 辽宁 大连 116000

正文：

1.自动巡检机器人系统设计

根据电缆隧道现场情况以及电力电缆运维规程的要求，本设计对自动巡检机器人的巡检功能、检测功能、通讯功能、机械结构进行了设计。

1.1 巡检功能

自动巡检机器人需要对隧道内的电缆运行情况、隧道主体状况以及隧道内环境进行综合巡视，系统具备自主巡检、远程遥控、上位机操控3种工作模式。其中自主巡检功能主要通过激光测距传感器、最小二乘法拟合直线算法来实现[1]，机器人可实现沿步道自主前进，实现运动中避障、避积水坑等功能。

1.2 检测功能

本设计根据国网公司对高压电力电缆隧道环境监测的基本要求，配备了氧气、CO2、CO、可燃、有毒等气体浓度、温湿度等传感器，用于监测隧道内环境数据，并通过无线通讯方式将数据发至上位机[2]。为实现远程遥控、上位机操控模式要求，机器人配备了红外摄像头，可通过WiFi实时将视频信号上传，方便操作人员观察电缆及隧道运行情况。

1.3 通讯功能

通讯系统中，上位机下达控制指令，经操作端网桥将信号转为无线信号，以2.4GHz 频率的WiFi通信的发送至机器人端网桥，机器人端网桥将无线信号转为有线信号，发送至中间箱体电路[3]。中间箱体电路将接收到的控制指令分配给顶部箱体电路、左侧箱体电路、右侧箱体电路。同时，中间箱体电路采集各传感器、摄像头信息发至机器人端网桥，通过无线发至操作端网桥，控制程序通过解析回传的信息，将图像以及传感器信息显示在上位机中。

1.4 机械结构设计

本设计的机械结构包括机器人的主要材料、外部尺寸、驱动形式、整体布置方案进行了设计，根据实际需求进行了防水、防火设计。

因机器人应有防水、防火的能力，故选取了6061号铝合金为主体材料；根据电力隧道工井尺寸计算机器人长╳宽应小于600mm╳500mm；为提高机器人越障、通过复杂地形的能力，机器人的驱动形式为四轮驱动。

机器人需跨越防火门和应对泥泞路面，所以将轮胎设计成齿轮，防止轮胎打滑。机器人主体分为三个箱体，箱体之间通过螺栓连接。两侧箱体放置电动机及电池，中间箱体放置升降台、摄像头及传感器，箱体间信号及电力的传输电缆连接。为便于将机器人放入隧道中，在两侧箱体的顶端各布置了两个吊耳。为了增加机器人的通过能力，在两侧箱体的底面和靠近中间的位置进行了倒角处理。

加工前对全部机械零件以及防水橡胶垫进行了三维建模，并进行了虚拟装配，虚拟装配与实际组装对比图如图1所示。对关键部件进行了有限元仿真，根据设计好的三维模型生成图纸交付工厂进行加工、组装。

图1 虚拟装配与实际组装对比图

2.仿真测试

为减少实地试验，并验证巡检算法和结构的可行性，本设计对电缆隧道多种地形进行了三维建模。建模对象主要包括电缆隧道顶部、底部及左右两侧墙体、电缆支架、电力电缆、以及积水坑、砖石、台阶等。如图2所示，即为建模后得到的电缆隧道局部图，图中物体均按照电缆隧道实测尺寸建模。

图2 电缆隧道与机器人模型

将建好的模型导入Webots 机器人仿真软件中，加入所需传感器，将半自主巡检算法移植到Webots 中，使用Webots 进行仿真以测试算法的可靠性。

仿真中，机器人可顺利通过直线路段、转弯路段以及折线路段，在理论上验证了算法的可行性。本文设计的机器人进入电缆隧道现场进行调试与测试，即可完成半自动巡检功能。

3.上位机设计

为了实现巡视电缆隧道内部情况，以及对机器人进行远距离操控，需设计上位机软件，该上位机软件可实时显示各气体传感器数据、机器人状态、电池电量、通讯信号强度等信息。

上位机界面可观察两路视频信号、监控温度传感器以及各个环境监测的数据，并根据设定好的环境参数阈值显示正常或危险不宜进入电缆隧道。

上位机还具备查看主路由器、发射网桥、接收网桥、网转串、导航摄像头、巡检摄像头的IP地址、PING值、错误率、远距离操控等信息的功能，用于判断机器人运行状态。

4.测试

依托电缆隧道实地对本设计进行了测试，包括防水、无线通讯距离、避障、最高速度、直线速度、爬坡能力、非连续台阶、极限长度深坑，以及连续运行时间等测试。测试结果表明，机器人各项指标均达到设计要求。

5.总结

根据测试，本设计满足大连地区电缆隧道巡检的需要，实现了从隧道外部控制隧道内机器人工作、通过自动巡检算法进行自动巡检、上位机遥控三种工作模式，为电力电缆巡检提供了新的解决方案。

通过实际应用，该机器人同时也存在着如下改进空间：

1、重量大，可通过选用其他新型材料进行减重；

2、远距离遥控时需加信号中继装置，可结合5G通讯技术发展寻求新的通讯解决方案；