具有蛇形結構的電纜溝狀態巡檢機器人
2019年06月04日 20:41
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湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃
項 目 申 報 表
項目名稱:
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學校名稱
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長沙理工大學
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學生姓名
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學 號
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專 業
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性 別
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入 學 年 份
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廖子涵
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201524050418
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電氣工程及其自動化
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男
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2015
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臧文龍
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201524050110
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電氣工程及其自動化
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男
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2015
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謝超
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201524050117
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電氣工程及其自動化
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男
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2015
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彭禹堯
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201524050624
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電氣工程及其自動化
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男
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2015
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嚴一帆
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201530010218
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電氣工程及其自動化
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男
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2015
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指導教師
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王旭紅
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職稱
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教授
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項目所屬
一級學科
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電氣工程
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項目科類(理科/文科)
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理科
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學生曾經參與科研的情況
廖子涵：
(1) 2016年9月 創新實驗實驗室
(2) 2016年5月 電工杯數模競賽
(3) 2016年9月 國家計算機二級考試
臧文龍:
(1) 2016年5月 電工杯數模競賽
(2) 2016年9月 國家計算機二級考試
謝超：
(1) 2016年9月 國家計算機二級考試
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指導教師承擔科研課題情況
湖南省科技計劃項目：2015GK3018電力系統GIS故障診斷方法研究及診斷系統研制
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項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題
研究目的
研制一種具有蛇形結構的狀態巡檢機器人，該機器人具備以下功能：
(1) 可以在狹小、復雜的電纜溝內自主行走、攀爬越障
(2) 實現對電纜溝的實際運行狀態和運行環境的全面監測
(3) 通過智能化聯動控制機制，實現潛在隱患和警情的及時處理
研究內容
(1) 蛇形機器人的總體結構設計，如圖1
1.機器人軀體 2.軀體轉向關節 3.云臺 4.視頻監測裝置 5.機器人行走臂6. 行走輪7.傳感器
圖1蛇形巡檢機器人結構
(2) 蛇形機器人的運動建模與協調控制方法，如圖2
圖2 蛇形機器人的運動示意圖
（3）具有視、聽、嗅功能的機器人綜合感知系統，如圖3，4，5，6
圖3基于紅外成像技術的電纜溫度檢測流程
圖4基于電子鼻的絕緣故障檢測流程
圖5積水檢測流程
(4）機器人的視覺導航與定位
圖6光學成像過程
圖7噪音收集流程
(5）電纜溝運行狀態的智能評估方法
圖8智能評估系統
主要問題
(1)電纜溝狀態監測的不足
(2)電纜溝內地形狹小復雜，機器人難以運作
(3)電纜溝內的檢修維護工作難度大時間長
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國內外研究現狀和發展動態：
北京電力局在2007年開發了電力電纜接頭溫度遠程在線監測網絡系統，綜合采用計算機技術和數據通信技術，具備了在線監測電纜接頭的溫度變化的功能，能夠在電纜發生燃爆前進行預測，以確保電纜運行安全。然而，該系統檢測點單一，只能監測溫度。2011年，上海交通大學與上海東云信息技術發展有限公司共同開發了“電力電纜隧道計算機綜合監控系統”，該系統用于監測電纜隧道中的電纜輸送量，溫度，氣體和濕度等等，也提出了火災的自動預防與處理，但是，它卻不具備智能性分析數據，智能評估隧道狀況的功能。2014年，山東聊城供電公司開發了輸電電纜綜合在線監測預警系統，實現了電纜溝內的環境以及電纜運行狀態的在線實時監測。
在電纜狀態監測領域，國外較早開展研究，2004年美國東部電力公司推出了名為“PCJMS（Power Cable Junction Monitoring System）”的電纜在線監測系統。提出了一種在線評估接頭電阻和絕緣老化的算法，通過電纜接頭的溫度變化來監測電纜的運行故障，但該系統功能較為單一，綜合性差，無法對電纜環境中的濕度，氣體，水位等其他因素進行綜合的監測。2008年，日本仙臺電力公司推出了電網故障綜合評估系統，具備電纜線路狀況綜合評估功能。該系統綜合性非常強，卻沒有提出如何自動排除險情的解決方案。2013年，美國Alfredo Vaccaro等人提出了一個智能電網的集成框架，簡稱Integrated Framework for Smart Microgrids，該框架把對電纜溝的在線監測與對設備的控制集合在一起，從而達到狀態數據聯動控制設備的效果。該思路可行，但未有具體的應用報道。
總之，目前對電纜溝狀態監測的報道，大多集中于采用固定監測設備對電纜溝井中某一參數或幾個參數進行測量，電纜溝長度大，采用固定式布點監測存在監測盲區，不能有效反映電纜的運行狀態，而且，缺少數據分析，沒有真正在集控中心再現電纜溝的實際運行情況，更沒有與排水、滅火、通風、視頻監視等系統進行聯動控制，實現電纜溝內潛在隱患和警情的及時處理與排除，其應用效果受到很大限制。
目前，國內外正采用機器人開展架空輸電線路和變電站巡檢，而將機器人應用于電纜溝狀態監測則缺少報道，電纜溝存在空間小、環境差、障礙多等特點，常規的輪式、履帶式機器人難以正常工作，若能研制一種具有蛇形結構的靈巧智能巡檢機器人，彌補上述監測方法的不足，將具有很好的應用前景。
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本項目學生有關的研究積累和已取得的成績
1、 已查閱了相關資料，明確了工作過程
2、 將工作原理制成圖表便于理清思路
3、 學習了單片機和傳感器的相關知識如電子鼻的工作過程
4、 學習了電機及其控制的相關知識
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項目的創新點和特色
1、 在電纜溝的復雜環境下，研究基于視覺的電纜溝行走路線識別、障礙物檢測與導航避障控制，解決巡檢機器人的導航、定位問題。
2、 創建具有視、聽、嗅功能的機器人綜合感知系統。
3、 對電纜溝運行狀態的智能評估
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項目的技術路線及預期成果
1、技術路線
(1) 蛇形機器人的總體結構設計
研究具有多節軀體、軀體安裝履帶式行走輪、各節軀體通過兩自由度轉向關節連接的蛇形機器人綜合構型，通過對軀體行走電機、關節轉向電機的控制，可實現機器人在電纜溝內水平爬行、直角拐彎、豎立攀爬越障和全方位的電纜檢測。
分析機器人的受力情況，以受力均衡為準則，研究紅外和可見光視頻檢測裝置、各類傳感器、無線數據傳輸裝置、蓄電池等在機器人上的布置。
蛇形巡檢機器人的總體結構如圖1所示：
圖9蛇形巡檢機器人的總體結構
1.機器人軀體 2.軀體轉向關節 3.云臺 4.視頻監測裝置 5.機器人行走臂6. 行走輪7.傳感器
(2) 蛇形機器人的運動控制
根據電纜溝的地形、地貌，研究蛇形機器人各軀體行走輪電機、關節轉向電機的整體協調控制方法，實現機器人的精準運動控制。
(3) 建立具有視、聽、嗅功能的機器人綜合感知系統
根據電纜運行特性，建立具有視、聽、嗅功能的機器人綜合感知系統，其中視覺感知采用熱成像和可見光成像相結合；聽覺感知采用拾音器用于測量電纜設備噪聲，通過基于聲源的定位方法，計算息采集的延遲和幾何關系以判斷聲源位置、強度和方向；嗅覺檢測電纜運行所發出的異味，采用具有嗅覺功能的電子鼻結構，對電纜異味形成連續不斷的檢測。基于以上多傳感器信息融合的綜合感知系統，可對電纜狀態進行全方位的快速感知和識別。
（4）機器人的視覺導航與定位
在電纜溝的復雜環境下，靈活、精確的機器人導航與自定位是一大難題，為此本項目將開展基于視覺的電纜溝行走路線識別、障礙物檢測與導航避障控制的研究，力圖解決巡檢機器人的導航、定位問題。
（5）電纜溝運行狀態的智能評估方法
根據獲取的電纜溝狀態數據，研究基于多傳感器信息融合方法，建立智能化的數據分析系統，對電纜溝道內整條電纜溫度的分布與變化、電纜絕緣情況、報警類型與報警等級，有無非法入侵、電纜設備外觀有無異常等電纜運行狀態做出有效的評估。
2、預期成果
(1)制做1臺電纜溝巡檢機器人；
(2)撰寫項目研究技術報告:包括蛇形機器人的運動模模型及其控制方法；蛇形機器人的視、聽、嗅功能綜合感知系統；蛇形機器人的智能評估；
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年度目標和工作內容（分年度寫）
2017年2月—2017年5月 ：深入學習國內外研究現狀和發展動態，結合當前實際做出設想，制定工作目標計劃，完善構思，充分做好前期準備工作。
2017月6月—2017年8月：重點學習蛇形機器人的運動模模型及其控制方法，結合電纜溝中的實際情況，進行技術難點突破。
2017年9月—2017年12月：重點設計蛇形機器人的視、聽、嗅功能綜合感知系統，使用各類知覺的相應技術，對蛇形機器人的“感知神經中樞”進行設計制作。
2018年1月—2018年2月：重點制成蛇形機器人的智能評估系統，將從電纜溝中獲取的狀態數據進行處理和有效評估。
2018年3月—2018年4月：總結項目成果，撰寫研究報告。
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指導教師意見
簽字： 日期：
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