一种城市地下综合管廊巡检机器人系统的设计与实现

陈文涛，刘飞飞，代云勇，陈臻阳，彭辉辉

（1.江西理工大学 电气自动化与工程学院，赣州 341000；2.江西理工大学 机电工程学院，赣州 341000）

0 引言

城市地下综合管廊，将电力、通讯，燃气、供热、及排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理。城市地下综合管廊解决了城市发展过程中各类管线的维修、扩容造成的“拉链路”和空中“蜘蛛网”的问题，对提升城市总体形象，创造城市和谐生态环境起到了积极推动作用。城市地下综合管廊已成为21世纪城市现代化建设的热点和衡量城市建设现代化水平的标志之一。自2015年起我国就开始大力投资建设城市地下综合管廊。根据测算，未来地下综合管廊需建8000公里，若按每公里1.2亿元测算，投资规模将达1万亿。城市地下综合管廊是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。巡检是保证城市地下管廊安全运行的最主要手段。传统的人工巡检费时费力，应对紧急事件不能第一时间进行处理，巡检数据还常常因为人为主观意识而产生误差，同时人工巡检还存在人身安全风险。因此迫切需要将智能巡检机器人技术运用到城市地下综合管廊的日常巡检作业当中去[1～3]。所以研制了一种城市地下综合管廊智能巡检机器人。相比于传统的人工巡检，使用巡检机器人巡检系统进行管廊的巡检和管理作业，将最大限度的减少人力成本，大大降低安全风险，同时增加巡检数据的准确性和可靠性。面对紧急灾害，巡检机器可以做出最快的灾害应急响应工作，确保城市“生命线”的安全运行[4～6]。本文从实际应用的角度出发阐述了巡检机器人系统的总体架构，介绍了巡检机器人系统的硬件机构和软件系统，分析了实现过程的关键技术。

1 巡检机器人系统的组成结构

本文设计的管廊巡检机器人系统主要由前端设备和后端远程监控中心组成。前端设备由机器人轨道单元、机器人本体单元/无线通信单元/滑触线取电单元/视觉听觉单元/传感检测单元/防火门联动单元等构成。远程监控中心由视频监控、阈值警报、语音对讲、数据分析显示、数据存储、巡检设置、机器人控制等多个子模块组成。系统组成如图1所示。

2 巡检机器人系统机械机构设计

2.1 巡检机器人本体总体机构设计

图1 管廊巡检机器人组成架构图

根据城市地下综合管廊的环境的特殊性，巡检机器人本体的行走方式采用挂轨式设计。轨道选用市场上常见的8040铝型材，价格便宜，原材料好找，大大的减少了架设机器人运行轨道的难度。机器人本体主要由一体化伺服电机、减速器、编码器、摩擦驱动轮、承重轮、夹紧装置、挂板、底板和横梁组成。根据承重和驱动分离的准则进行设计，其中使用轴承作为承重轮，包胶轴承轮作为摩擦驱动轮。巡检机器人的视觉和听觉单元采用的是第三方一体化产品，具有网络传输、高清摄像、红外摄像、语音对讲等功能。摄像头云台可进行360°水平方向旋转，105°上下方向调节。使用车体和云台配合可以实现全方位监控。机器人本体总体效果如图2所示。

图2 机器人本体效果图

2.2 巡检机器人本体夹紧机构与滑触线取电机构设计

夹紧机构主要由轴承底座、杠杆板、杠杆旋转轴、夹紧轮、弹簧、弹簧挡板组成。机器人的夹紧装置采用杠杆原理，结合弹簧可调压力装置进行设计。增加夹紧力可以增加驱动轮与轨道的摩擦力从而驱动机器人本体行走，适当的调整夹紧力可以达到防止电机堵死的效果。

滑触线取电机构主要由滑触线、集电器、和底座组成。集电器是滑触线取电单元中的主要装置，它通过集电刷与导轨的滑动接触，将电能直接传导至用电器，从而实现系统的移动供电。总体安装效果如图3所示。

图3 夹紧机构与滑触线取电机构图

2.3 巡检机器人系统火门单元机构设计

防火门是城市地下综合管廊防火分隔的最主要措施之一。防火门对防止烟、火的扩散和曼延、减少损失起着重要作用。管廊智能巡检机器人系统要求防火门不仅能隔离烟、火，还必须具有轨道预留窗，必须具有联网控制控功能，在需要的时候自动打开或者关闭防火门[7]。

本课题设计的防火门联动单元主要由门框、门体、电动闭门器、行程开关和Esp8266物联网控制器四个部分组成。防火门的设计效果如图4(a)所示。

本课题的防火门采用铝型材搭建边框和门体进行样机实验测试，实物效果如图4(b)所示。

图4 地下管廊防火门设计图

3 巡检机器人系统控制系统设计

巡检机器人的控制系统主要由ARM嵌入式控制版、一体化伺服电机、编码器、各种传感器模块、ESP8266物联网控制器、滑触线取电模块、一体化摄像机、和无线通信设备组成。机器人本体、一体化红外摄像机和防火门是控制系统三大控制对象。ARM嵌入式控制板是巡检机器人本体的控制核心，负责控制机器人的基本运动控制、采集并处理传感器数据和与远程监控中心进行数据交互。ESP8266物联网控制器做为防火门接入系统的核心部件，负责接收上位机命令和控制防火门的开关。滑触线取电模块负责将集电器取下的电能进行变压并稳压输送给机器人本体、一体化摄像机和无线通信设备。机器人本体搭载无线传输模块负责将三大控制对象的数据上传到远程监控中心同时负责接收远程监控中心发来的命令分发给三大控制对象。

4 巡检机器人系统的软件设计

巡检机器人的软件系统设计包括PC端上位机远程监控中心软件设计、机器人本体控制器下位机软件设计和ESP8266物联网控制器下位机软件设计。整个系统的主要功能有远程监控、远程操控前端设备、自动巡检并远程采集数据、数据分析、阈值警报、语音对讲、图像识别检测等。软件系统框图如图6所示。

4.1 巡检机器人系统下位机软件系统设计

下位机软件设计分为机器人本体控制端软件和防火门控制端软件设计2个部分。本系统样机采用stm32F103ZET6作为机器人本体的主控芯片，实现机器人的行走控制，环境数据采集，数据传输等功能。

机器人本体控制端的软件设计主要工作有编写各个硬件模块的驱动底层程序、移植嵌入式操作系统、移植LWIP以太网协议栈、开发嵌入式Web服务、开发网页前端界面并确定HTTP数据交互接口和编写主控程序。

图6 软件系统框图

其中底层硬件模块包括电机、编码器、超声波模块、温湿度模块、烟雾报警器模块、光电开关模块、ADC模块、气体参数检测模块等。防火门控制芯片采用的是乐鑫公司生产的ESP8266EX IOT物联网模块作为控制器，实现防火门的联网控制。

防火门控制端的下位机软件设计主要工作有移植ESP8266 Non-OS SDK、编写电机驱动程序、编写防火门限位中断函数，开发TCP协议数据交互接口和编写主控程序。机器人端下位机软件设计流程如图7所示，防火门下位机软件设计流程如图8所示。

4.2 巡检机器人系统PC端上位机远程监控中心设计

PC端远程监控中心软件设计流程如图9所示。

PC端远程监控中心采用C++/QT技术进行开发，QT技术负责界面样式开发，C++技术则负责底层逻辑的实现。远程监控中心主要由机器人运动控制、摄像头运动控制，视频流读取显示、巡检设置、阈值警报、传感检测显示、语音对讲、图像识别检测设置和防火门联动控制等多个子模块组成。PC端远程监控中心采用HTTP协议与机器人本体和一体化摄像机进行数据交互。采用TCP协议和ESP8266物联网控制器进行数据交互。

多线程技术能充分利用和发挥处理器与外围设备并行工作的能力，具有通信简洁、信息传送速度快等特点[8]。本课题设计的PC端应用程序一共有四条线程分别为一条主线程和三条子线程。线程间的通信机制采用的是QT的信号和槽机制，通过自定义信号和槽可以实现各个线程间的数据交互。UI界面主线程负责刷新UI界面和捕获用户对UI界面的操作，并把用户的操作请求传给相应的子模块进行处理。其他三个子线程的任务分别为：

图7 机器人本体下位机软件流程图

图8 防火门下位机软件流程图

图9 PC端远程监控中心软件流程图

1）定时接收机器人本体下位机软件的传感检测数据和机器人运动状态数据。

2）实时接收并处理需要进行防火门的开关操作。

3）实时接收并处理摄像头回传数据。

5 巡检机器人车体速度控制与车体定点停车算法设计

本系统规定上位机控制端有0～10级的调速能力，0级车体速度最慢为0m/s，10级车体速度最快为2.5m/s。调速各个参数对应关系如表1所示。

表中参数v为程序中设定上位机控制端可以调速的等级对应的车体速度。f为理论上脉冲频率调节器需要产生并发送给伺服电机驱动器的脉冲频率。psc和arr分别为定时器的预分频系数和比较值。脉冲频率f、机器人车体速度v和arr三者之间的计算公式为：

表1 调速参数关系对应图

式(7)中的r为机器人车轮半径35mm，d为伺服电机驱动器的细分。本系统中伺服驱动器的细分参数为12800。式(8)中的F为定时器的时钟频率。

理论上只要机器人控制器发送如表1中的脉冲频率给伺服启动器，就可以使电机维持所需的速度。但是实际测试中发现由于包胶驱动轮存在一定量的形变和打滑，使得车体速度并不能维持在理想状态下。实际测试中还发现车体在变速过程中会出现严重抖动，这是控制器发送给伺服驱动的频率变化太剧烈造成的。所以必须设计一种速度控制算法。

自动巡检是巡检机器人系统必须具备的功能之一，自动巡检要求巡检机器人本体具有定位、定点停车和定速巡航的能力。本文介绍的巡检机器人的从动轮一侧安装有旋转编码器用于测速和定位。

本课题研制的巡检机器人的从动轮一侧安装有旋转编码器用于采集机器人的移动速度，由于编码器是安装在从动轮上的，所以可以很大程度上的避免车轮打滑和形变的影响，使得速度反馈更加精确。系统采用目前鲁棒性和稳定性较好的增量式PID控制算法来进行巡检机器人的速度控制定点停止控制，从而达到速度准确稳定，变速过程平缓无抖动、并且定位准确的效果。

增量式PID算法在巡检机器人车速控制和位置定位中的应用原理如图10所示。

图10 PID算法应用原理

PID控制器的设计原理为：

或者为：

其中u(t)表示t时刻由PID控制器计算得出并及时传入到脉冲频率调节器当中的参数。

对上述公式进行数值化离散处理，假设数值周期长为T，对微积分进行数值化处理公式如式(5)所示：

式(5)式中k为采样序号；t为采样时刻，由此可得数值化之后的机器人速度参数和位置参数：

式(6)、式(7)为增量式PID控制参数，式(8)得出的Δu为k时刻和k-1时刻PID控制器输出给脉冲频率控制器的整定参数[9,10]。

PID算法在车速控制中的应用流程为：首先上位机控制端给定车体运行速度值v；通过公式：

式(9)中的r（t）为到轮子转速的设定值。r为轮子半径。然后将r（t）和编码器采集的轮子转速反馈值y（t）两者之减比较差产生偏差e（t），最后结合PID控制器与脉冲频率调节器采用比例（P）、积分（I）、微分（D）进行轮速精确校正。

PID算法在巡检机器人定点停车控制中的应用流程为：首先上位机控制端给定车体定位点S；通过公式：

式(10)中的r（t）为从原点到设定点S编码器应该产生的脉冲数。P为编码器转一圈所产生的脉冲数。然后将r（t）和编码器采集的位置参数反馈值y（t）两者之减比较差产生偏差e（t），最后结合PID控制器与脉冲调节器将机器人位置逐步平稳的逼近目标位置，当偏差值到达工程要求时机器人停止运动并停止PID位置控制。

图11 巡检机器人样机实物图

6 巡检机器人样机设计结果

该巡检机器人系统已经完成现场实际测试，根据设计完成的巡检机器人系统样机如图11(d)所示。巡检机器人Web控制系统界面如图11(c)所示，PC端远程监控中心控制界面如图11(a)和图11(b)所示。巡检机器人系统样机主要的功能有：实时视频图像采集、语音对讲、传感检测、自动定点巡检、红外测温、阈值警报、防火门联动等。

经过测试证明该巡检机器人系统运行稳定良好。具有图像采集清晰、传感数据采集准确、阈值警报及时等特点。可以投入到实际运用当中去替代人工进行城市地下综合管廊的日常巡检工作。