电缆隧道巡检机器人的设计

电缆隧道巡检机器人的设计

刘欢吴鹏

（华北电力大学河北保定071000）

摘要：机器人整体由机械越障部分、双端通讯部分、远程控制部分和监控软件部分组成，可代替人工进行电缆隧道的巡检工作，能在无线终端的控制下，完成前进、后退、转弯还有头部云台的升降、偏航和俯仰的动作，并且能在运动的过程中将摄像头所拍摄到的图像实时传输至无线控制终端。再利用PROE软件进行结构设计，并对运动执行机构进行了力学分析。以STM32为控制芯片，利用AltiumDesigner进行控制板的原理图和PCB板的绘制，KEIL进行单片机的编程，并选择电机驱动、图传设备、摄像头、数传设备等，搭建了一个巡检机器人的控制系统。最后设计制作出来的机器人能够较好的满足最初的设计要求。

关键词：隧道；机构设计；移动控制

1背景与意义

在变电站地下电缆隧道中，时常出现电缆线路过热，引燃隧道内易燃气体的事故。究其根本，总共有两大类原因——自身原因：电缆线路长期运行导致的线路老化、断股、磨损；外部原因：小动物的噬咬，气体的腐蚀等等。对于线路问题，通常需要人为进行修复，更新等工作。每一次都要消耗大量的人力物力，并且极易对维修人员造成身体伤害。故此，对于电缆隧道的监测力度的要求与日俱增，然而类似于修护的问题，监测人员同样需要面临高温、有毒气体、空间狭小闭塞等问题，对于监测工作的实施造成了巨大的障碍，而工作人员的人身安全，同样存在着巨大的隐患。旧时的巡检，费时又费力，不仅效率低下，还时常会造成工作人员的人身伤害，一种代替人工的智能巡检装置呼之欲出。

2隧道电缆巡检机器人的结构设计

2.1头部云台的设计

在完全自由的云台有六个自由度，即水平方向上的前进后退的自由度、水平方向上的向左向右自由度、竖直方向上的升降自由度，以及横滚、俯仰和偏转这三个转动的自由度。前进后退的自由度可以由运动执行机构来提供；而左右方向的自由度，也因为电缆隧道狭小，宽度有限而没有必要；在电缆隧道中，有的是两边每侧都有电缆支架，而每一侧的支架又分上中下三排电缆支架，为了能让巡检机器人尽可能大范围的检测电缆，就需要有竖直方向上的升降自由度；如果摄像机横滚的话，就会得到并不是正的画面，这样并不符合人们的操作习惯，故不予考虑；虽然机器人给予了云台竖直升降方向的自由度，但是如果要安装摄像头的话，视野仍然收到限制，为了能够获得更广的视野，可以给云台加上俯仰方向的自由度；同理，为了扩展左右方向的视野，可以增加偏转方向的自由度。综上，头部云台设有三个方向的自由度，分别为竖直升降，俯仰和偏转。

图2-1检测机构设计图

2.2尾部云台的设计

虽然头部平台的视野能覆盖到巡检机器人正面方向绝大部分的范围了，但是任然会有一些死角，而且仅仅有一个摄像头工作的话，不能同时观察到巡检机器人的前方和后方的情况。因此在机器人的后方加设一个固定的尾部平台，尺寸为36*39*34mm。

2.3其他辅助机构的设计

零除了检测机构和运动执行机构，巡检机器人还需要有电源部分和控制部分，其全部安装在预留空间内，供电电池尺寸为100*20*32mm，PCB控制板尺寸为60*70mm，电机驱动模块尺寸为50*50mm，图传发射模块为55*30*7mm(具体选型设计见第四章)。控制板和驱动模块的定位采用铜柱连接固定，由于需要用到三个电机，故将三个驱动模块上下叠加，每个模块之间的间距约为20mm，控制板采用50mm的铜柱架空在预留空间内，下方放置供电电池，图传发射模块和WFLY接收模块用胶枪固定在内壁上，再将天线从天线口中引出。

2.4总体结构设计整合

依据以上的设计，在通过优化整合，并使用PROE软件的建模功能，设计出了适用于电缆隧道的巡检机器人，巡检机器人的整体三维模型如图2-2所示。该机器人综合了防爆机器人和搜救救援机器人各自的优点，结构强度大，重量轻，姿态稳定性好，越障性能优异。从而保证了电缆隧道的电缆巡检顺利完成。

图2-2巡检机器人整体示意图

3隧道电缆巡检机器人的控制系统设计

3.1控制系统的组成

图3-1控制系统结构图

如图3-1为巡检机器人的控制系统结构图，主控芯片选用STM32F103RET6，系统板上除了搭载了STM32最小系统以外，还有运动控制模块，系统板还引出了接口，连接摄像头模组和无线模组，整个系统利用3S锂电池供电。

3.2STM32单片机系统的设计

3.3运动控制模块的设计

3.3.1舵机控制模块的设计

舵机的内部有一个能够产生周期为20ms，宽度为1.5ms基准信号的电路，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，得到的电压差若是正，则电机正转，反之则反转。当电机的转速达到一定值的时候，通过多级减速齿轮带动舵机内的电位器旋转直至电压差为0，电机停止转动。一般用一个20ms左右的世纪脉冲来控制舵机，其高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，周期为2ms。以180度角度舵机为例，则如下是对应的控制关系：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

所以，要控制舵机只要在供电的情况下从单片机引出一个I/O口，并给它一个周期为20ms的PWM波就行了。

3.4其他辅助电路的设计

机器人驱动电机的额定电压为12V，故供电电源至少选择12V的3S锂电池，出于节约成本的考虑，选用实验室已有的格氏高性能充电锂电池，容量为2200mAh。

由于STM32需要3.3V供电，故需要设计3.3伏电源，同时为了增加3.3V电压的稳定性，也方便将来增加电压要求为5V的传感器，故设计一12V转5V，5V转3.3V的稳压电源。巡检机器人只由一块12伏的锂电池供电。

稳压电源芯片主要分开关型稳压芯片和线性稳压芯片。基于稳压原理，开关型稳压电源是利用电感和电容作为储能元件来实现升压和降压的稳压电源是开关型稳压电源的特点，而利用晶体管或场效应管变化的的动态电阻来调整管压降从而保持输出电压稳定则是线性稳压电源的特点。

从稳压电路形式上说，开关型稳压电源电路中经常有电感元件存在，比如LM2596；而线性稳压电源电路中通常不需要电感，比如TPS7350。

从稳压功能上说，线性稳压电源芯片只能降低电压，因此输入的电压值一定要大于输出的电压值，而且输入与输出的电压差不大，而开关型稳压电源既可以升压也可以降压，而且输入和输出的电压之间可以有很大的电压差。

从稳压效果上看，开关型稳压电源效率相对来说比较高，而且发出的热量较少，特别是在输入与输出电压差别较大的情况下，而线性稳压电源的纹波较小，输出的电压质量相比较于开关型稳压较高。

结束语

随着电力系统自动化的发展，应运而生的电缆隧道机器人能够满足电力系统对于隧道内部环境及电缆的检测要求，并且可取代安装在隧道内部的大量检测设备。将工作人员从繁杂的检测工作中解放出来，保障工作人员身体健康，满足电力系统及工作人员对提高巡检效率的要求。在地下电缆隧道行业日益发展的今天，具有极大的开发潜力，拥有很高的推广价值。

参考文献

[1]何军,梁彦.地下电缆巡检机器人关键技术研究[J].四川职业技术学院学报,2015,03:154-156.

[2]吴华,张晔,杨国田,柳长安.巡检机器人用漏泄通信线路在高压电缆隧道中的感性耦合影响[J].高电压技术,2015,08:2697-2705.

[3]吴华,孟伶智,柳长安,杨国田.混杂动态系统的电缆隧道巡检机器人防摆控制[J].华中科技大学学报(自然科学版),2013,S1:440-442+454.