室外高空軌道式可移動巡查機器人的研究

王盟锜

（山東省青島第二中學，山東 青島 266100）

0 引言

研究此項目的目的是為了改善工礦企業工人的工作狀況，減少勞動強度，改善操作環境，降低工作風險，提升工作空間，提高工礦企業工人的工作效率，實現企業減員增效從而使企業取得良好的經濟效益。

目前工礦企業對生產設備進行監測時，通常是由工作人員定時定線路對設備進行觀測以確認設備的運行狀態。常規安裝的監控系統的方式為對應被監測目標定點安放攝像裝置。這樣的安裝方式不僅占據了有限的工作空間，而且在對設備維護的時候需要移動觀測設備，這樣在恢復觀測設備使用的過程中會產生大量的重復性工作，增加了勞動強度，日常維護的工作量相當大。

另外在石油化工、橡膠、農藥、染料、醫藥等行業的反應釜被大量使用，由于介質的腐蝕性、反應條件忽冷忽熱，加上使用操作不規范、人為等問題，并由此造成停產、安全事故及環境污染等不可預計的損失，所以在設備運行的時候需要工作人員長時間的隨時通過觀察窗進行查看[1]。

如果使用軌道式可移動安全巡查機器人完全可以代替人工巡檢，使巡檢工人從惡劣的環境中解脫出來，這將使巡檢過程更加安全、可靠、數據更加真實，成本更低。特別在工礦企業局部發生險情時，可切換到手動操作方式對此機器人進行遙控操作，從而實現遙控探險作業，收集險情信息，對事故搶險工作起到不可替代的作用。

為此，本文將軌道式可移動安全巡查機器人作為重要課題來研發。

1 軌道式機器人的構成及功能

軌道式可移動監控機器人本體主要由步進電機及變速傳動裝置、車輪、蓄電池、充電插頭以及機加工件和外殼組成，本體在步進電機的帶動下，使左右的4個車輪在軌道上行走，由于機器人通常在特定的工作環境下工作，故對此進行一些特殊的設計處理，使其達到如下功能：

1）軌道式可移動安全巡查機器人良好的防護功能，使機器人能在特定的環境中正常工作。根據使用環境狀況，用途等要求來確定防護方式。

2）軌道式可移動安全巡查機器人防腐功能，考慮部分環境具有腐蝕性介質，在防腐設計方面采取一定的防腐措施。

3）軌道式可移動安全巡查機器人保證工作的可靠性，必須能以重復的和預定的方式完成客戶巡視計劃和規定的數據采集功能，系統采用冗余設計。

4）軌道式可移動安全巡查機器人具有良好的適應性，軌道式可移動安全巡查機器人可實現電源智能控制，實現自充電、自動巡檢功能。

5）軌道式可移動安全巡查機器人具有良好的易用性，機器人采用模塊化設計。因此，便于維修檢測，便于更換相關傳感器等部件。

6）軌道式可移動安全巡查機器人經濟性可觀，一般有人值守系統都是2人3班制度，采用軌道式可移動安全巡查機器人后，值守人員只需要定期巡視檢修即可，平時的值守任務可以由機器人完成，客戶可以隨時通過遠程音頻、視頻和相應的數據報警信息對所在場所設備的工作情況進行全面了解。

2 擬解決的關鍵技術問題

軌道式可移動安全巡查機器人系統融合了電子技術、儀器儀表、自動控制、機械制造、計算機、無線傳輸及互聯網技術，均涉及到當今許多前沿領域的技術。要實現危險區域巡查的機器人智能化，首先要解決的關鍵技術問題如下：

1）機器人本體的結構設計與制造問題。

2）巡查機器人軌道行走與制動定位問題。

3）整體機器人自動充電問題。

4）所檢測的信息遠傳輸問題。

5）數據、圖像軟件集成技術問題。

6）夜間攝像監視技術問題。

3 理論基礎

利用所學過的物理知識，研發這種軌道式可移動巡查機器人，能解決以上問題。所用知識點如下：

1）電學技術知識：應用于本項目的直流電機的控制、信號無線傳輸、電池電壓檢測與自動充電。

2）牛頓第三定律：機器人在軌道上行走時的機械特性，兩個物體之間的作用力和反作用力，總是同時在同一條直線上，大小相等，方向相反。

3）射頻定位技術：應用于本裝置行走的位置的檢測（磁感應原理、數碼技術原理）。

4）光學知識：應用夜間攝像頭攝影（紅外線特性）。

5）信號采集：工業數據采集。

4 研究方案

4.1 總體設計

在機械結構設計方面，為了簡化設計和加工難度，軌道式機器人在采用四輪驅動的同時，增加了前后限位輪。由于軌道式機器人是在固定軌道上行走的，存在轉彎半徑的問題，本方案通過增加前后限位輪的方式，使機器人在前后運行過程遇到彎道時，通過限位輪進行彎道行進調整，從而用極低的成本實現了機器人的轉彎功能。

高性能直流減速電機可以滿足軌道機器人的平穩運行和25°以內的上下坡功能。由于本軌道巡檢機器人的直流驅動電機自帶減速機，所以能有效地防止軌道式巡檢機器人停留在允許坡道的時候保持靜止，防止溜車。

防止機器人在行進過程中被障礙物阻擋而發生事故，軌道式巡檢機器人的前后端都裝有超聲波傳感器，從而讓軌道式巡檢機器人有了避障的能力。為了遠程控制機器人行進距離，實現機器人的定點測控，本方案通過在軌道上安裝無源射頻卡的方式進行軌道式巡檢機器人的行進定位。軌道式巡檢機器人的測控軟件通過機器人運行速度和定位標簽的雙重校正方式實現機器人在軌道上的定位，從而用戶可以通過測控軟件將機器人遙控到軌道上的預定位置。

采用無源射頻卡的定位方式，具有很高的實用性、準確性和高性價比。因此，本方案可以適應線路曲折或長距離的用戶定位需求部署。

4.2 系統框架設計

移動機器人視頻監控系統采用“采集—中繼—接收”的結構設計方式，這3類節點的多個節點組成無線局域網。機器人攜帶采集節點，將視頻信息由多個中繼節點組成無線網絡，通過動態網絡拓撲選擇最優路徑發送到接收節點，PC控制端通過接收節點逆向控制機器人的行為，如圖3所示。

圖1 機器人本體結構示意圖Fig.1 Diagram of robot ontology structure

圖2 機器人軌道安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of robot track installation

圖3 系統框架Fig.3 System framework

無線傳輸因為功率限制問題，當機器人與信號收發網橋距離太遠時，或者在拐彎處出現信號衰減時，需手動加入無線中繼節點來保證視頻、數據的正常傳輸。

4.3 系統硬件設計

采集部分由移動機器人控制PLC、傳感器、IP攝像機、無線網橋等模塊組成。

機器人控制系統采用上下兩層的控制結構。其中，控制器作為底層的控制以及機器人本身傳感器的數據采集處理器；車載計算機作為數據信息的處理器以及附件的擴展平臺。

機器人采用西門子Smart200 PLC對現場遠紅外溫度傳感器、煙霧傳感器等現場傳感器進行數據采集和機器人行走、定位、自充電等動作進行控制。攝像圖像和音頻信號通過無線Wi-Fi橋接回路和測控數據一起傳輸到軌道式可移動安全巡查機器人綜合管理平臺，從而實現視頻、音頻、數據信號等信息的全集成[2]。從而使遠程用戶擁有身臨其境般的測控感受同時，精確觀測、記錄現場數據，完全替代了有人值守系統中的抄表、就地人工操作等功能。因此，軌道式可移動安全巡查機器人可以極大地提高工業用戶的管理水平，同時減少了巨額的人工成本和管理成本。

另外在一個工廠的多個車間或者不同區域，用戶可以通過內部控制網絡將多地部署的軌道式可移動安全巡查機器人，同時接入到軌道式可移動安全巡查機器人管理平臺上，實現軌道式可移動安全巡查機器人的集群控制和數據整合，從而為整個工業現場無人值守系統的大數據分析和數據挖掘提供了豐富而統一的數據源。

4.4 系統集成圖（見圖4）

圖4 系統集成圖Fig.4 System Integration diagram

5 主要技術原理及技術方法

5.1 自動充電裝置技術原理及方法

主要由蓄電池、電源管理單元、充電插頭組件組成（如圖5所示）。電源管理單元檢測到蓄電池電量低于規定值時，會向控制單元發出充電指令，控制單元會自動將機器人移動到指定的充電位置進行充電，充電完成后，向控制單元發出充電完成的信息，等待巡查的指令[3]。

圖5 自動充電裝置組成示意圖Fig.5 Diagram of the composition of the automatic charging device

軌道式巡檢機器人，在自動巡檢狀態下，在電量低于安全值時會自動回到充電樁的位置進行充電。其過程是：當軌道巡檢機器人自檢到缺電時，自動返回到充電樁，并自行將充電插頭進行對接。當充電插頭對接到位后，充電樁和軌道巡檢機器人的充電回路閉合，此時進入充電狀態。當軌道巡檢機器人充電完畢后，軌道巡檢機器人與充電樁自動斷開充電回路，機器人會自動與充電樁脫離，繼續進入自動巡檢狀態。

在軌道式巡檢機器人處于遠程手動遙測的情況下，用戶可以在選擇到手動模式后，通過手動方式遠程遙控機器人進行充電。

5.2 信息遠程傳輸技術原理及方法

信息遠程傳輸主要由無線網橋、485通訊模組、戶外無線基站、NVR及磁盤陣列等部分組成，采用Wi-Fi技術搭建無線網絡，網絡中設多個節點使網絡覆蓋范圍擴大，從而實現長距離的信息傳輸功能。控制人員可以從計算機控制移動機器人的運動，通過實時分析機器人傳回的圖像、音頻和數據參數，對機器人靈活和實時控制。

另外在軌道式巡檢機器人運動平臺上，還可以根據用戶需求加載其他的無線通訊收發裝置，從而實現多種無線通訊方式的并存使用。

5.3 圖像、音頻信號的采集處理技術原理及方法

1）圖像的采集

攝像機主要為IP數字攝像機。其主要作用是將現場視頻信號和音頻信號進行采集。攝像機所采集的信號通過無線Wi-Fi網絡實時傳輸給后臺平臺軟件，并通過硬盤錄像機進行存儲和回放管理。用戶可以通過平臺軟件對移動軌道巡檢機器人上的攝像機的角度進行適時調節，從而實現定點、定向觀測。

2）音頻信號的采集和語音對講

對于簡單聲音采集需求，本系統可以將現場音頻信號通過攝像機自帶的拾音器將現場聲音采集，從而用戶可以實時聽到工業現場的聲音。對于某些對聲音采集清晰度高的工業現場，可以采用高精度工業拾音器進行音頻信號的采集和數字化處理，從而實現音頻信號的遠傳和存儲。

圖6 光源組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of light source composition

在某些需要語音對講和音頻廣播的場所，移動式軌道機器人還可以加裝IP語音通訊組件，從而實現中控室在平臺軟件授權的情況下，客戶端與現場人員的雙向對講功能（IP語音對講設備為選配設備）。

3）照明光源的技術原理與方法

光源主要由光敏元件及紅外燈光組成（如圖6所示），在現場環境照度不能滿足攝像機需要的情況下，可自動開啟照明裝置。前端機器人安裝有感光原件，隨外接光線的變化自行調節光源照明。可根據現場環境不同，通過軟件模擬測試照度需求，對光照強度進行相關設置（照射光源為現場選配設備）。

6 收獲與體會

作為一名中學生，能夠扎扎實學好課本知識，善于觀察，善于分析問題，將理論知識與實踐相結合，解決實際問題。本次研發活動通過對化工產品泄漏事故的思考及現場實際情況的考察，利用自己所學的知識，從安全性、經濟性、適用性著手，研究更合適無人巡查測量易燃易爆液體檢測的機器人，在幾個月的研究和資料的收集、整理過程中，學到了很多課本中無法學到的知識，收獲極大，同時也更激發了發明創造的熱情。