李 乾，錢恒健，方永毅，邢 昆，劉保安

(國網(wǎng)石家莊供電公司，河北 石家莊 050006)

電纜隧道是當前高壓大容量輸電系統(tǒng)的重要管廊，與普通地埋線路相比，電纜隧道的可維護性更高，維護難度相對較大，輸電系統(tǒng)對地容性漏電可控性更佳，但巡檢維護量更大，而且隧道內(nèi)空間較為狹窄，還可能存在有害氣體。高壓電纜管廊的內(nèi)部環(huán)境較為惡劣，使得人工巡檢具有一定的風險，故在當前電力系統(tǒng)中，多采用行走式隧道機器人進行機器輔助巡檢。機器人除了攜帶可見光、紅外及激光點云成像設(shè)施，還攜帶溫度及空氣質(zhì)量探頭，借助行走機構(gòu)的支持，可以每天多次往返于電纜隧道中，提供及時有效的線纜隧道巡檢數(shù)據(jù)。

我國現(xiàn)有關(guān)于機器人相關(guān)應用研究中,黃雙得等[1]研究了一種基于單軌吊式行走機構(gòu)的架空式巡檢機器人的行走機構(gòu)；虞鴻江[2]對巡檢機器人的整體系統(tǒng)整合模式進行了研究，尤其是多系統(tǒng)小空間融合的兼容性問題；韓宇澤等[3]研究了行走機器人在電纜隧道內(nèi)行走過程的路徑障礙處理模式，通過對比多種行走機構(gòu)，發(fā)現(xiàn)架空單軌吊式行走機構(gòu)的越障性能最佳；程貝貝[4]研究了隧道巡檢機器人的控制軟件和控制算法，探討了使用單一嵌入板系統(tǒng)控制整臺巡檢機器人的實現(xiàn)方案；陳曉勇[5]針對電力隧道視頻監(jiān)控機器人的實現(xiàn)模式進行了分析，使用多種視頻探頭獲得了電力隧道的諸多可用信息；陳析等[6]通過邏輯建圖算法對電力隧道的機器人行走定位控制進行了算法研究。綜合分析相關(guān)文獻研究成果，本文擬采用架空式單軌吊系統(tǒng)和齒軌驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)機器人行走方案。

1 個案概況及需求分析

本文個案為某市的一個箱式電纜管廊隧道，總長度16.7 km，管廊高度2.8 m、寬度2.4 m，管廊兩側(cè)分別布置寬度為0.6 m的電纜分層橋架，其中包含1條110 kV三相三線綜合橡膠絕緣線路，3條35 kV三相三線綜合橡膠絕緣線路，共有各類高壓線路12條，分布在管廊兩幫。另有2條400 V三相四線共纜線路用于內(nèi)部供電，4條24芯光纜線路作為內(nèi)部信號線路，2路載波電話線路作為內(nèi)部應急通訊線路，如圖1所示。

圖1 個案隧道的應急空間布局圖

所選擇的隧道總凈高度為2.8 m，預留行人空間不應低于1.9 m，故行走機器人含吊裝高度外，其運行空間高度不應超過0.9 m。因為高壓電纜橋架之間的寬度為1.2 m，為保障測量距離，行走機器人兩側(cè)應預留不小于0.3 m的行走安全空間，所以其實際安裝寬度不應超過0.6 m。行走機器人前后與隧道墻壁的距離受到隧道轉(zhuǎn)彎的空間限制，會在后面給出分析，如圖2所示。

圖2 軌道直角彎機器人過彎空間分析圖

假定機器人長度為L，寬度為600 mm，懸吊點過彎時的半徑為600 mm，且懸吊點位于機器人的幾何中心處，那么A點掃過的距離即為機器人的最大掃過半徑。根據(jù)三角學原理得到的A點的轉(zhuǎn)彎半徑解算圖如圖3所示。

圖3 機器人最大掃過半徑解算圖

由圖3可知機器人總長度L應小于1 587.45 mm，本文機器人的實際長度按照1 200 mm進行設(shè)計，并把實際R值代入式(1)，可得其最大轉(zhuǎn)彎掃過半徑為1 181.67 mm，大于最小掃過半徑900 mm的余量為281.67 mm，因為本文預留了300 mm轉(zhuǎn)彎余量，故該機器人通過富余量為18.33 mm。

綜合上述分析可知，本文機器人的最大尺寸為L(長)×B(寬)×H(高)=1 200 mm×600 mm×900 mm。

2 機器人行走部設(shè)計

2.1 行走機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)傳統(tǒng)的單軌吊穩(wěn)定性導向的設(shè)計模式，該系統(tǒng)的單軌吊懸掛系統(tǒng)使用2對懸掛輪承載機器人的自重并維持懸掛的穩(wěn)定性，使用1對導向輪控制機器人的行走方向穩(wěn)定性。機器人距離隧道頂部預留一定空間，本文設(shè)計為28 mm，作為軌道安裝距離，故設(shè)計理論高度為900 mm的機器人，可用高度被限定到872 mm。而懸掛支架兩側(cè)，還可以預留部分設(shè)備安裝空間，此部分空間主要用于行走機構(gòu)的安裝和部分定位裝置的安裝，如圖4所示。

圖4 行走機構(gòu)懸掛機構(gòu)圖(縱向)

導軌中的齒軌部分栓接在懸掛導軌的底部，使用M5模數(shù)進行齒軌設(shè)計，步進電機與行走齒輪之間使用錐形連軸器連接，減速比為1∶1，行走步進電機占用部分機器人右側(cè)空間，如圖5所示。

圖5 行走齒輪及步進電機安裝位置圖

本文重點探討齒輪驅(qū)動算法的仿真過程，機械設(shè)計的具體參數(shù)在此不做展開討論。

2.2 行走動力設(shè)計

該系統(tǒng)的行走動力采用150 W24 V/36 V直流步進電動機驅(qū)動，電動機型號為TSM57-36V-10，電動機正反轉(zhuǎn)各設(shè)置7級轉(zhuǎn)速，該電機可支持24 V、36 V、48 V驅(qū)動模式，常規(guī)24 V模式下的調(diào)控模式詳見表1。

表1 步進電機(TSM57-36V-10)步數(shù)控制表

可見此模式下，系統(tǒng)可以實現(xiàn)2.56～163.84 m/min的行走速度，其中2.56 m/min速度可用于詳細觀察過程，20.48 m/min速度可用于常規(guī)巡線過程，163.84 m/min速度可用于非巡線調(diào)度過程。

本文隧道的長度為16.7 km，在非巡線調(diào)度中，機器人可以在101.93 min內(nèi)跑完隧道全程，而常規(guī)巡線過程中，機器人可以在815.43 min(13.6 h)內(nèi)完成一次常規(guī)巡線。實際部署中，按照每天巡線4次進行部署時，需要至少部署2臺巡線機器人才可以滿足巡線需求，假設(shè)考慮到機器人的檢修維護過程，就需要采用4用2備的方式進行機器人部署。

2.3 行走控制設(shè)計

TSM57-36V-10步進電動機采用內(nèi)置DSP控制器的方式進行驅(qū)動，故無需另外在嵌入系統(tǒng)內(nèi)部署DSP模塊，其DSP引腳數(shù)量為16個(含1個信號地)，因此機器人如果采用單嵌入板系統(tǒng)，則嵌入板需要提供至少15個控制針對步進電動機提供控制信號。而其核心控制模塊包括正反轉(zhuǎn)2路信號和步數(shù)控制4路信號，本文后續(xù)算法設(shè)計中，重點就此控制信號進行討論。

行走控制信號的主要數(shù)據(jù)來源詳見表2。

表2 控制信號來源及控制優(yōu)先級

由表可見，該系統(tǒng)共設(shè)計3個信號為優(yōu)先級信號，其中，來自調(diào)度遙控系統(tǒng)的巡線方向、巡線速度、重點巡線位置等信號，屬于第Ⅱ優(yōu)先級信號，該信號在與第Ⅰ級優(yōu)先級信號不沖突的前提下得到執(zhí)行。而巡線過程中發(fā)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境溫度過高時，及發(fā)現(xiàn)障礙物信號阻攔行走通道時，會執(zhí)行第Ⅰ優(yōu)先級響應，該執(zhí)行過程為無條件執(zhí)行，屬于最高優(yōu)先級。而當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池電量低或者出現(xiàn)其他內(nèi)部故障時，則按照第Ⅲ優(yōu)先級進行處理。上述決策過程均采用模糊控制矩陣的算法實現(xiàn)，展開論述詳見下文。

3 行走部模糊控制算法

3.1 第Ⅰ優(yōu)先級控制策略

首先，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)行走前方障礙物占用機器人行走空間并阻擋其前進道路時，或軌道有不可通過現(xiàn)象時，會將系統(tǒng)停止到距離障礙點前5 m位置，同時向調(diào)度遙控系統(tǒng)發(fā)出請示，詢問下一步控制策略，并將障礙點的可見光照片、紅外照片及激光點云定位數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)度遙控系統(tǒng)，供調(diào)度人員決策。調(diào)度人員可選擇屏蔽該第Ⅰ優(yōu)先級控制權(quán)并勒令系統(tǒng)強行通過，或派遣專人處理障礙物。隧道障礙物屬于隧道故障的一種，充分捕捉障礙物信息是該隧道機器人的重要使命。

其次，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)溫度變化時，采用二維模糊矩陣的方式進行控制，詳見表3。

表3 溫度控制信號處理矩陣

A策略：該系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)速自行退回到溫度小于120 ℃的安全范圍內(nèi)，退回的同時使用可見光、紅外、激光點云等設(shè)施對現(xiàn)場進行觀察拍照，抵達安全范圍內(nèi)時，系統(tǒng)停止行走，全面使用可見光、紅外、激光點云等設(shè)施對現(xiàn)場進行觀察拍照，同時觸發(fā)調(diào)度系統(tǒng)聲光報警，并將數(shù)據(jù)第一時間傳回到調(diào)度系統(tǒng)中。

B策略：系統(tǒng)調(diào)整為機器人行走最低步數(shù)，緩慢通過故障區(qū)域，同時由可見光、紅外、激光點云等設(shè)施對現(xiàn)場進行觀察拍照，觸發(fā)調(diào)度系統(tǒng)聲光報警，并將數(shù)據(jù)第一時間傳回到調(diào)度系統(tǒng)中。

C策略：系統(tǒng)依照調(diào)度遙控指令正常運行，但觸發(fā)系統(tǒng)聲光報警，同時將可見光、紅外、激光點云數(shù)據(jù)傳回。

D策略：系統(tǒng)依照調(diào)度遙控指令正常運行，不觸發(fā)報警。

3.2 第Ⅱ及第Ⅲ優(yōu)先級控制策略

第Ⅱ優(yōu)先級策略為遙控策略，即調(diào)度通過遠程遙控系統(tǒng)將巡線策略輸入到機器人中，機器人根據(jù)第Ⅰ優(yōu)先級數(shù)據(jù)和調(diào)度指令綜合判斷，選擇巡線執(zhí)行方式。該控制策略為順序策略，并無典型的模糊矩陣影響策略執(zhí)行。

第Ⅲ優(yōu)先級策略為系統(tǒng)故障處理策略，主要來自系統(tǒng)故障和系統(tǒng)電源電量兩種影響。當系統(tǒng)故障不影響系統(tǒng)行走時，向遙控系統(tǒng)報告故障碼，并繼續(xù)執(zhí)行巡線策略；當系統(tǒng)故障影響到系統(tǒng)行走時，系統(tǒng)停止行走，向遙控系統(tǒng)報告系統(tǒng)故障碼，等待維護人員救援。在電源電量不足的情況下，按照一維控制矩陣進行模糊判斷，詳見表4。

表4 系統(tǒng)電源電量模糊控制矩陣表

4 系統(tǒng)仿真與測試

4.1 系統(tǒng)行走速度測試

對系統(tǒng)的實際各個擋位行走速度進行測試，發(fā)現(xiàn)其速度偏差度為±2.3%，其行走速度與軌道平整度、軌道垂直傾角、系統(tǒng)內(nèi)控制信號擾動有關(guān)。由前面論據(jù)基本斷定，本文系統(tǒng)可基本滿足行走速度設(shè)計需求。其實測圖如圖6所示。

圖6 3個常用位行走速度仿真實測圖

4.2 系統(tǒng)速度反饋測試

不同巡航速度下的動能見表5。

表5 系統(tǒng)動能與速度關(guān)聯(lián)表

本文考察3種測試狀態(tài)，即A——從最高轉(zhuǎn)速減速至0的狀態(tài)，B——從最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向為逆向最高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，C——從正常巡線速度(6 400步)減速至細致觀察速度(800步)的狀態(tài)。每種狀態(tài)測試50次，并對測試結(jié)果進行統(tǒng)計，其轉(zhuǎn)化結(jié)果見表6。

表6 系統(tǒng)變速反饋測試

由表可知，該系統(tǒng)在C狀態(tài)可以完全保障安全運行，步進電機未產(chǎn)生接地電流或逆向電流，系統(tǒng)未測出升溫，且狀態(tài)轉(zhuǎn)化可以在3～5 ms和2～4步完成。當系統(tǒng)高速空載運行并發(fā)現(xiàn)嚴重問題時，該狀態(tài)被觸發(fā)，此時步進電機可能出現(xiàn)最大0.03 A的接地電流或者逆向電流，系統(tǒng)可能產(chǎn)生最高0.50 ℃的升溫，且轉(zhuǎn)化時間略長，但系統(tǒng)完全可以抵抗此狀態(tài)帶來的焦耳效應，即在緊急狀態(tài)發(fā)生時，該系統(tǒng)在C狀態(tài)可以被作為應急策略。但在最極端的B狀態(tài)下，系統(tǒng)可能產(chǎn)生395.2 J的焦耳效應，此時系統(tǒng)需要使用17～36 ms完成轉(zhuǎn)向動作，可能最高產(chǎn)生5.7 ℃的升溫，可見此狀態(tài)會給系統(tǒng)帶來一定程度的破壞。本文實際策略設(shè)計中，并未設(shè)計B狀態(tài)的模糊控制策略，調(diào)度人員在實際調(diào)度過程中，也應該充分避免下達由此狀態(tài)轉(zhuǎn)化的指令。

5 結(jié)束語

本文從移動機器人行走結(jié)構(gòu)的發(fā)展脈絡出發(fā)，對移動機器人行走結(jié)構(gòu)做了一個基本概括，介紹了電纜隧道巡檢機器人在行走結(jié)構(gòu)上的仿真研究。在科技創(chuàng)新時代，隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，移動機器人行走結(jié)構(gòu)研究的目的是提升移動機器人在工業(yè)領(lǐng)域上的具體應用。基于運動仿真軟件對移動機器人的行走結(jié)構(gòu)進行研究，能夠系統(tǒng)化、具體化地研究其工作原理，從而為日后采取不同行走結(jié)構(gòu)的機器人提供選取的依據(jù)。在本文對移動機器人的行走結(jié)構(gòu)進行分析研究的過程中，著重對履帶式行走結(jié)構(gòu)進行了研究，發(fā)掘出其所具備的各種優(yōu)勢，從而能夠在對電纜隧道巡檢的工作過程中，發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。