一种电缆沟巡检机器人及系统
阅读：801发布：2023-03-20
专利汇可以提供一种电缆沟巡检机器人及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种 电缆 沟巡检 机器人 及系统，电缆沟巡检机器人包括车体，车体内设有 中央处理器 ；车体的底部两端分别设有至少一个 驱动轮 ，车体内设置至少四个 电机 驱动器 ，一个驱动轮至少连接一个 驱动电机 、一个转向电机，驱动电机连接电机驱动器，转向电机连接电机驱动器；车体的后端设有至少两个 超 声波 传感器 ，车体的底部设有 气体传感器 ；电机驱动器、 超声波 传感器 、气体传感器均与中央处理器电性连接。本实用新型的有益效果：结构紧凑，适用狭窄空间 定位 移动， 质量 轻，提高续航能 力 ，系统扩展性能优越，方便搭载探测元件。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种电缆沟巡检机器人及系统专利的具体信息内容。
1.一种电缆沟巡检机器人，其特征在于，包括车体，车体内设有中央处理器；车体的底部两端分别设有至少一个驱动轮，车体内设置至少四个电机驱动器，一个驱动轮至少连接一个驱动电机、一个转向电机，驱动电机连接电机驱动器，转向电机连接电机驱动器；车体的后端设有至少两个超声波传感器，车体的底部设有气体传感器；电机驱动器、超声波传感器、气体传感器均与中央处理器电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人，其特征在于，还包括安装在车体内的A/D转换模块，气体传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
3.根据权利要求2所述的一种电缆沟巡检机器人，其特征在于，还包括安装在车体内的湿度传感器或/和温度传感器，湿度传感器或/和温度传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
4.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人，其特征在于，所述气体传感器模块为氯化氢气体传感器、一氧化碳传感器、硫化氢气体传感器、甲烷气体传感器中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人，其特征在于，还包括安装在车体内的嵌入式以太网收发模块，嵌入式以太网收发模块通过串口与中央处理器连接。
6.根据权利要求1所述的一种电缆沟巡检机器人，其特征在于，所述驱动电机与驱动轮采用同步带传动，且传动比1：1；且在驱动电机上安装有光电开关。
7.一种电缆沟巡检机器人系统，其特征在于，包括上述权利要求1-6任一所述电缆沟巡检机器人、上位机，中央处理器与上位机通过双向连通。
8.根据权利要求7所述的一种电缆沟巡检机器人系统，其特征在于，所述中央处理器通过GPRS模块与上位机的GPRS模块通过网络连接。
一种电缆沟巡检机器人及系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种巡检机器人及系统，尤其涉及的是一种电缆沟巡检机器人及系统。
背景技术
[0002] 变电站电缆沟内电缆密集敷设，空间狭窄，人工巡检难度大。目前主要采用感温电缆或光纤进行温度监测，手段相对单一，不能有效监测沟内电缆各种状态，隐患排查能力欠缺，接近于管控盲区。现有的检测装置，无法深入到电缆沟内对电缆沟内密集的电缆电缆设备进行检查，导致地面工作人员无法实时掌握电缆沟内对电缆的工作状态，一旦发生故障无法及时预警，采取相应的处理措施，进而造成电缆故障损失。
[0003] 目前有采用电缆沟巡检的机器人进行检测，而且基本都是采用轮式或履带式结构在电缆沟内部行走巡检，存在很多不便和缺点，特别在拐弯、T型路口、十字形路口等处，不易实现拐弯的操作。
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决现有电缆沟巡检机器人不易实现拐弯的问题。
[0006] 本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本实用新型公开一种电缆沟巡检机器人，包括车体，车体内设有中央处理器；车体的底部两端分别设有至少一个驱动轮，车体内设置至少四个电机驱动器，一个驱动轮至少连接一个驱动电机、一个转向电机，驱动电机连接电机驱动器，转向电机连接电机驱动器；车体的后端设有至少两个超声波传感器，车体的底部设有气体传感器；电机驱动器、超声波传感器、气体传感器均与中央处理器电性连接。
[0007] 本实用新型可以通过驱动电机驱动驱动轮行驶，转向电机实现驱动轮的转向，设置至少两个超声波传感器对两侧进行获取信号，传输给中央处理器，对数据进行存储，气体传感器对电缆沟中有害气体进行检测，并将信号传输给中央处理器进行存储。
[0008] 优选的，还包括安装在车体内的A/D转换模块，气体传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
[0009] 优选的，还包括安装在车体内的湿度传感器或/和温度传感器，湿度传感器或/和温度传感器通过A/D转换模块与中央处理器连接。
[0011] 优选的，还包括安装在车体内的嵌入式以太网收发模块，嵌入式以太网收发模块通过串口与中央处理器连接。
[0013] 本实用新型还提供一种电缆沟巡检机器人系统，包括上述电缆沟巡检机器人、上位机，中央处理器与上位机通过双向连通。
[0014] 优选的，所述中央处理器通过GPRS模块与上位机的GPRS模块通过网络连接。
[0015] 本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型可以通过驱动电机驱动驱动轮行驶，转向电机实现驱动轮的转向，设置至少两个超声波传感器对两侧进行获取信号，传输给中央处理器，对数据进行存储，气体传感器对电缆沟中有害气体进行检测，并将信号传输给中央处理器进行存储；结构紧凑，适用狭窄空间定位移动，质量轻，提高续航能力，系统扩展性能优越，方便搭载探测元件。附图说明
[0016] 图1是本实用新型实施例一种电缆沟巡检机器人的主视图；
[0017] 图2是图1的俯视图；
[0018] 图3是图1的仰视图；
[0019] 图4是图1的左视图；
[0020] 图5是图1的立体图；
[0021] 图6-1是电缆沟巡检机器人驱动部分的细节图；
[0022] 图6-2是图6-1的俯视图；
[0023] 图6-3是图6-1的剖视图；
[0024] 图6-4是图6-1的右视图；
[0025] 图7是本实用新型电缆沟巡检机器人系统的控制流程图；
[0026] 图8是本实用新型电缆沟巡检机器人的连接示意图；
[0027] 图9是T型通道示意图；
[0028] 图10-1是路口拐弯判别示意图；
[0029] 图10-2是路口拐弯判别示意图；
[0030] 图10-3是路口拐弯判别示意图；
[0031] 图11-1机器人t1时刻示意图；
[0032] 图11-2机器人t2时刻示意图；
[0033] 图11-3机器人t3时刻示意图；
[0034] 图11-4车体前驱动轮与时间的数学函数曲线关系图；
[0035] 图11-5车体后驱动轮与车体的角度与时间的数学函数曲线关系图。
[0036] 图中标号：车体1、驱动轮11、同步带111、驱动轮支架112、天线12、驱动电机13、同步带轮131、驱动电机轴套132、单向轴承133、气体传感器14、超声波传感器15、第一超声波传感器151、第二超声波传感器152、转向电机16、转向电机支架161、转动轴承套 162、转向主动齿轮163、转向从动齿轮164、转向轴承165、光电开关17、旋转定位盘18、中央处理器2、A/D转换模块3、嵌入式以太网收发模块4、电量检测电路5、红外线成像仪 6、上位机7、GPRS-RTU模块8。
具体实施方式
[0037] 下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0038] 实施例一：
[0039] 如图1所示，本实施例一种电缆沟巡检机器人，包括车体1，车体内设有中央处理器(图中未示出)；车体的底部两端分别设有一个驱动轮11，图1所示，右侧为前驱动轮，左侧为后驱动轮，且左侧设有天线12，车体内设置四个电机驱动器，结合图6-1所示，一个驱动轮 11连接一个驱动电机13和一个转向电机16，驱动电机13连接电机驱动器，转向电机16连接电机驱动器；如图3、图4、图5所示，车体1的后端设有两个超声波传感器15，车体的底部设有气体传感器14；电机驱动器、超声波传感器15、气体传感器14均与中央处理器电性连接；驱动轮11通过驱动轮支架112安装在车体1上；
[0040] 如图6-1、6-2、6-3、6-4所示，所述驱动电机13通过驱动轮轴134能够转动的连接在驱动电机支架133上，并固定在车体1底板顶面，并且驱动电机13与驱动轮11采用同步带 111传动，这种结构可以保证驱动轮与驱动电机分别处于驱动轮安装板的上方，避免排水沟内的积水进入电机；驱动电机13通过单向轴承133、驱动电机轴套132驱动连接同步带轮
131，驱动且传动比1：1；驱动电机13与主动同步带轮131之间采用单向轴承133连接，可保证在驱动电机13在断电情况下，驱动轮11仍可转动；且在驱动电机13上和车体底板内部顶面，驱动装置的两侧均安装有光电开关17；转向电机16通过转向电机支架161固定在车体底板顶面，转向电机16通过转向轴承165依次连接转向主动齿轮163、转向从动齿轮164，转动轴承安装在转动轴承套162中；转向机构可以采用步进电机驱动减速齿轮组机构，减速齿轮组可根据实际需要选择；光电定位盘18与驱动轮轴134刚性连接，光电开关17利用光电定位盘
18旋转角度来判断转向角度是否到位，光电定位盘18上设有光电开关17能够感受的特征，可以是孔、缺口等，一般情况下，设定相邻的缺口呈的圆形角为90度，用于检测知否完成转弯90度。
131，驱动且传动比1：1；驱动电机13与主动同步带轮131之间采用单向轴承133连接，可保证在驱动电机13在断电情况下，驱动轮11仍可转动；且在驱动电机13上和车体底板内部顶面，驱动装置的两侧均安装有光电开关17；转向电机16通过转向电机支架161固定在车体底板顶面，转向电机16通过转向轴承165依次连接转向主动齿轮163、转向从动齿轮164，转动轴承安装在转动轴承套162中；转向机构可以采用步进电机驱动减速齿轮组机构，减速齿轮组可根据实际需要选择；光电定位盘18与驱动轮轴134刚性连接，光电开关17利用光电定位盘
18旋转角度来判断转向角度是否到位，光电定位盘18上设有光电开关17能够感受的特征，可以是孔、缺口等，一般情况下，设定相邻的缺口呈的圆形角为90度，用于检测知否完成转弯90度。
[0041] 本实施例仅给出一种驱动行驶以及转向方式，还可以使用其他现有技术中的方式。另外，由于电缆坑道为人工路面，相对平整，可使用结构简单的轮式结构，针对路面可能会有的杂物，积水和路面不平问题，可以通过选用大直径锥形轮加双电机四轮差速转向式驱动方式解决。
[0042] 本机器人对电机的基本性能要求有以下几项：①启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性；②正转反转时的特性相同，且运行特性稳定；③良好的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻；④维修容易，无需保养，安全性能高。由此可以选择步进电机作为机器人的驱动源。驱动电机和转向电机均可采用步进电机，因此，本实施例中使用4 个步进电机。
[0043] 本实用新型可以通过驱动电机13驱动驱动轮11行驶，转向电机16实现驱动轮11的转向，设置两个超声波传感器15对两侧进行获取信号，传输给中央处理器，对数据进行存储，气体传感器14对电缆沟中有害气体进行检测，并将信号传输给中央处理器进行存储。
[0044] 实施例二：
[0045] 结合图7和他8所示，本实施例二中在实施一的基础上，还包括安装在车体内的A/D转换模块3，气体传感器通过A/D转换模块与中央处理器2(即图中CPU)连接。还包括安装在车体内的湿度传感器或/和温度传感器，湿度传感器或/和温度传感器通过A/D转换模块3与中央处理器2连接，所述气体传感器14模块为氯化氢气体传感器、一氧化碳传感器、硫化氢气体传感器、甲烷气体传感器中的一种或多种。还包括安装在车体内的嵌入式以太网收发模块4，嵌入式以太网收发模块4通过串口与中央处理器2连接，嵌入式以太网收发模块4选用ENC28J60。另外，还可以设置电量检测电路5和红外线成像仪6，均采用现有技术中的即可，对巡检机器人进行电量检测，以及对电缆沟内的情况获取图像，因此，程序设有两个中断，一个是电量报警中断，另一个是上位机发布中止监测指令，出现两个指令，机器人停止检测，返回初始位置进行充电或待检修。
[0046] 本实用新型还提供一种电缆沟巡检机器人系统，包括上述电缆沟巡检机器人、上位机7，中央处理器2与上位机7通过双向连通。所述中央处理器通过GPRS模块与上位机的GPRS模块通过网络连接，本实施例中，GPRS模块选用GPRS-RTU模块8，机器人与地面上位机的通信采用GPRS模块，实现TTL串口通讯转为GPRS无线通讯。利用手机SIM卡和运营商的GPRS网络提供无线长距离数据传输功能。通过上位机7对数据进行处理，并反馈给个执行单元，进行动作。
[0047] 电源应采用24V续航能力强，重量轻，可以充电的锂电池组。
[0048] 结合图9、10-1、10-2、10-3所示，本实用新型还提供一种电缆沟巡检机器人系统巡检方法，采用上述所述的电缆沟巡检机器人系统进行的巡检方法，步骤如下：
[0049] S01:在机器人进入巡检沟前，需进行路径规划规定机器人在T型通道中如何走，需要确定AB，BC，BD的长度需要测得路径的长度；假设A为起点，则机器人的行走路径可设置为AB→BC→CB→BD→DB→BA，机器人运动一圈可对所有电缆进行检测。此处是指以T型通道场景作为案例，描述装置运动过程。
[0050] SO2:直行路线时，车体左侧的超声波传感器信号不变，右侧的超声波传感器信号不变，驱动电机驱动驱动轮直行；
[0051] S03：遇到T型路线时；
[0052] 如图10-1所示，若，车体左侧的第一超声波传感器151信号不变，右侧的第二超声波传感器信号152改变，上位机7通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置，并发出右转信号，电机驱动器得到信号驱动转向电机16操作驱动轮11进行右转；
[0053] 如图10-2所示，若，车体左侧的第一超声波传感器151信号改变，右侧的第二超声波传感器152信号不变，上位机7通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置，并进行左转信号，电机驱动器得到信号驱动转向电机16操作驱动轮11进行左转；
[0054] 如图10-3所示，若，车体左侧的第一超声波传感器151信号改变，右侧的第二超声波传感器152信号改变，上位机7通过接收到的信号判断机器人到达转弯位置，可进行左转或右转。
[0055] 除此之外，在车体1进行左拐弯或右拐弯时，车体后端驱动轮的速度为定值的情况下，要时刻调节车体前端驱动轮的速度以及前后驱动轮与车体1的夹角。
[0056] 如图11-1、11-2、11-3、并结合图11-4、11-5所示，
[0057] ①根据预设行走路径提供的AB，BC，BD的长度设置驱动轮运动算法。如图所示：灰色实线表示排水沟的两侧，虚线表示排水沟的中心线，如图11-1所示，t1时刻机器人进入拐弯处，如图11-2所示，t2时刻机器人正在拐弯，如图11-3所示，t3时刻机器人完成拐弯，箭头表示驱动轮的方向；L为车体长度，S1为后驱动轮所走的距离，S2为前驱动轮所走的距离， S3为后驱动轮与拐弯处的距离，∠a为后驱动轮与车体的角度，∠b为前驱动轮与车体的角度；
[0058] 设机器人后驱动轮的速度为常数v1，前驱动轮的速度为变量v2，时间为t；则有如下公式：
[0059] S1＝v1×t
[0060] S2＝v2×t
[0061] S3＝L-v1×t
[0062] 根据勾股定理：
[0063] S22+S32＝L2
[0064] 得到v2与时间t的关系：
[0065] v22＝(2Lv1t-v12t2)/t2
[0066] 设L＝10，v1＝1则v2与t的数学函数曲线如图11-4所示；
[0067] 角度与时间的关系：
[0068] cos(a)＝S3/L
[0069] ∠b＝∠a+π/2
[0070] 整理得到：
[0071] ∠a＝arccos(1-v1t/L)
[0072] ∠b＝arccos(1-v1t/L)+π/2
[0073] 设L＝10，v1＝1则∠a与t的数学函数曲线如图11-5所示，单位为弧度。
[0074] 所以，机器人在拐弯时在确定后驱动轮的速度的前提下，要时刻调节前驱动轮的速度以及两驱动轮与车体的夹角。
[0075] ②以图11中右转弯为例，机器人行进路线为AB→BD，行进AB阶段时第一超声波传感器151、第二超声波传感器152都接收到沟壁返回的信号；行进到转弯处时，第一超声波传感器151有信号，第二超声波传感器152无邻近沟壁返回的信号，判断可以转弯动作。
[0076] ③通过传感器接收到的信号，上位机7判断机器人到达转弯位置，通过通讯系统将转弯指令发送给机器人的控制系统。控制系统依据①里面的公式，对应选择位置调节前后驱动轮的速度与夹角。实现转弯。
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