电缆隧道中巡检机器人实现及应用

文/陈杰 杨朝 贺子琦 张誉 侯旻嵩

随着城市电缆隧道的普及和发展，电缆隧道的安全隐患也将越来越大，电缆故障将进入一个高发期阶段，因此，迫切要求解决电缆隧道的安检问题。通过人工智能所制造出来的仿生机器人，可以替代人类去完成一些复杂工况下的工作任务，在降低人们生命安全隐患的同时还能有效提升工作效率。在电力工程中，电缆隧道巡检机器人则是专门针对地下电缆隧道设计研发的智能一体化巡检方案。本文针对国内电缆隧道发展的现状，结合巡检机器人的机械结构和工作性能优势，重点分析了巡检机器人在导航定位、通讯和故障排查方面的优势，并且通过实际应用，验证了巡检机器人在狭小空间内的通过性能、可控制云台的灵活性能以及无线通信系统的稳定性能等。在长时间的使用过程中，巡检机器人可以轻松适应电缆隧道的各种复杂环境，满足日常的巡检任务，为后续的进一步研究奠定了理论和实验基础。

1 智能巡检机器人原理及关键技术

电缆隧道巡检机器人主要针对隧道的特殊环境，对渗水、电缆老化、腐蚀以及破损等现象进行精准定位，并发送故障报警。通过巡检机器人不仅可以有效降低人工操作带来的风险，还能提升工作效率，确保电能输出的稳定性和可靠性。下文对巡检机器人实现原理及关键技术进行阐述：

1.1 控制结构

本文研究的巡检机器人具备灵活的控制系统，主要由远程主机、数据采集系统以及主控制板三个部分组成，采用镁铝合金加工而成，整体重量小于10kg，整体封闭的壳体设计保证了巡检机器人具有一定的防水和涉水能力。巡检机器人远程主机为用户提供良好的交互界面，显示巡检机器人采集到的各种数据信息，同时用户端也可以通过无线通信系统完成对巡检机器人的手动控制。主控制板包含巡检机器人的各种运行器件，例如：处理器完成对巡检导航和电机控制，完成数据传输等任务，数据采集系统则是集成有害气体、烟雾、光照度、温湿度等传感器以及定位装置，利用无线通信系统对传感器获取的数据信息进行处理，并将处理结果发送至主控制板，组成架构如图1所示。

图1：巡检机器人架构示意图

1.2 驱动结构

巡检机器人整体采用轻量化设计，采用性能好、密度小的材料制作降低工作重心，再配合复合越障机构设计的方式，操作简单、越障性能高，配备摆臂支撑可以轻松翻越隧道中的障碍物，并且能够沿着电缆线行走，可控云台搭载高清摄像机及红外热成像仪，可以轻松实现电缆隧道内的实时监控与红外热成像。

1.3 定位系统

定位系统是巡检机器人的基本功能，通过导航定位系统确定巡检机器人在隧道中的位置，对准确表示电缆线路的故障点具有重要意义。现阶段，常用的定位系统有测程定位、主被动标识定位、GPS定位等。同时，导航定位也可以规划出巡检机器人的行走路线。电缆隧道结构复杂，巡检机器人的行走路线需要跨越多种障碍物，所以必须借助导航定位系统规划最佳的行走路线，巡检机器人配备视觉传感器，可以获取电缆隧道内的环境信息进行导航定位工作，具有较高的空间和灰度分辨力、探索范围更广、定位精度更高，能够帮助巡检机器人制定科学的巡检路线。

1.4 故障排查系统

电缆隧道巡检机器人具备更加智能化的故障排查系统，包括视觉检测和红外技术探测。根据电缆隧道特殊的环境要求，通过分析整个工作过程，设计智能化的控制系统，确定巡检机器人与后台控制器之间的信息互联，利用Lab VIEW编程软件实现巡检机器人和用户端实时图像显示、无线传输和接收等功能。

2 电缆隧道巡检机器人的运用

电缆隧道环境复杂特殊、通风效果较差，由于线路长时间负荷运行，容易产生自然老化、腐蚀或者遭受生物啃噬引发电缆隧道火灾，再加上维修人员难以进入隧道内进行巡检，一旦发生火灾，火势蔓延速度和范围将更加难以控制，如果不能在第一时间进入火灾现场控制火势，将会引发更严重的停电事故，后续的修复工作也更加困难，造成的经济损失和社会损失也将是无法估量。此时，电缆隧道巡检机器人就发挥了其自身的优势，可以及时、准确的提供电缆火灾发生的位置，并且自身配备小型干粉灭火装置，当环境温度上升至设定值时，电缆隧道巡检机器人通过通讯系统，接收远程管理平台以及本地中心管理平台的控制指令，然后获取指令控制发射超细灭火干粉进行灭火。同时，还可以对老化、腐蚀以及遭受啃噬的部位进行定位和修复，提高电缆线路使用寿命的同时还能有效降低火灾对电缆线路造成的破坏。

此外，为了确保电缆巡检机器人在复杂环境中安全、稳定的运行，巡检机器人的控制程序所发的各种指令都是在无线网络环境下进行的，通过后台控制器和巡检机器人系统中的无线网卡，可以建立两台计算机之间的无线网络连接。针对控制系统要求，搭建基于Lab VIEW软件，设计客户端和服务器之间的无线通讯软件，实现图像信息的实时采集、无线传输等功能。电缆隧道巡检机器人配备高带宽、抗干扰能力强、传输距离远的通讯模块，能够将电缆线路实时视频图像信息传输至用户端。隧道巡检机器人设计生产完后，为了进一步验证巡检机器人结构和功能的合理性以及可靠性，需要对其进行爬坡、翻越以及无线通讯等多方面的试验分析，本文研究的电缆隧道巡检机器人通过动力学和运动学试验，验证了其可以适用于电缆索道或者管道等复杂的封闭环境，可以有效地规划爬坡、翻越障碍的路线，明确驱动电机的工作指令，为机器人在电缆隧道环境中顺利巡检做好准备。

3 总结

综上所述，伴随着人工智能技术的不断发展和日趋成熟，运用仿生学原理设计的巡检机器人，已经可以有效替代人工完成一些特殊环境下的安全排查工作。本文研究的电缆隧道巡检机器人具有高机动性，能够轻松穿越复杂的障碍，进行电缆线路的维护工作，同时具有优越的无线通讯技术，便于远程操控。在城市化高速发展的今天，土地资源稀缺，电缆隧道的密度越来越大，电缆维护的难度和工作量也与日俱增，因此，必须隧道中的电缆定期检查维护，了解电缆运行情况及其周围环境，及时发现并消除隐患，确保人们生产、生活用电的安全和稳定性，对智能巡检机器人具有非常广阔的应用前景。