小型城市軌道智能巡檢機器人電控設計研究

田雨潔，王中昊，徐 錦，黃新坤

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

1 引言

隨著經濟發展和城市化進程的加快，城市軌道交通已逐漸成為現代城市公共客運交通體系的核心組成部分。隨著我國軌道交通網絡的形成和發展，大量軌道交通基礎設施相繼進入養護期，線路安全和監測面臨壓力逐漸增大。近年來，隨著人工智能技術及機器人技術的日益發展，巡檢機器人廣泛應用于各種領域，軌道式機器人最早出現，技術上也相對成熟[1]。我國最早1999年便開始研發變電站巡檢機器人，2005年研制出首臺樣機并投入使用[2]，經過多年發展，變電站巡檢機器人得到了廣泛應用[3]，而隧道巡檢機器人的各項功能仍處于不完善的階段[4]，傳統的巡檢方式以“人+軌道車”的集合模式為主，存在勞動強度大、有人身安全隱患、工作效率低等不足[5]。為此，設計了一種城市軌道智能巡檢機器人。

2 系統硬件設計

本設計是以Linux嵌入式控制為核心的城市軌道智能巡檢機器人。該機器人通過激光、溫濕度和煙霧傳感模塊，實現對軌道異物入侵、隧道幾何變形、鐵軌幾何形位和隧道內溫度與濕度的檢測，通過加速度傳感模塊和GPS傳感器實現對機器人的綜合定位，監測模塊通過攝像模塊對檢測的圖像信息進行采集并傳輸到通信模塊，LoRa無線通信模塊將監測狀態以及定位數據傳輸到上位機，并產生圖像，實現實時監測。控制模塊用以數據的實時采集與回傳和信號的輸入與輸出，實時處理所接收到的信號，當接收到鐵軌幾何形位發生異常(包括是否發生變形是否有裂紋)、軌道上有異物或隧道內環境有異常(包括溫度、濕度異常，隧道內存在大量煙霧)時，異常實時處理模塊控制驅動模塊及時輸出指令停止，若停止之后無通信信號則返回到上一個有信號位置，上位機顯示異常信息并發出預警信號。電源模塊分為充電模塊、ADC數模轉換模塊，用于檢測電池剩余電壓、計算剩余續航距離、電池溫度，過充過放保護模塊和穩壓模塊，控制充電速度，防止電源在使用時間久后，因多次過充和過放導致電池壽命縮短。具體硬件結構如圖1所示。

圖1 硬件結構

3 系統主要模塊設計

3.1 加速度傳感器MPU6050

MPU6050整合了三軸加速度器和三軸陀螺儀，采用I2C接口和Linux控制板進行通信。其內置16位的AD轉換器，加速度、角速度和測量頻率測量范圍可調節。角速度測量范圍為±250、±500、±1000和±2000°/s，加速度的測量范圍為±2 g、±4 g、±8 g和±16 g，輸出值為16位數值的補碼，測量頻率可選為1～1000Hz。

3.2 高精度數模轉換模塊 ADS11115

數模轉換模塊采用了ADS1115作為主要芯片，內部含有4通道16位高精度數模轉換器，在5V量程下，測量分度值達到了0.076mV。模塊和Linux控制板間采用I2C通信。

4 系統軟件設計

系統開啟后，首先將上位機、下位機初始化，下位機通過攝像頭采集鐵軌幾何形位圖像，將采集信息進行圖像編碼傳輸給上位機，同時運用OpenCV進行圖像識別，對圖像進行特征提取以及邏輯判斷，采用特征提取和曲率計算判斷鐵軌幾何形位，判斷鐵軌幾何形位是否正常，通過傳感器檢測異物入侵狀態和隧道內環境，判斷軌道上是否有異物，隧道內環境是否正常(包括溫度、濕度是否正常、隧道內是否存在大量煙霧)這3種情況，若發現以上當中任意一種情況，則向驅動模塊發出停止信號，并且進行圖像編碼向上位機回傳異常狀況圖像并顯示位置，如果機器人停止之后無通信信號則返回到上一個有信號位置，若以上情況都沒有發生，則向驅動模塊發出前進信號。

圖2 加速度傳感器電路原理

圖3 ADS11115模塊電路原理

上位機接受傳輸信息，將傳感器信息和圖像信息解碼，產生圖像、對機器人位置進行綜合解析，若解碼產生下位機回傳的異常狀況圖像，即前方發生了以上三種情況中至少一種，上位機顯示異常信息等待人工處理，上位機采集用戶的輸入信息，通過遠程控制對下位機發出指令，下位機接受指令并執行。

5 結論

本設計是基于Linux嵌入式控制的交通隧道智能巡檢機器人，通過對軌道狀態、異物入侵狀態、隧道環境實施在線采集與監測方法，將收集到的信號傳輸到控制器進行分析和處理，執行相應的命令。針對目前國內傳統的“人+軌道車”巡檢方式工作效率低、占用線路時間長等不足，而軌道車成本昂貴、作業方式受限等難點，本項目很好地實現了自動智能巡檢，能做到24小時全天候無死角故障排除，并且不會影響列車的正常行駛，能夠全天性在隧道內工作。這種巡檢效率高、人工成本低的交通隧道智能巡檢機器人緊扣城市軌道交通運行安全的剛性需求，在地鐵交通智能化、無人化的時代下具有廣闊的市場前景。