室外高空轨道式可移动巡查机器人的研究

王盟锜

（山东省青岛第二中学，山东 青岛 266100）

0 引言

研究此项目的目的是为了改善工矿企业工人的工作状况，减少劳动强度，改善操作环境，降低工作风险，提升工作空间，提高工矿企业工人的工作效率，实现企业减员增效从而使企业取得良好的经济效益。

目前工矿企业对生产设备进行监测时，通常是由工作人员定时定线路对设备进行观测以确认设备的运行状态。常规安装的监控系统的方式为对应被监测目标定点安放摄像装置。这样的安装方式不仅占据了有限的工作空间，而且在对设备维护的时候需要移动观测设备，这样在恢复观测设备使用的过程中会产生大量的重复性工作，增加了劳动强度，日常维护的工作量相当大。

另外在石油化工、橡胶、农药、染料、医药等行业的反应釜被大量使用，由于介质的腐蚀性、反应条件忽冷忽热，加上使用操作不规范、人为等问题，并由此造成停产、安全事故及环境污染等不可预计的损失，所以在设备运行的时候需要工作人员长时间的随时通过观察窗进行查看[1]。

如果使用轨道式可移动安全巡查机器人完全可以代替人工巡检，使巡检工人从恶劣的环境中解脱出来，这将使巡检过程更加安全、可靠、数据更加真实，成本更低。特别在工矿企业局部发生险情时，可切换到手动操作方式对此机器人进行遥控操作，从而实现遥控探险作业，收集险情信息，对事故抢险工作起到不可替代的作用。

为此，本文将轨道式可移动安全巡查机器人作为重要课题来研发。

1 轨道式机器人的构成及功能

轨道式可移动监控机器人本体主要由步进电机及变速传动装置、车轮、蓄电池、充电插头以及机加工件和外壳组成，本体在步进电机的带动下，使左右的4个车轮在轨道上行走，由于机器人通常在特定的工作环境下工作，故对此进行一些特殊的设计处理，使其达到如下功能：

1）轨道式可移动安全巡查机器人良好的防护功能，使机器人能在特定的环境中正常工作。根据使用环境状况，用途等要求来确定防护方式。

2）轨道式可移动安全巡查机器人防腐功能，考虑部分环境具有腐蚀性介质，在防腐设计方面采取一定的防腐措施。

3）轨道式可移动安全巡查机器人保证工作的可靠性，必须能以重复的和预定的方式完成客户巡视计划和规定的数据采集功能，系统采用冗余设计。

4）轨道式可移动安全巡查机器人具有良好的适应性，轨道式可移动安全巡查机器人可实现电源智能控制，实现自充电、自动巡检功能。

5）轨道式可移动安全巡查机器人具有良好的易用性，机器人采用模块化设计。因此，便于维修检测，便于更换相关传感器等部件。

6）轨道式可移动安全巡查机器人经济性可观，一般有人值守系统都是2人3班制度，采用轨道式可移动安全巡查机器人后，值守人员只需要定期巡视检修即可，平时的值守任务可以由机器人完成，客户可以随时通过远程音频、视频和相应的数据报警信息对所在场所设备的工作情况进行全面了解。

2 拟解决的关键技术问题

轨道式可移动安全巡查机器人系统融合了电子技术、仪器仪表、自动控制、机械制造、计算机、无线传输及互联网技术，均涉及到当今许多前沿领域的技术。要实现危险区域巡查的机器人智能化，首先要解决的关键技术问题如下：

1）机器人本体的结构设计与制造问题。

2）巡查机器人轨道行走与制动定位问题。

3）整体机器人自动充电问题。

4）所检测的信息远传输问题。

5）数据、图像软件集成技术问题。

6）夜间摄像监视技术问题。

3 理论基础

利用所学过的物理知识，研发这种轨道式可移动巡查机器人，能解决以上问题。所用知识点如下：

1）电学技术知识：应用于本项目的直流电机的控制、信号无线传输、电池电压检测与自动充电。

2）牛顿第三定律：机器人在轨道上行走时的机械特性，两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反。

3）射频定位技术：应用于本装置行走的位置的检测（磁感应原理、数码技术原理）。

4）光学知识：应用夜间摄像头摄影（红外线特性）。

5）信号采集：工业数据采集。

4 研究方案

4.1 总体设计

在机械结构设计方面，为了简化设计和加工难度，轨道式机器人在采用四轮驱动的同时，增加了前后限位轮。由于轨道式机器人是在固定轨道上行走的，存在转弯半径的问题，本方案通过增加前后限位轮的方式，使机器人在前后运行过程遇到弯道时，通过限位轮进行弯道行进调整，从而用极低的成本实现了机器人的转弯功能。

高性能直流减速电机可以满足轨道机器人的平稳运行和25°以内的上下坡功能。由于本轨道巡检机器人的直流驱动电机自带减速机，所以能有效地防止轨道式巡检机器人停留在允许坡道的时候保持静止，防止溜车。

防止机器人在行进过程中被障碍物阻挡而发生事故，轨道式巡检机器人的前后端都装有超声波传感器，从而让轨道式巡检机器人有了避障的能力。为了远程控制机器人行进距离，实现机器人的定点测控，本方案通过在轨道上安装无源射频卡的方式进行轨道式巡检机器人的行进定位。轨道式巡检机器人的测控软件通过机器人运行速度和定位标签的双重校正方式实现机器人在轨道上的定位，从而用户可以通过测控软件将机器人遥控到轨道上的预定位置。

采用无源射频卡的定位方式，具有很高的实用性、准确性和高性价比。因此，本方案可以适应线路曲折或长距离的用户定位需求部署。

4.2 系统框架设计

移动机器人视频监控系统采用“采集—中继—接收”的结构设计方式，这3类节点的多个节点组成无线局域网。机器人携带采集节点，将视频信息由多个中继节点组成无线网络，通过动态网络拓扑选择最优路径发送到接收节点，PC控制端通过接收节点逆向控制机器人的行为，如图3所示。

图1 机器人本体结构示意图Fig.1 Diagram of robot ontology structure

图2 机器人轨道安装示意图Fig.2 Schematic diagram of robot track installation

图3 系统框架Fig.3 System framework

无线传输因为功率限制问题，当机器人与信号收发网桥距离太远时，或者在拐弯处出现信号衰减时，需手动加入无线中继节点来保证视频、数据的正常传输。

4.3 系统硬件设计

采集部分由移动机器人控制PLC、传感器、IP摄像机、无线网桥等模块组成。

机器人控制系统采用上下两层的控制结构。其中，控制器作为底层的控制以及机器人本身传感器的数据采集处理器；车载计算机作为数据信息的处理器以及附件的扩展平台。

机器人采用西门子Smart200 PLC对现场远红外温度传感器、烟雾传感器等现场传感器进行数据采集和机器人行走、定位、自充电等动作进行控制。摄像图像和音频信号通过无线Wi-Fi桥接回路和测控数据一起传输到轨道式可移动安全巡查机器人综合管理平台，从而实现视频、音频、数据信号等信息的全集成[2]。从而使远程用户拥有身临其境般的测控感受同时，精确观测、记录现场数据，完全替代了有人值守系统中的抄表、就地人工操作等功能。因此，轨道式可移动安全巡查机器人可以极大地提高工业用户的管理水平，同时减少了巨额的人工成本和管理成本。

另外在一个工厂的多个车间或者不同区域，用户可以通过内部控制网络将多地部署的轨道式可移动安全巡查机器人，同时接入到轨道式可移动安全巡查机器人管理平台上，实现轨道式可移动安全巡查机器人的集群控制和数据整合，从而为整个工业现场无人值守系统的大数据分析和数据挖掘提供了丰富而统一的数据源。

4.4 系统集成图（见图4）

图4 系统集成图Fig.4 System Integration diagram

5 主要技术原理及技术方法

5.1 自动充电装置技术原理及方法

主要由蓄电池、电源管理单元、充电插头组件组成（如图5所示）。电源管理单元检测到蓄电池电量低于规定值时，会向控制单元发出充电指令，控制单元会自动将机器人移动到指定的充电位置进行充电，充电完成后，向控制单元发出充电完成的信息，等待巡查的指令[3]。

图5 自动充电装置组成示意图Fig.5 Diagram of the composition of the automatic charging device

轨道式巡检机器人，在自动巡检状态下，在电量低于安全值时会自动回到充电桩的位置进行充电。其过程是：当轨道巡检机器人自检到缺电时，自动返回到充电桩，并自行将充电插头进行对接。当充电插头对接到位后，充电桩和轨道巡检机器人的充电回路闭合，此时进入充电状态。当轨道巡检机器人充电完毕后，轨道巡检机器人与充电桩自动断开充电回路，机器人会自动与充电桩脱离，继续进入自动巡检状态。

在轨道式巡检机器人处于远程手动遥测的情况下，用户可以在选择到手动模式后，通过手动方式远程遥控机器人进行充电。

5.2 信息远程传输技术原理及方法

信息远程传输主要由无线网桥、485通讯模组、户外无线基站、NVR及磁盘阵列等部分组成，采用Wi-Fi技术搭建无线网络，网络中设多个节点使网络覆盖范围扩大，从而实现长距离的信息传输功能。控制人员可以从计算机控制移动机器人的运动，通过实时分析机器人传回的图像、音频和数据参数，对机器人灵活和实时控制。

另外在轨道式巡检机器人运动平台上，还可以根据用户需求加载其他的无线通讯收发装置，从而实现多种无线通讯方式的并存使用。

5.3 图像、音频信号的采集处理技术原理及方法

1）图像的采集

摄像机主要为IP数字摄像机。其主要作用是将现场视频信号和音频信号进行采集。摄像机所采集的信号通过无线Wi-Fi网络实时传输给后台平台软件，并通过硬盘录像机进行存储和回放管理。用户可以通过平台软件对移动轨道巡检机器人上的摄像机的角度进行适时调节，从而实现定点、定向观测。

2）音频信号的采集和语音对讲

对于简单声音采集需求，本系统可以将现场音频信号通过摄像机自带的拾音器将现场声音采集，从而用户可以实时听到工业现场的声音。对于某些对声音采集清晰度高的工业现场，可以采用高精度工业拾音器进行音频信号的采集和数字化处理，从而实现音频信号的远传和存储。

图6 光源组成示意图Fig.6 Schematic diagram of light source composition

在某些需要语音对讲和音频广播的场所，移动式轨道机器人还可以加装IP语音通讯组件，从而实现中控室在平台软件授权的情况下，客户端与现场人员的双向对讲功能（IP语音对讲设备为选配设备）。

3）照明光源的技术原理与方法

光源主要由光敏元件及红外灯光组成（如图6所示），在现场环境照度不能满足摄像机需要的情况下，可自动开启照明装置。前端机器人安装有感光原件，随外接光线的变化自行调节光源照明。可根据现场环境不同，通过软件模拟测试照度需求，对光照强度进行相关设置（照射光源为现场选配设备）。

6 收获与体会

作为一名中学生，能够扎扎实学好课本知识，善于观察，善于分析问题，将理论知识与实践相结合，解决实际问题。本次研发活动通过对化工产品泄漏事故的思考及现场实际情况的考察，利用自己所学的知识，从安全性、经济性、适用性着手，研究更合适无人巡查测量易燃易爆液体检测的机器人，在几个月的研究和资料的收集、整理过程中，学到了很多课本中无法学到的知识，收获极大，同时也更激发了发明创造的热情。