一種城市地下綜合管廊巡檢機器人系統的設計與實現

陳文濤，劉飛飛，代云勇，陳臻陽，彭輝輝

（1.江西理工大學 電氣自動化與工程學院，贛州 341000；2.江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000）

0 引言

城市地下綜合管廊，將電力、通訊，燃氣、供熱、及排水等各種工程管線集于一體，設有專門的檢修口、吊裝口和監測系統，實施統一規劃、統一設計、統一建設和管理。城市地下綜合管廊解決了城市發展過程中各類管線的維修、擴容造成的“拉鏈路”和空中“蜘蛛網”的問題，對提升城市總體形象，創造城市和諧生態環境起到了積極推動作用。城市地下綜合管廊已成為21世紀城市現代化建設的熱點和衡量城市建設現代化水平的標志之一。自2015年起我國就開始大力投資建設城市地下綜合管廊。根據測算，未來地下綜合管廊需建8000公里，若按每公里1.2億元測算，投資規模將達1萬億。城市地下綜合管廊是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。巡檢是保證城市地下管廊安全運行的最主要手段。傳統的人工巡檢費時費力，應對緊急事件不能第一時間進行處理，巡檢數據還常常因為人為主觀意識而產生誤差，同時人工巡檢還存在人身安全風險。因此迫切需要將智能巡檢機器人技術運用到城市地下綜合管廊的日常巡檢作業當中去[1～3]。所以研制了一種城市地下綜合管廊智能巡檢機器人。相比于傳統的人工巡檢，使用巡檢機器人巡檢系統進行管廊的巡檢和管理作業，將最大限度的減少人力成本，大大降低安全風險，同時增加巡檢數據的準確性和可靠性。面對緊急災害，巡檢機器可以做出最快的災害應急響應工作，確保城市“生命線”的安全運行[4～6]。本文從實際應用的角度出發闡述了巡檢機器人系統的總體架構，介紹了巡檢機器人系統的硬件機構和軟件系統，分析了實現過程的關鍵技術。

1 巡檢機器人系統的組成結構

本文設計的管廊巡檢機器人系統主要由前端設備和后端遠程監控中心組成。前端設備由機器人軌道單元、機器人本體單元/無線通信單元/滑觸線取電單元/視覺聽覺單元/傳感檢測單元/防火門聯動單元等構成。遠程監控中心由視頻監控、閾值警報、語音對講、數據分析顯示、數據存儲、巡檢設置、機器人控制等多個子模塊組成。系統組成如圖1所示。

2 巡檢機器人系統機械機構設計

2.1 巡檢機器人本體總體機構設計

圖1 管廊巡檢機器人組成架構圖

根據城市地下綜合管廊的環境的特殊性，巡檢機器人本體的行走方式采用掛軌式設計。軌道選用市場上常見的8040鋁型材，價格便宜，原材料好找，大大的減少了架設機器人運行軌道的難度。機器人本體主要由一體化伺服電機、減速器、編碼器、摩擦驅動輪、承重輪、夾緊裝置、掛板、底板和橫梁組成。根據承重和驅動分離的準則進行設計，其中使用軸承作為承重輪，包膠軸承輪作為摩擦驅動輪。巡檢機器人的視覺和聽覺單元采用的是第三方一體化產品，具有網絡傳輸、高清攝像、紅外攝像、語音對講等功能。攝像頭云臺可進行360°水平方向旋轉，105°上下方向調節。使用車體和云臺配合可以實現全方位監控。機器人本體總體效果如圖2所示。

圖2 機器人本體效果圖

2.2 巡檢機器人本體夾緊機構與滑觸線取電機構設計

夾緊機構主要由軸承底座、杠桿板、杠桿旋轉軸、夾緊輪、彈簧、彈簧擋板組成。機器人的夾緊裝置采用杠桿原理，結合彈簧可調壓力裝置進行設計。增加夾緊力可以增加驅動輪與軌道的摩擦力從而驅動機器人本體行走，適當的調整夾緊力可以達到防止電機堵死的效果。

滑觸線取電機構主要由滑觸線、集電器、和底座組成。集電器是滑觸線取電單元中的主要裝置，它通過集電刷與導軌的滑動接觸，將電能直接傳導至用電器，從而實現系統的移動供電。總體安裝效果如圖3所示。

圖3 夾緊機構與滑觸線取電機構圖

2.3 巡檢機器人系統火門單元機構設計

防火門是城市地下綜合管廊防火分隔的最主要措施之一。防火門對防止煙、火的擴散和曼延、減少損失起著重要作用。管廊智能巡檢機器人系統要求防火門不僅能隔離煙、火，還必須具有軌道預留窗，必須具有聯網控制控功能，在需要的時候自動打開或者關閉防火門[7]。

本課題設計的防火門聯動單元主要由門框、門體、電動閉門器、行程開關和Esp8266物聯網控制器四個部分組成。防火門的設計效果如圖4(a)所示。

本課題的防火門采用鋁型材搭建邊框和門體進行樣機實驗測試，實物效果如圖4(b)所示。

圖4 地下管廊防火門設計圖

3 巡檢機器人系統控制系統設計

巡檢機器人的控制系統主要由ARM嵌入式控制版、一體化伺服電機、編碼器、各種傳感器模塊、ESP8266物聯網控制器、滑觸線取電模塊、一體化攝像機、和無線通信設備組成。機器人本體、一體化紅外攝像機和防火門是控制系統三大控制對象。ARM嵌入式控制板是巡檢機器人本體的控制核心，負責控制機器人的基本運動控制、采集并處理傳感器數據和與遠程監控中心進行數據交互。ESP8266物聯網控制器做為防火門接入系統的核心部件，負責接收上位機命令和控制防火門的開關。滑觸線取電模塊負責將集電器取下的電能進行變壓并穩壓輸送給機器人本體、一體化攝像機和無線通信設備。機器人本體搭載無線傳輸模塊負責將三大控制對象的數據上傳到遠程監控中心同時負責接收遠程監控中心發來的命令分發給三大控制對象。

4 巡檢機器人系統的軟件設計

巡檢機器人的軟件系統設計包括PC端上位機遠程監控中心軟件設計、機器人本體控制器下位機軟件設計和ESP8266物聯網控制器下位機軟件設計。整個系統的主要功能有遠程監控、遠程操控前端設備、自動巡檢并遠程采集數據、數據分析、閾值警報、語音對講、圖像識別檢測等。軟件系統框圖如圖6所示。

4.1 巡檢機器人系統下位機軟件系統設計

下位機軟件設計分為機器人本體控制端軟件和防火門控制端軟件設計2個部分。本系統樣機采用stm32F103ZET6作為機器人本體的主控芯片，實現機器人的行走控制，環境數據采集，數據傳輸等功能。

機器人本體控制端的軟件設計主要工作有編寫各個硬件模塊的驅動底層程序、移植嵌入式操作系統、移植LWIP以太網協議棧、開發嵌入式Web服務、開發網頁前端界面并確定HTTP數據交互接口和編寫主控程序。

圖6 軟件系統框圖

其中底層硬件模塊包括電機、編碼器、超聲波模塊、溫濕度模塊、煙霧報警器模塊、光電開關模塊、ADC模塊、氣體參數檢測模塊等。防火門控制芯片采用的是樂鑫公司生產的ESP8266EX IOT物聯網模塊作為控制器，實現防火門的聯網控制。

防火門控制端的下位機軟件設計主要工作有移植ESP8266 Non-OS SDK、編寫電機驅動程序、編寫防火門限位中斷函數，開發TCP協議數據交互接口和編寫主控程序。機器人端下位機軟件設計流程如圖7所示，防火門下位機軟件設計流程如圖8所示。

4.2 巡檢機器人系統PC端上位機遠程監控中心設計

PC端遠程監控中心軟件設計流程如圖9所示。

PC端遠程監控中心采用C++/QT技術進行開發，QT技術負責界面樣式開發，C++技術則負責底層邏輯的實現。遠程監控中心主要由機器人運動控制、攝像頭運動控制，視頻流讀取顯示、巡檢設置、閾值警報、傳感檢測顯示、語音對講、圖像識別檢測設置和防火門聯動控制等多個子模塊組成。PC端遠程監控中心采用HTTP協議與機器人本體和一體化攝像機進行數據交互。采用TCP協議和ESP8266物聯網控制器進行數據交互。

多線程技術能充分利用和發揮處理器與外圍設備并行工作的能力，具有通信簡潔、信息傳送速度快等特點[8]。本課題設計的PC端應用程序一共有四條線程分別為一條主線程和三條子線程。線程間的通信機制采用的是QT的信號和槽機制，通過自定義信號和槽可以實現各個線程間的數據交互。UI界面主線程負責刷新UI界面和捕獲用戶對UI界面的操作，并把用戶的操作請求傳給相應的子模塊進行處理。其他三個子線程的任務分別為：

圖7 機器人本體下位機軟件流程圖

圖8 防火門下位機軟件流程圖

圖9 PC端遠程監控中心軟件流程圖

1）定時接收機器人本體下位機軟件的傳感檢測數據和機器人運動狀態數據。

2）實時接收并處理需要進行防火門的開關操作。

3）實時接收并處理攝像頭回傳數據。

5 巡檢機器人車體速度控制與車體定點停車算法設計

本系統規定上位機控制端有0～10級的調速能力，0級車體速度最慢為0m/s，10級車體速度最快為2.5m/s。調速各個參數對應關系如表1所示。

表中參數v為程序中設定上位機控制端可以調速的等級對應的車體速度。f為理論上脈沖頻率調節器需要產生并發送給伺服電機驅動器的脈沖頻率。psc和arr分別為定時器的預分頻系數和比較值。脈沖頻率f、機器人車體速度v和arr三者之間的計算公式為：

表1 調速參數關系對應圖

式(7)中的r為機器人車輪半徑35mm，d為伺服電機驅動器的細分。本系統中伺服驅動器的細分參數為12800。式(8)中的F為定時器的時鐘頻率。

理論上只要機器人控制器發送如表1中的脈沖頻率給伺服啟動器，就可以使電機維持所需的速度。但是實際測試中發現由于包膠驅動輪存在一定量的形變和打滑，使得車體速度并不能維持在理想狀態下。實際測試中還發現車體在變速過程中會出現嚴重抖動，這是控制器發送給伺服驅動的頻率變化太劇烈造成的。所以必須設計一種速度控制算法。

自動巡檢是巡檢機器人系統必須具備的功能之一，自動巡檢要求巡檢機器人本體具有定位、定點停車和定速巡航的能力。本文介紹的巡檢機器人的從動輪一側安裝有旋轉編碼器用于測速和定位。

本課題研制的巡檢機器人的從動輪一側安裝有旋轉編碼器用于采集機器人的移動速度，由于編碼器是安裝在從動輪上的，所以可以很大程度上的避免車輪打滑和形變的影響，使得速度反饋更加精確。系統采用目前魯棒性和穩定性較好的增量式PID控制算法來進行巡檢機器人的速度控制定點停止控制，從而達到速度準確穩定，變速過程平緩無抖動、并且定位準確的效果。

增量式PID算法在巡檢機器人車速控制和位置定位中的應用原理如圖10所示。

圖10 PID算法應用原理

PID控制器的設計原理為：

或者為：

其中u(t)表示t時刻由PID控制器計算得出并及時傳入到脈沖頻率調節器當中的參數。

對上述公式進行數值化離散處理，假設數值周期長為T，對微積分進行數值化處理公式如式(5)所示：

式(5)式中k為采樣序號；t為采樣時刻，由此可得數值化之后的機器人速度參數和位置參數：

式(6)、式(7)為增量式PID控制參數，式(8)得出的Δu為k時刻和k-1時刻PID控制器輸出給脈沖頻率控制器的整定參數[9,10]。

PID算法在車速控制中的應用流程為：首先上位機控制端給定車體運行速度值v；通過公式：

式(9)中的r（t）為到輪子轉速的設定值。r為輪子半徑。然后將r（t）和編碼器采集的輪子轉速反饋值y（t）兩者之減比較差產生偏差e（t），最后結合PID控制器與脈沖頻率調節器采用比例（P）、積分（I）、微分（D）進行輪速精確校正。

PID算法在巡檢機器人定點停車控制中的應用流程為：首先上位機控制端給定車體定位點S；通過公式：

式(10)中的r（t）為從原點到設定點S編碼器應該產生的脈沖數。P為編碼器轉一圈所產生的脈沖數。然后將r（t）和編碼器采集的位置參數反饋值y（t）兩者之減比較差產生偏差e（t），最后結合PID控制器與脈沖調節器將機器人位置逐步平穩的逼近目標位置，當偏差值到達工程要求時機器人停止運動并停止PID位置控制。

圖11 巡檢機器人樣機實物圖

6 巡檢機器人樣機設計結果

該巡檢機器人系統已經完成現場實際測試，根據設計完成的巡檢機器人系統樣機如圖11(d)所示。巡檢機器人Web控制系統界面如圖11(c)所示，PC端遠程監控中心控制界面如圖11(a)和圖11(b)所示。巡檢機器人系統樣機主要的功能有：實時視頻圖像采集、語音對講、傳感檢測、自動定點巡檢、紅外測溫、閾值警報、防火門聯動等。

經過測試證明該巡檢機器人系統運行穩定良好。具有圖像采集清晰、傳感數據采集準確、閾值警報及時等特點。可以投入到實際運用當中去替代人工進行城市地下綜合管廊的日常巡檢工作。