極限環境下電纜管道智能巡檢機器人自動化控制系統

李 乾，郭 康，任樹貞，王天義

（1.國網河北省電力有限公司石家莊供電分公司，石家莊 050000；2.河北馳海科技有限公司，石家莊 050000）

電纜管道通常用于電力、通信和其他類型的數據傳輸，由于它們的重要性，定期巡檢和維護是必不可少的[1]，但這是一項艱巨的任務。因為它們可能位于地下、水下、高山或其他難以到達的地方。在這種情況下，智能巡檢機器人的應用變得越來越普遍[2]。在電纜管道巡檢領域，由于其工作環境往往復雜且危險，導致智能巡檢機器人的控制效果不理想[3]，為此需要設計智能化的電纜管道智能巡檢機器人自動化控制系統，提高巡檢工作的效率和準確性，降低人力成本，提高電力、通信等行業的服務質量[4]。同時，減少人工巡檢的危險性，提高安全性，為社會創造更大的價值。文獻[5-6]通過神經網絡模型、灰色預測模型，設計智能巡檢機器人控制系統，但均未考慮極限環境對智能巡檢機器人自動化控制的影響，而實際電纜管道所處環境既復雜又惡劣，便導致自動化控制效果無法達到理想情況[7-9]，為此，本文設計極限環境下電纜管道智能巡檢機器人自動化控制系統，提升自動化控制效果。

1 電纜管道智能巡檢機器人自動化控制系統

在電纜管道智能巡檢機器人中，極限環境指的是那些對機器人運行和功能有重大影響或者限制的環境因素，包括高溫、低溫、潮濕、干燥、腐蝕等環境條件。電纜管道內部環境屬于極限環境，為提升智能巡檢機器人自動化控制效果，設計一種極限環境下電纜管道智能巡檢機器人自動化控制系統。該系統內主要包含地面控制部分和巡檢機器人本體部分。地面控制部分包含自動化控制模塊、顯示器與無線通信模塊；巡檢機器人本體部分包含傳感器模塊、無線通信模塊與電機驅動模塊。

地面控制部分具備監視與操作功能，利用無線通信模塊，完成和巡檢機器人本體部分間的信息交互。巡檢機器人本體部分利用傳感器模塊，實時采集機器人運行相關信息，以及電纜管道的環境信息。利用無線通信模塊，接收地面控制部分發送的巡檢機器人自動化控制量。電機驅動模塊依據自動化控制量，生成自動化控制指令，驅動巡檢機器人電機，生成對應動作，完成電纜管道智能巡檢機器人自動化控制。

1.1 智能巡檢機器人自動化控制的無線通信模塊

電纜管道智能巡檢機器人自動化控制系統中，需要利用無線通信模塊，將機器人本體部分采集到的機器人相關運行信息，傳輸至地面控制部分，并將地面控制部分得到的自動化控制量，傳輸至機器人本體部分，實現智能巡檢機器人的遠程自動化控制。但電纜管道內部受高溫、高濕等極限環境影響，會導致其內部無線信號傳輸的衰減速度較快，進而影響地面控制部分與巡檢機器人本體部分間的信息傳輸效果，降低智能巡檢機器人自動化控制精度。為解決極限環境下，信息傳輸時信號快速衰減問題，以漏纜通信的方式，設計無線通信模塊，確保極限環境下，地面控制部分與巡檢機器人本體部分間信息傳輸的穩定性[10]，提升智能巡檢機器人自動化控制效果。無線通信模塊的結構如圖1 所示。

圖1 無線通信模塊的結構圖Fig.1 Structure diagram of wireless communication module

1.2 極限環境下智能巡檢機器人自動化控制算法

地面控制部分中自動化控制模塊，依據傳感器模塊實時采集的智能巡檢機器人運行速度與姿態信息，設計極限環境下巡檢機器人自動化控制算法。因為電纜管道屬于高溫、高濕的極限環境，所以智能巡檢機器人在電纜管道內運行時，受極限環境影響，極易出現打滑情況。為分析極限環境下電纜管道內，智能巡檢機器人的運動模型，設置2 個坐標系，第一個為參考坐標系F1（X，Y），第二個為移動坐標系F2（x，y），其中F1（X，Y）是固定不變的。極限環境下電纜管道內，智能巡檢機器人存在打滑問題時的運動學模型為

式中：q＝［X，Y，θ］為智能巡檢機器人實際位姿，（X，Y）為實際位置，θ 為實際方向角；wL、wR為智能巡檢機器人左右輪的角速度；r 為智能巡檢機器人驅動輪半徑；gL、gR為極限環境下智能巡檢機器人驅動輪出現打滑時，左右驅動輪的縱向滑動率；σ 為極限環境下智能巡檢機器人驅動輪出現打滑時，驅動輪的側向滑動率；d 為左右驅動輪間的距離。

極限環境下，電纜管道智能巡檢機器人的參考位姿qo=［Xo，Yo，θo］需符合式（2）的運動方程，公式如下：

式中：θo為參考方向角；vo為極限環境下，電纜管道智能巡檢機器人參考運行速度；wo為參考角速度。

極限環境下，電纜管道智能巡檢機器人自動化控制算法，需確保驅動輪和電纜管道壁出現縱向和側向滑動時，智能巡檢機器人位姿符合=0條件，其中，t 為智能巡檢機器人的巡檢時間。在F1（X，Y）內，極限環境下，電纜管道智能巡檢機器人自動化控制誤差為

式中：e1、e2、e3為在F2（x，y）內，驅動輪的縱向、側向、方向誤差。

電纜管道智能巡檢機器人自動化控制的誤差動態方程為

式中：v 為電纜管道智能巡檢機器人自動化控制的實際速度；w 為實際角速度。

極限環境下，電纜管道中智能巡檢機器人驅動輪出現縱向和側向滑動時，通過Backsteppong 方法，確定智能巡檢機器人的自動化控制量，公式如下：

式中：h1、h2、h3為可調常數。

結合式（1）與式（5），可獲取極限環境下，電纜管道智能巡檢機器人左右驅動輪的實際自動化控制量，公式如下：

1.3 智能巡檢機器人自動化控制的電機驅動模塊

利用電機驅動模塊，將1.2 小節獲取的智能巡檢機器人左右驅動輪的實際自動化控制量（wL，wR），轉換為自動化控制指令，作用于智能巡檢機器人的電機上，生成對應的動作，自動化控制智能巡檢機器人完成極限環境下電纜管道的巡檢工作。電機驅動模塊的連接如圖2 所示。

圖2 電機驅動模塊的連接圖Fig.2 Connection diagram of motor drive module

2 實驗結果與分析

以某電纜管道智能巡檢機器人為實驗對象，實驗中設置電纜管道的極限環境如下：電纜管道內的溫度設置為85℃左右；相對濕度設置為90%左右；氣壓設置為0.5 MPa 左右。

本文系統在選擇漏纜型號時，衰減常數會直接影響漏纜型號選擇結果，進而影響通信效果，當衰減常數為260 dB/km 時，漏纜型號選擇結果為RCT7-S-1A-RNA，當衰減常數為270 dB/km 時，漏纜型號選擇結果為RCT7-CPUS-4A-RNA，分析2 種漏纜型號下本文系統的通信效果，分析結果如圖3 所示。從圖3 的比較中，RCT7-S-1A-RNA 型號的漏纜在眼圖上顯示出了更大的有效時間窗，且信號波形平穩無抖動，這表明該型號漏纜在傳輸數據時能夠保持較高的穩定性和準確性。而RCT7-CPUS-4A-RNA 型號的漏纜則表現出了較小的有效時間窗和信號波形的抖動，這表明其在數據傳輸過程中可能存在不穩定和誤差較大的情況，為此，以RCT7-S-1A-RNA 為最終的漏纜型號，可提升本文系統中地面控制部分與巡檢機器人本體部分間的通信質量，進而提升智能巡檢機器人自動化控制效果。

圖3 不同漏纜型號時的通信效果Fig.3 Communication effect of different leaky cable models

分析極限環境下，本文系統自動化控制電纜管道智能巡檢機器人時，得到智能巡檢機器人左右驅動輪的角速度自動化控制量，智能巡檢機器人左右驅動輪角速度自動化控制結果如圖4 所示，角速度變化曲線越平緩，自動化控制效果越好。從圖4 中可以看出，極限環境下，本文系統可有效獲取電纜管道智能巡檢機器人左右驅動輪的自動化控制量，驅動電機完成智能巡檢機器人角速度自動化控制，經過本文系統自動化控制后，智能巡檢機器人左右驅動輪角速度的變化曲線均較為平緩，當智能巡檢機器人運行至6 s 時，左右驅動輪的角速度均快速下降，說明此時智能機器人存在打滑現象，經過1 s 左右的時間，左右驅動輪的角速度迅速升高，說明此時本文系統完成自動化控制，可確保智能巡檢機器人穩定運行。

圖4 左右驅動輪角速度自動化控制結果Fig.4 Automatic control results of angular velocity of left and right driving wheels

極限環境下，本文系統的智能巡檢機器人運行軌跡自動化控制結果如圖5 所示。從圖5 中可以看出，在極限環境下，本文系統可有效自動化控制電纜管道智能巡檢機器人運行軌跡，當智能巡檢機器人運行至6 s 時出現打滑現象，導致其運行軌跡出現偏移，經過本文系統自動化控制后，可快速令智能巡檢機器人運行軌跡恢復到期望軌跡附近，本文系統在1 s 左右完成打滑現象的自動化控制。經過本文系統自動化控制后，電纜管道智能巡檢機器人的運行軌跡，可精準跟蹤期望軌跡，提升智能巡檢機器人對電纜管道的巡檢效果。

圖5 智能巡檢機器人運行軌跡自動化控制結果Fig.5 Results of automatic control of running trajectory of intelligent inspection robot

3 結語

極限環境下電纜管道智能巡檢機器人自動化控制系統是一種高度復雜和精密的系統，它利用先進的傳感器、控制器和執行器等，實現機器人在管道內部的精準移動和姿態調整，確保機器人在極限環境下穩定運行。應用本文系統后可提高電纜管道巡檢的準確性，及時發現潛在問題和故障，還可為其他類似環境的智能巡檢提供一種可復制、可擴展的解決方案，推動相關領域的發展。