配网电缆沟索道式微型巡检机器人

技术领域

本发明属于配网电缆巡检技术领域，具体涉及配网电缆沟索道式微型巡检机器人。

背景技术

随着我国电力需求量的不断增长、电网规模的不断扩大，配网电缆沟的应用越来越广泛，由于配网沟空间狭小、环境温度高、沟内存在有毒易燃气体等因素，巡检人员沟内工作时需要随身携带红外测温仪、气体检测仪、手电筒和相机等多种工具，劳动强度大、作业效率低；当电缆沟发生起火、冒烟或不明原因断电等紧急事件时，抢修人员无法靠近事故现场第一时间处理，且人员在电缆沟内工作容易发生人身危险；因此，提供一种结构紧凑和轻巧、自动化定期巡检、发现隐患及故障、保障电力系统安全运行的配网电缆沟索道式微型巡检机器人是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种结构紧凑和轻巧、自动化定期巡检、发现隐患及故障、保障电力系统安全运行的配网电缆沟索道式微型巡检机器人。

本发明的目的是这样实现的：配网电缆沟索道式微型巡检机器人，它包括电缆沟巡检机器人平台，所述的电缆沟巡检机器人平台包括巡检机器人本体、用于控制巡检机器人本体的巡检机器人控制系统、用于巡检机器人本体行走的索道系统以及地面控制站，所述的巡检机器人本体通过无线通信系统与地面控制站建立通讯连接，所述的无线通信系统采用无线自线网MESH网络通讯；

所述的巡检机器人本体包括机体机构，所述的机体机构上方前面设置有携带机构，所述的携带机构左右两侧均设置有驱动机构，所述的机体机构左侧下方设置有云台机构。

所述的巡检机器人控制系统分为三层设计，包括设备驱动层，操作系统层，应用层，其中应用层主要包括网络通讯模块、电机控制模块、云台控制模块、存储管理模块、显示模块和自检模块；设备驱动层包括定时器模块、ADC模块、CAN模块、SPI模块、I2C模块、I/O模块、看门狗模块、中断模块、串口模块和内部flash模块。

所述的机体机构包括机身，所述的机身上方设置有顶板，所述的顶板左侧设置有前置避障雷达，所述的顶板上方右侧设置有电源开关，所述的机身右侧设置有天线，所述的机身后面右侧上方设置有显示器，所述的显示器左侧上下两侧分别设置有拾音器和喇叭。

所述的机身内部左侧上下两侧分别设置有视频处理模块和通讯模块，所述的通讯模块右侧设置有主控板，所述的主控板右侧设置有电池，所述的天线上方设置有后置避障雷达，所述的后置避障雷达左右两侧分别设置有后置高清相机和后置补光灯。

所述的携带机构包括提手，所述的提手内部左右两侧分别设置有气体传感器和烟雾传感器。

所述的驱动机构包括后置驱动轮和前置驱动轮，所述的后置驱动轮下方设置有支撑轴，所述的支撑轴上方设置有横杆，所述的横杆右侧设置有套筒，所述的套筒外部设置有行走轮，所述的行走轮内部设置有内嵌式驱动电机。

所述的前置驱动轮与后置驱动轮结构相同，区别在于，所述的前置驱动轮下方的支撑轴上方外部设置有卡盘，所述的卡盘外侧设置有卡钳，所述的卡钳与卡盘接触处设置有弧形结构的卡槽，所述的卡钳下方左右两侧均设置有弹簧，所述的弹簧下方均设置有固定柱。

所述的云台机构包括支架，所述的支架上方设置有水平旋转电机，所述的支架左侧设置有俯仰旋转电机，所述的支架与云台机构活动连接，所述的云台机构前面右侧设置有红外相机，所述的红外相机左侧上下两侧分别设置有前置高清相机和前置补光灯，所述的云台机构下方设置有伸缩电机，所述的伸缩电机左侧设置有伸缩杆，所述的伸缩杆左侧设置有连接板，所述的连接板左侧设置有支杆，所述的支杆左侧设置有局放检测仪。

所述的电缆沟巡检机器人平台采用基于YOLO V3的电缆沟部件检测识别方法，采用具有53层卷积层的Darknet-53作为YOLO V3的主体网络，用于特征提取，其输入图像大小为416×416，通过卷积核增大步长来进行特征图尺寸的变换，共进行了5次降采样，并去除了池化层，以减少池化操作带来的特征信息流失，通过这样结构设计，Darknet-53网络在ImageNet数据集上的分类准确率和ResNet-152一样，但运算速度比ResNet-152快两倍，其中的卷积单元是由卷积层、批归一化层和Leaky Relu激活层组成，Leaky Relu函数的表达式为：

所述的电缆沟巡检机器人平台采用的基于YOLO V3的电缆沟部件检测识别方法由于在数据集的图片相对于主体网络Darknet-53来说其图片数量还不够，而模型里的参数很多，这样训练出来的模型容易产生过拟合的现象，为了有效地解决这个问题，具体为：a)引入DropBlock层：DropBlock层的原理是通过抛弃特征图中相邻区域，使得网络必须寻找其他的特征信息来拟合数据，能学到更多的空间分布，从而提高模型的鲁棒性，DropBlock丢弃相关区域的特征信息，模型为了拟合数据，网络会在其他区域寻找新的特征信息，由此提高模型的泛化性，由于不同通道的特征图表达不同的特征信息，所以对于不同通道的特征图，被丢弃的单元也不同，DropBlock层有两个参数，分别为需要丢弃的Block的大小block_size和需要丢弃的激活单元的数量γ，其中block_size的大小对所有的特征图都是一样，γ的计算公式为：

本发明的有益效果：本发明为配网电缆沟索道式微型巡检机器人，本发明的电缆沟巡检机器人平台主要应用于日常巡检和紧急抢修应用场景，日常巡检：由电缆沟井口进入，在沟内行走，实时开展视觉巡查、温湿度测量、气体检测、红外热成像等巡检工作，所感知的电缆沟内信息将传输至地面控制站用于判断日常运行状态；紧急抢修：在出现意外事故，迫切需要人员下井抢修时，首先利用巡检机器人本体快速了解电缆沟内的温湿度、有害气体浓度、发热点位置等状态信息，以便紧急检修时保障人员安全，提高抢修效率；在使用中，本发明的电缆沟巡检机器人平台主要由巡检机器人本体、巡检机器人控制系统、地面控制站、无线通讯系统和索道系统组成，适用于城市电缆沟移动巡检，能够完全代替人工巡检，实时采集、传输、存储现场的图像、声音、温度、烟雾等数据，通过对数据分析，判断电缆设备隐患、缺陷和故障并确定其位置，实现巡检机器人本体的行驶及定位、视频采集与图像识别、电缆沟环境数据采集与分析、异常情况的报警、密闭环境无线通信，把巡检人员从恶劣的工作环境中解脱出来，降低劳动风险，保障电网安全；本发明具有结构紧凑和轻巧、自动化定期巡检、发现隐患及故障、保障电力系统安全运行的优点。

附图说明

图1为本发明配网电缆沟索道式微型巡检机器人的整体结构示意图图一。

图2为本发明配网电缆沟索道式微型巡检机器人的整体结构示意图图二。

图3为本发明配网电缆沟索道式微型巡检机器人的现场巡检示意图。

图4为本发明配网电缆沟索道式微型巡检机器人的巡检机器人控制系统架构示意图。

图5为本发明配网电缆沟索道式微型巡检机器人的巡检机器人本体立体图。

图6为图5的正视图。

图7为图5的后视图。

图8为图6的左视图。

图9为图5中的机身第一实施例的结构示意图。

图10为图6的部分结构的内部结构示意图。

图11为图7的部分结构示意图。

图12为图6的右视图。

图13为图5中的驱动机构结构示意图。

图14为图13中的后置驱动轮的结构示意图。

图15为图13中的前置驱动轮的结构示意图。

图16为图5中的云台机构第一实施例的结构示意图。

图17为本发明的巡检机器人本体挂载在索道系统的状态示意图。

图18为本发明配网电缆沟索道式微型巡检机器人的索道系统的结构示意图。

图19为本发明的云台机构第二实施例的结构示意图。

图20为本发明的机身第二实施例的结构示意图。

图21为本发明的无线MESH自组网示意图图一。

图22为本发明的无线MESH自组网示意图图二。

图23为本发明的主控板模块组成框图。

图24为本发明的主控板实物图。

图25为本发明的传感器单元组成框图。

图26为本发明的电机驱动器实物图。

图27为本发明的双电机驱动示意图。

图28为本发明的索道跨距13米验证数据示意图。

图29为本发明的索道跨距21米验证数据示意图。

图30为本发明的交互流程图。

图31为本发明的电机控制模块组成单元示意图。

图32为本发明的功能架构示意图。

图33为本发明的云台水平电机控制流程图。

图34为本发明的云台俯仰电机控制流程图。

图35为本发明的存储管理模块组成单元示意图。

图36为本发明的上电参数读取流程图。

图37为本发明的显示模块单元组成框图。

图38为本发明的页面定时切换方式显示示意图图一。

图39为本发明的页面定时切换方式显示示意图图二。

图40为本发明的页面定时切换方式显示示意图图三。

图41为本发明的显示控制流程图。

图42为本发明的自检模块原理图。

图43为本发明的Darknet-53结构图。

图44为本发明的卷积单元的结构图。

图45为本发明的残差单元的结构图。

图46为本发明的多尺度融合预测示意图。

图47为本发明的边界框位置的预测示意图。

图48为本发明的预测框与标注框的交并比示意图。

图49为本发明的交并比均为0的预测结果示意图。

图50为本发明的现场安装规范检测示意图。

图51为本发明的电缆被盗检测示意图。

图52为本发明的电缆破损检测示意图。

图53为本发明的电缆接头破损检测示意图。

图54为本发明的电缆沟内积水检测示意图。

图中：1、电缆沟巡检机器人平台 2、巡检机器人本体 3、巡检机器人控制系统 4、索道系统 5、地面控制站 6、无线通信系统 7、机体机构71、机身 711、视频处理模块 712、通讯模块 713、主控板 714、电池715、后置避障雷达 716、后置高清相机 717、后置补光灯72、顶板 73、前置避障雷达 74、电源开关 75、天线 76、显示器 77、拾音器 78、喇叭8、携带机构 81、提手 82、气体传感器 83、烟雾传感器 9、驱动机构91、后置驱动轮 911、支撑轴912、横杆 913、套筒 914、行走轮 915、内嵌式驱动电机 92、前置驱动轮 921、卡盘 922、卡钳 923、卡槽924、弹簧925、固定柱10、云台机构101、支架102、水平旋转电机103、俯仰旋转电机 104、红外相机 105、前置高清相机 106、前置补光灯107、伸缩电机 108、伸缩杆 109、连接板 110、支杆 111、局放检测仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1-27所示，配网电缆沟索道式微型巡检机器人，它包括电缆沟巡检机器人平台1，所述的电缆沟巡检机器人平台1包括巡检机器人本体2、用于控制巡检机器人本体2的巡检机器人控制系统3、用于巡检机器人本体2行走的索道系统4以及地面控制站5，所述的巡检机器人本体2通过无线通信系统6与地面控制站5建立通讯连接，所述的无线通信系统6采用无线自线网MESH网络通讯；

所述的巡检机器人本体2包括机体机构7，所述的机体机构7上方前面设置有携带机构8，所述的携带机构8左右两侧均设置有驱动机构9，所述的机体机构7左侧下方设置有云台机构10；

在本实施例中，如图21-22所示，无线通信系统采用无线自线网MESH网络通讯，巡检现场随时可组网工作，为适应机器人的多区域机动巡检需求，需要在巡检区域内迅速地建立通信网络，由于应用于狭窄的电缆沟内通信，主要考虑其穿透性和抗干扰性能，采用无线MESH自组网设备快速建立通信网络，无线MESH自组网主要包括基站和机载板卡终端，基站又分手持型、背负型、三角架型等多种安装方式，基站可采用电池供电，可供连续使用5个小时以上；基站与基站之间、基站与板卡之间可以自动组网，机载板卡终端安装在巡检机器人内，可在不同基站间实现无缝漫游，实时传输无线视频信号和控制信号，支持最大带宽为30Mbps。基站还带有WIFI功能，地面服务器、移动终端等设备可通过普通WIFI连接进入网络通信；

如图2和图23-24所示，主控板由电源单元、开关控制单元、超声波检测单元、CAN通信单元、RS485通信单元、存储单元、时钟单元及指示灯控制器单元等组成，增加硬件看门狗(WD)电路，防止程序跑飞，保障MCU运行正常，其中1)电源单元：负责将输入的24VDC电压转化成系统各个单元所适用的电压，保证各个单元的电源供给正常；MCU通过JTAG调试接口进行程序的调试和下载；MCU通过通信接口(CAN、RS485、以太网)与外部设备(电池BMS、传感器模组等)进行数据交互；MCU将整个系统运行的状态结合实时时钟(RTC)信息存储到存储单元作为系统的运行日志管理；2)实时时钟(RTC)：系统实时时钟系统(RTC)采用SD2506ALPI实时时钟模块，主要为主机提供准确的本地时间，并且在主机掉电的状态下依然保持时间的准确性，这样可以方便记录系统的实时运行状态，SD2506ALPI是一个内置晶振、充电电池、I2C(400KHz)通信的实时时钟模块，时钟精度为±5ppm，累计电池电量超过550mAh，使用寿命达5～8年，供电为2.7V～5.5V，平均工作电流2mA，工作温度为-30℃～80℃；3)：存储单元：系统存储芯片采用W25Q625芯片，是一款SPI接口的Flash存储芯片，存储容量为256MB，擦写次数超过10万次，数据保存超过10年，供电为2.7VDC～3.6VDC，平均工作电流25mA，静态电流低至10μA，工作温度：-40℃～85℃；4)：通信单元：主控板通信系统主要包括一路CAN通信、3路RS485(半双工)，以及4路以太网通信，CAN通信方式主要实现前后行驶电机驱动器的控制、云台水平电机的控制，CAN收发器采用TJA1051，其最高速率可达5Mbit/s，供电范围为2.8VDC～5.5VDC，平均工作电流70mA，工作温度：-40℃～150℃；其中RS485通信方式主要用于电池管理模块通讯、传感器组件单元、局部放电检测模块等通信，RS485收发器选用MAX14783EE，它是半双工的RS485/RS422收发器，兼容3.3V和5V电平，速率高达42Mbps，支持节点数多达32个，供电范围3VDC～5.5VDC，平均工作电流4mA，工作温度：-40℃～85℃；以太网通信主要与云台机构所载前置高清相机、红外相机、主控板以及无线自组网模块通信，所有以太网通讯设备在嵌入式交换机模块进行数据交换，最后通过无线自组网模块进入通讯系统，完成与后台数据交互，以太网通信采用迈威通信百兆交换机嵌入式模块，型号为ISM515，5路以太网接口，均支持10Base-T/100Base-TX/100Base-FX标准；

如图25所示：传感器单元主要由电源单元、电压信号(AD)检测单元、通信单元、开关单元、指示灯控制器单元及JTAG调试单元等组成，传感器单元作为巡检机器人本体的传感器检测单元，采用STM32F103为主控MCU，负责整个系统的传感器数据采集，增加硬件看门狗电路，防止程序跑飞，保障MCU运行正常，其硬件系统主要实现以下功能：通信功能：2路RS485接口，主要用于与主控板通讯和油烟检测模块通信；1路TTL串口通讯用于气体传感器模组数据采集；I2C总线通讯用于温湿度传感器通信；一路电压AD信号检测用于烟雾传感器数据采集；其中1)传感器板主要传感器包括四路气体传感器(分别为氧气传感器、硫化氢传感器、一氧化碳传感器和甲烷传感器)、烟雾传感器、温度传感器、湿度传感器和油烟传感器；2)通信单元主要包括2路RS485(半双工)和1路TTL串口通信，RS485通信方式一路主要与主控板通信完成传感器数据上报，另外一路连接到油烟检测模块，采集油烟数据，TTL串口通信主要与气体传感器通信，上述四种气体传感器模组都并接TTL串口总线上，气体模组内部采用站号识别控制，当请求站号地址与本身不符时，将总线置于高阻态，与本身地址相符时，才按通讯格式在TX总线输出采集数据，输出完成后将本身TX总线重新置于高阻态，从而不会影响其它模块通信；传感器单元RS485收发器也选用MAX14783EE，它是半双工的RS485/RS422收发器，兼容3.3V和5V电平，速率高达42Mbps，支持节点数多达32个，供电范围3VDC～5.5VDC，平均工作电流4mA，工作温度：-40℃～85℃；3)电压信号(AD)检测：烟雾传感器输入为0-5V的电压信号，电压检测采用电阻分压式设计，电流检测采用单片机内部模数转换器，采用高精度采样电阻，结合运算放大器电压跟随，提高输入阻抗。

所述的巡检机器人控制系统3分为三层设计，包括设备驱动层，操作系统层，应用层，其中应用层主要包括网络通讯模块、电机控制模块、云台控制模块、存储管理模块、显示模块和自检模块；设备驱动层包括定时器模块、ADC模块、CAN模块、SPI模块、I2C模块、I/O模块、看门狗模块、中断模块、串口模块和内部flash模块。

所述的机体机构7包括机身71，所述的机身71上方设置有顶板72，所述的顶板72左侧设置有前置避障雷达73，所述的顶板72上方右侧设置有电源开关74，所述的机身71右侧设置有天线75，所述的机身71后面右侧上方设置有显示器76，所述的显示器76左侧上下两侧分别设置有拾音器77和喇叭78；

在本实施例中，如图5-12所示，根据需求，一：机体机构设计尺寸为长228mm*宽200mm*高123mm；且机体机构前后均设置有前置避障雷达和后置避障雷达，进行探测前后障碍物，且避障雷达放置于正中间位置，保证其超声波避障雷达能涵盖前方一定范围；二：机体机构前后均设置有前置补光灯和后置补光灯，前置补光灯和后置补光灯均采用LED照明灯，前置补光灯布置于云台机构上，用于给前置高清相机补光；前置补光灯安装于后置高清相机侧边，用于给后置高清相机补光；三：机体机构右侧边安放显示器，方便操作人员读取信息参数，旁边设有拾音器与喇叭，便于采集声音与播放声音；四：机体机构左侧板为可拆卸式板，可作为调试检修口，用于调试与检修，机体机构内部的视频处理模块、通讯模块、主制板、电池均为可拆卸式设计，可直接通过调试检修口进行拆装；五：尾部为两根独立天线，可根据不同电缆沟场景进行位置调整。

所述的机身71内部左侧上下两侧分别设置有视频处理模块711和通讯模块712，所述的通讯模块712右侧设置有主控板713，所述的主控板713右侧设置有电池714，所述的天线75上方设置有后置避障雷达715，所述的后置避障雷达715左右两侧分别设置有后置高清相机716和后置补光灯717；

在本实施例中，所述的主控板713采用STM32F429IGT6为核心主控MCU，完成各组件控制与协调；所述的主控板713通过无线通信系统6与地面控制站5通讯，接收控制指令、巡检任务等；所述的主控板713通过RS485与包含温湿度传感器、气体传感器、烟雾传感器、油烟传感器的传感器组件之间通信，采集传感器数据；所述的主控板713通过CAN总线控制内嵌式驱动电机915运动，实现巡检机器人本体2行走功能；所述的主控板713通过CAN总线控制云台机构10的水平旋转电机102及俯仰旋转电机103实现云台机构10的定位。

所述的携带机构8包括提手81，所述的提手81内部左右两侧分别设置有气体传感器82和烟雾传感器83；

在本实施例中，如图9-10所示，气体传感器置于携带机构内部，此位置既节省了巡检机器人本体的空间，也方便于其独立拆装，携带机构的提手两侧边均留有透气孔，巡检机器人本体进行前后行走时会产生气流，便于将沟内的空气通过气流带入到气体传感器中进行检测，气体传感器对H2S、CO、O2、CH4气体进行数据采集与处理，相关技术指标如表1所示：

表1主要技术指标

所述的驱动机构9包括后置驱动轮91和前置驱动轮92，所述的后置驱动轮91下方设置有支撑轴911，所述的支撑轴911上方设置有横杆912，所述的横杆912右侧设置有套筒913，所述的套筒913外部设置有行走轮914，所述的行走轮914内部设置有内嵌式驱动电机915。

所述的前置驱动轮92与后置驱动轮91结构相同，区别在于，所述的前置驱动轮92下方的支撑轴911上方外部设置有卡盘921，所述的卡盘921外侧设置有卡钳922，所述的卡钳922与卡盘921接触处设置有弧形结构的卡槽923，所述的卡钳922下方左右两侧均设置有弹簧924，所述的弹簧924下方均设置有固定柱925。

在本实施例中，如图13-15所示，根据电缆沟智能巡检机器人巡检的基本功能需求并结合现场使用场景，巡检机器人本体设计为便携式，1-2人便可进行巡检操作，巡检机器人本体可采用分段式巡检，以200米左右的沟巡检为一段，巡检一段沟一般为5-6分钟，配网电缆沟智能巡检机器人整体性能要求如表2所示：

根据要求此机器人采用两轮并列驱动方式，根据质量、行驶速度、爬坡角度进行选型计算，具体为：重量：5-8KG；动摩擦系数：0.1；滚轮直径：0.04m；最大坡度：20°；计算结果如表3所示：

根据计算结果可知：所需总扭矩：1.22N·m；所需功率：30.61W；根据计算结果参数，选用maxon电机作为驱动电机，其型号及参数如下：电机：“EC-max2225W”；减速机：GP22HP 29:1；编码器：MR 512；具体参数如下：单个电机额定力矩：22.4mNm；单个电机额定转速：10400rpm；单个电机输出额定转矩：22.4×29＝0.65Nm；单个电机输出额定转速10400/29＝358rpm；整机输出额定转矩：0.649*2＝1.3Nm；单个电机+减速机总长度：90.6mm；单个电机+减速机总重量：190g左右；

根据小型化，轻量化，经济化的总体设计要求，索道驱动方式与电机布置方式如图13、图14所示：采用内嵌式驱动电机，即将驱动电机嵌入到驱动轮内，结合城市电缆沟的现场铺设实际情况，电缆沟通常为直线段铺设，但也存在有一定弯度和角度的沟，所以巡检机器人本体需有适应一定角度的过弯能力，在巡检机器人本体的驱动轮设计中，采用柔性设计的前置驱动轮，如图15所示，通过前置驱动轮下方的支撑轴外部设置的卡盘、卡钳、卡槽、弹簧及固定柱实现一定范围水平方向转向，使得巡检机器人本体能通过带有一定角度的弯道。

所述的云台机构10包括支架101，所述的支架101上方设置有水平旋转电机102，所述的支架101左侧设置有俯仰旋转电机103，所述的支架101与云台机构10活动连接，所述的云台机构10前面右侧设置有红外相机104，所述的红外相机104左侧上下两侧分别设置有前置高清相机105和前置补光灯106，所述的云台机构10下方设置有伸缩电机107，所述的伸缩电机107左侧设置有伸缩杆108，所述的伸缩杆108左侧设置有连接板109，所述的连接板109左侧设置有支杆110，所述的支杆110左侧设置有局放检测仪111。

在本实施例中，如图16所示，云台机构采用水平旋转电机和俯仰旋转电机实现水平、俯仰旋转控制，实现搭载的红外相机、高清相机可在沟内进行水平±90°，俯仰±60°自由转向检测，其搭载的局放检测仪也可进行相应的转向活动，使其具有较为灵活的放电探测检测能力；根据现场使用需求，云台机构采用置于巡检机器人本体前方的紧凑布局方式，且云台机构尾部采用斜边倒角的轻量化设计，进行减重并优化了空间，局放检测仪搭载伸缩电机，通过伸缩杆实现自动伸缩控制使其能进行前后伸缩检测，实现搭载的局放检测仪进行接触式/非接触式两种的局部放电检测；

所述的云台机构10所载前置高清相机105采集实时视频，实时视频流通过无线通信系统6上传地面控制站5；所述的云台机构10所载红外相机104采集实时温度，实时温度流通过无线通信系统6上传地面控制站5。

在本实施例中，如图17-18所示，本发明的索道系统的结构设计采用直径为12mm的电缆作为索道，巡检机器人本体挂载到索道上进行巡检，索道采用钢制固定件固定在支架上，其固定件前后均含有倒角，通过螺丝固定于支架钢板上，便于机器人驱动轮通过；

索道挂在验证：1)索道跨距13米验证数据：通过已搭设的实验平台对索道进行跨距与沉降关系的验证，获取的验证数据如图28：12索道跨距13米测量数据：索道自然下垂22mm；索道挂载5kg巡检机器人本体下垂115mm；115-22＝93mm，即负载后下垂93mm；

2)索道跨距21米验证数据如图29：12索道跨距21米测量数据：索道自然下垂70mm；索道挂载5kg巡检机器人本体下垂230mm；230-70＝160mm，即负载后下垂160mm。

本发明的有益效果：本发明为配网电缆沟索道式微型巡检机器人，本发明的电缆沟巡检机器人平台1主要应用于日常巡检和紧急抢修应用场景，日常巡检：由电缆沟井口进入，在沟内行走，实时开展视觉巡查、温湿度测量、气体检测、红外热成像等巡检工作，所感知的电缆沟内信息将传输至地面控制站5用于判断日常运行状态；紧急抢修：在出现意外事故，迫切需要人员下井抢修时，首先利用巡检机器人本体2快速了解电缆沟内的温湿度、有害气体浓度、发热点位置等状态信息，以便紧急检修时保障人员安全，提高抢修效率；在使用中，本发明的电缆沟巡检机器人平台1主要由巡检机器人本体2、巡检机器人控制系统3、地面控制站5、无线通讯系统6和索道系统4组成，适用于城市电缆沟移动巡检，能够完全代替人工巡检，实时采集、传输、存储现场的图像、声音、温度、烟雾等数据，通过对数据分析，判断电缆设备隐患、缺陷和故障并确定其位置，实现巡检机器人本体2的行驶及定位、视频采集与图像识别、电缆沟环境数据采集与分析、异常情况的报警、密闭环境无线通信，把巡检人员从恶劣的工作环境中解脱出来，降低劳动风险，保障电网安全；本发明具有结构紧凑和轻巧、自动化定期巡检、发现隐患及故障、保障电力系统安全运行的优点。

实施例2

如图27-54所示，配网电缆沟索道式微型巡检机器人，它包括电缆沟巡检机器人平台1，所述的电缆沟巡检机器人平台1包括巡检机器人本体2、用于控制巡检机器人本体2的巡检机器人控制系统3、用于巡检机器人本体2行走的索道系统4以及地面控制站5，所述的巡检机器人本体2通过无线通信系统6与地面控制站5建立通讯连接，所述的无线通信系统6采用无线自线网MESH网络通讯；

所述的巡检机器人本体2包括机体机构7，所述的机体机构7上方前面设置有携带机构8，所述的携带机构8左右两侧均设置有驱动机构9，所述的机体机构7左侧下方设置有云台机构10。

所述的巡检机器人控制系统3分为三层设计，包括设备驱动层，操作系统层，应用层，其中应用层主要包括网络通讯模块、电机控制模块、云台控制模块、存储管理模块、显示模块和自检模块；设备驱动层包括定时器模块、ADC模块、CAN模块、SPI模块、I2C模块、I/O模块、看门狗模块、中断模块、串口模块和内部flash模块；

在本实施例中，如图4所示，巡检机器人控制系统通过分层设计，达到“高内聚，低耦合”的效果，其中网络通讯模块主要完成与后台服务器通讯协议解析，接收后台控制命令和巡检任务，并上传巡检数据等功能；1)单元组成：网络通讯模块主要LWIP协议栈组成，LWIP的含义是Light Weight(轻型)IP协议，LWIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十KB的RAM和40KB左右的ROM就可以运行，这使LWIP协议栈适合在小型嵌入式系统中使用；LWIP的主要特性如下：支持多网络接口下的IP转发；支持ICMP协议；包括实验性扩展的的UDP(用户数据报协议)；包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP；提供专门的内部回调接口(Raw API)用于提高应用程序性能；支持DHCP协议,动态分配IP地址；2)功能需求：主要实现巡检机器人的行驶控制命令、云台控制命令、巡检任务解析、参数配置响应等功能；3)功能实现：主控板通过TCP/IP协议建立TCP Server服务，后台服务器通过TCP Client连接到主控板，建立通信连接，交互流程图30所示：监控后台为Client，巡检机器人为Server端，Client向Server发起TCP连接，连接成功后，Client向Server发送注册请求消息，注册消息中含有ID信息，Server较验ID，向客户端回应注册响应消息，消息中包含请求是否成功的状态值，如果校验失败，Server关闭该TCP连接，Client每60秒向Server发送心跳请求消息，Server收到该消息后向Client发送心跳响应消息，如果发送3次心跳请求消息没有收到响应，且在此期间也没有收到其他消息，Client认为连接断开，需要重新发起连接并发送注册请求消息，如果Server在3分钟内没有收到已注册的Client发送的心跳请求消息，则关闭该TCP连接；

电机控制模块通过CANOPEN协议控制驱动器实现行驶电机控制，完成巡检机器人运动控制功能；1)单元组成：电机控制模块由主控板通过CANOPEN协议实现对ELMO驱动器的控制，其中CANOPEN协议采用开源CanFestival协议栈，该协议栈完整的实现了CANOPEN协议中的SDO、PDO、NMT等功能，电机控制模块组成单元如图31所示；

3)功能需求：电机控制模块功能需求主要包括CAN驱动、CANOPEN协议实现、电机应用模块，电机应用模块实现电机的控制模式设置(主要应用速度模式)、电机速度调整、电机启停控制、电机位置信息等读取功能；3)功能实现：电机控制模块功能CAN驱动由ST官方HAL库提供，实现了CAN报文收发，CANOPEN协议实现采用开源CanFestival协议栈，它提供对象字典GUI图形化编辑器、代码生成，以及脚本等配套工具，库源代码是ANSI标准C，支持多平台编译和开发，CANopen标准支持DS-301、302、305等标准的CANOpen协议，其功能架构如图32所示：电机应用模块实现电机的控制模式设置(主要应用速度模式)、电机速度调整、电机启停控制、电机位置信息等读取功能通过Canfestival协议的SDO接口读写驱动器相应字典实现电机的控制；

云台控制模块控制云台水平和俯仰角度，辅助实现高清摄像、红外成像仪的定点视频采集功能；云台控制模块包括水平角度控制和俯仰角度控制，水平角度通过CAN总线(CANOPEN协议)实现对水平电机角度控制；俯仰角度通过PWM对舵机角度进行控制，实现垂直方向俯仰角度控制，具体软件控制流程如图33-34；

存储管理模块主要实现对系统参数(IP地址等)、配置信息等保存的功能；1)单元组成：存储管理模块其底层实现基于开源LFS文件系统，通过SPI硬件接口将数据存储于W25Q625芯片中。存储管理模块组成单元如图35所示；2)功能需求：存储管理模块主要实现对系统参数(IP地址等)、配置信息等保存的功能，具体需要保存参数信息如下：通讯参数：主控板IP地址、IP子网掩码、默认网关和MAC地址；驱动器参数：电机额定电流、默认速度、默认加速度和减速度；系统参数：电池电量报警值、系统通讯延时时间、索道长度等；系统日志：系统运行产生的日志信息，便于调试时问题分析定位；4)功能实现：存储管理模块采用开源LFS文件系统，实现标准的文件系统操作API接口，如fopen、fread、fwrite、fclose等，上电参数读取流程如图36所示；

显示模块驱动液晶屏实现巡检机器人电池电压、电量、气体传感器实时数据、温湿度传感器数据等信息显示功能；1)单元组成：显示单元由TFT lcd串口显示屏、MCU、uartttl电平接口、DC12V电源组成，单元组成框图如图37所示；2)功能需求：采用页面定时切换方式显示，分别显示监控数据、机器人状态、网络参数等页面，具体为：2.1)实现机器人实时监控数据显示：显示温度、湿度、烟雾浓度、油烟浓度、氧气(O2)浓度、甲烷(CH4)浓度、硫化氢(H2S)浓度、一氧化碳(CO)浓度等信息，内容如图38所示；2.2)实现机器人运行状态显示：显示当前位置、机内温度、电池电压、电池电流、电池电量、运动速度、云台水平位置、云台垂直位置等信息，内容如图39所示；2.3)实现机器人网络参数显示：显示机器人IP地址、子网掩码、网关地址、MAC地址信息，内容如图40所示；3)功能实现：显示采用uart通信方式，创建独立控制线程，定时切换显示页面，通过任务间通信实现实时更新显示内容，具体过程如下：创建显示控制线程；初始化uart接口及数据结构；显示开机页面；起动定时器，每10秒切换一次显示页面，循环切换开机界面、监控数据、机器人状态、网络参数页面；等待接收控制命令队列；解析命令，更新显示内容；显示控制流程如图41所示；

自检模块完成系统设备自检，确保各部件处于正常的工作状态；1)单元组成：系统自检模块由各部件故障检测单元和自检管理模块组成；2)功能需求：系统自检模块主要完成系统主要部件的自动检测，以判断设备是否处于正常工作状态，这些设备包括电机驱动器、云台、气体传感器、温湿度传感器、油烟传感器、烟雾传感器等；3)功能实现：系统自检模块由各部件故障检测单元和自检管理模块组成，系统初始化时，各部件检测单元向自检管理模块注册自检接口函数，自检成功返回true，自检失败则返回false；其原理如图42所示；

所述的机体机构7包括机身71，所述的机身71上方设置有顶板72，所述的顶板72左侧设置有前置避障雷达73，所述的顶板72上方右侧设置有电源开关74，所述的机身71右侧设置有天线75，所述的机身71后面右侧上方设置有显示器76，所述的显示器76左侧上下两侧分别设置有拾音器77和喇叭78。

所述的机身71内部左侧上下两侧分别设置有视频处理模块711和通讯模块712，所述的通讯模块712右侧设置有主控板713，所述的主控板713右侧设置有电池714，所述的天线75上方设置有后置避障雷达715，所述的后置避障雷达715左右两侧分别设置有后置高清相机716和后置补光灯717；

在本实施例中，如图20所示，对机体机构进行小型化设计改进，机体机构的机身小型化主要包含三个步骤：第一步：功能整合：将机器人内部的功能模块进行集成、整合，具体为：1)重新选型新的行走电机，使用更为简单的电机驱动方式，将电机驱动器集成到电控板中；2)新选型的高清相机取消了高清相机主机，采用独立主板对相机进行图像处理并增加了机器人分析计算能力；3)取消了后置高清相机，机身上收，避让云台视野，前后均由云台相机进行巡检；第二步：重新选型器件：将电池、电机、避障雷达等重新选型，使机体小型化，轻量化；第三步：重新结构布局：将气体传感器下置，放入机身内部；电控板平置贴于底板；缩短机身高度与宽度；优化了驱动轮部件，并重新配重。

所述的携带机构8包括提手81，所述的提手81内部左右两侧分别设置有气体传感器82和烟雾传感器83。

所述的驱动机构9包括后置驱动轮91和前置驱动轮92，所述的后置驱动轮91下方设置有支撑轴911，所述的支撑轴911上方设置有横杆912，所述的横杆912右侧设置有套筒913，所述的套筒913外部设置有行走轮914，所述的行走轮914内部设置有内嵌式驱动电机915。

所述的前置驱动轮92与后置驱动轮91结构相同，区别在于，所述的前置驱动轮92下方的支撑轴911上方外部设置有卡盘921，所述的卡盘921外侧设置有卡钳922，所述的卡钳922与卡盘921接触处设置有弧形结构的卡槽923，所述的卡钳922下方左右两侧均设置有弹簧924，所述的弹簧924下方均设置有固定柱925；

在本实施例中，如图26-27所示，对驱动部分进行小型化设计改进，动力系统采用前后双电机驱动，电机驱动器的伺服驱动器，具有高功率密度、体积小、重量轻、可靠性高等特点，通过优化，减轻了巡检机器人本体的云台机构和机身的重量，同时对巡检机器人本体的驱动轮和索道也进行了小型化设计，驱动轮由直径70mm减小到50mm，其索道也进行了相关的小型化设计，其索道直径12mm减小到6mm；经过小型化设计之后，在保持巡检机器人本体的基本功能不变的基础上，其体积由长385MM*宽200MM*高240MM减小到长354MM*宽124mm*高140MM(不含云台40MM)，质量由5.5KG减轻到2.8KG，其小型化版本巡检机器人本体增加了其在狭窄空间的通过性，减轻了其在索道上的下垂，减小了索道架设的难度，并提高了其机器人便携性，减轻了使用者的负担，达到了预期效果。

所述的云台机构10包括支架101，所述的支架101上方设置有水平旋转电机102，所述的支架101左侧设置有俯仰旋转电机103，所述的支架101与云台机构10活动连接，所述的云台机构10前面右侧设置有红外相机104，所述的红外相机104左侧上下两侧分别设置有前置高清相机105和前置补光灯106，所述的云台机构10下方设置有伸缩电机107，所述的伸缩电机107左侧设置有伸缩杆108，所述的伸缩杆108左侧设置有连接板109，所述的连接板109左侧设置有支杆110，所述的支杆110左侧设置有局放检测仪111；

在本实施例中，如图19所示，对云台机构进行小型化设计改进，巡检机器人本体的云台机构采用常用的高清相机与红外相机通过关节电机与舵机进行水平与俯仰驱动，其体积较大，质量偏重，通过优化信号、集成集中处理等技术手段，为此，重新选型体积更小更轻的微型红外相机、高清相机，减轻负载，并选用更小型的步进电机，从而将整个云台进行大幅度小型化、轻量化；

云台机构包括水平旋转控制和俯仰旋转控制，水平与俯仰控制均采用定制的微型步进电机，水平控制选用直线减速步进电机08BY-0520-50，俯仰控制选用直角减速步进电机08BY-0520-236，其相关参数如表5-6所示：

表5水平电机驱动器规格参数表

表6俯仰电机驱动器规格参数

所述的电缆沟巡检机器人平台1采用基于YOLO V3的电缆沟部件检测识别方法，采用具有53层卷积层的Darknet-53作为YOLO V3的主体网络，用于特征提取，其输入图像大小为416×416，通过卷积核增大步长来进行特征图尺寸的变换，共进行了5次降采样，并去除了池化层，以减少池化操作带来的特征信息流失，通过这样结构设计，Darknet-53网络在ImageNet数据集上的分类准确率和ResNet-152一样，但运算速度比ResNet-152快两倍，其中的卷积单元是由卷积层、批归一化层和Leaky Relu激活层组成，Leaky Relu函数的表达式为：

在本实施例中：1)Darknet-53结构图如图43所示；卷积单元的结构如图44所示；残差单元的结构如图45所示；2)多尺度融合预测：如图46所示：在电缆沟数据集中，电缆沟状态常出现在同一张图像中，例如外皮破损的尺寸也会因破损程度而不定，积水面积随积水程度而不同，电缆接头、电缆等部件在监控摄像头上所拍摄的图片也由于距离的原因，导致同类目标的尺寸相差较大，在进行目标检测时，小目标(外皮破损)分辨率低，图像模糊，携带的图像特征信息少，所以小目标相对于大目标更难检测出来，而在卷积神经网络里，低层特征图的深度浅、语义信息弱，很难用于检测分类，但是由于它的分辨率高，携带的位置信息更加准确，这对小目标的检测十分有用；为了达到更好的小目标检测效果，此方法引入了特征图金字塔(Feature Pyramid Networks，FPN)算法的思想，通过将高层特征图与低层特征图融合的方式来充分利用低层特征图的位置信息，以提高对小目标的检测效果；高层特征图(13×13)经过卷积层集合后，一条支路经过两个卷积单元进行预测，另外一条支路先通过1×1的卷积单元调整其通道数，起到了跨通道信息整合的作用，再经过2倍上采样(采样的方式为简单的复制)，使特征图分辨率扩大一倍，因而与低层特征图(26×26)的分辨率一致，然后与低层特征图(26×26)进行通道合并，因而增加了低层特征图的通道数，使其拥有更强的语义信息，而合并后的特征图需要经过3×3的卷积单元，以减少上采样过程中的混叠效应，最后再进行预测，对于低层特征图(52×52)同样如此，最终分别在三种不同尺度下的特征图上做预测，正是由于YOLO V3算法结构里的多尺度融合预测，使得YOLO V3算法在小目标上也具有较好的检测效果；3)边界框位置的预测：直接预测边界框相对于对应网络单元格左上角的相对偏移值，如图47所示,网络为每个预测框预测出五个值t

所述的电缆沟巡检机器人平台1采用的基于YOLO V3的电缆沟部件检测识别方法由于在数据集的图片相对于主体网络Darknet-53来说其图片数量还不够，而模型里的参数很多，这样训练出来的模型容易产生过拟合的现象，为了有效地解决这个问题，具体为：a)引入DropBlock层：DropBlock层的原理是通过抛弃特征图中相邻区域，使得网络必须寻找其他的特征信息来拟合数据，能学到更多的空间分布，从而提高模型的鲁棒性，DropBlock丢弃相关区域的特征信息，模型为了拟合数据，网络会在其他区域寻找新的特征信息，由此提高模型的泛化性，由于不同通道的特征图表达不同的特征信息，所以对于不同通道的特征图，被丢弃的单元也不同，DropBlock层有两个参数，分别为需要丢弃的Block的大小block_size和需要丢弃的激活单元的数量γ，其中block_size的大小对所有的特征图都是一样，γ的计算公式为：

在本实施例中，预测框与标注框的交并比示意图如图48所示；交并比均为0的预测结果示意图如图49所示；

实例分析：1、定点电缆数量监护；1.1)电缆安装规范检测：电缆沟里的电缆应该是有序的，电缆整齐才不会在发生故障的时候造成查找、定位困难，通过定点的视频监控可以随时了解新安装的电缆是不是整齐、合规的；在施工过程中是否挪动和影响原有电缆等，如图50现场安装规范检测示意图所示；1.2)电缆盗接检测：对定点的位置进行视频监护，可逐一检测电缆数量，及时发现电缆是否被盗，同时发现电路是否被盗接；如图51电缆被盗检测示意图所示；2、电缆外皮破损检测：检测电缆外皮破损，及时发现隐患缺陷，避免重大事故发生；如图52电缆破损检测示意图所示；3、电缆接头损坏检测：检测接头是否被烧坏，及时发现隐患缺陷，排除事故，如图53电缆接头破损检测示意图所示；4、电缆沟内积水检测：对电缆沟积水做预警，避免因电缆沟进水产生潮气破坏电缆，锈蚀电器设备，如图54电缆沟内积水检测示意图所示；

配网沟环境恶劣(密封，空气不畅，温度高，潮湿，有沼气)，且容易遭受各种损坏，如施工破坏，污水污泥倒灌等等，这不仅对配网线路造成极大的危害，而且还给电网运维人员检修维护造成巨大困难，本发明的电缆沟巡检机器人平台，通过在配网管道上铺设简易、轻便索道系统，可使巡检机器人本体实现快速高效、巡检，项目研究成果已在实际配网电缆沟中进行了应用验证，达到了预期要求。

本发明的有益效果：本发明为配网电缆沟索道式微型巡检机器人，本发明的电缆沟巡检机器人平台1主要应用于日常巡检和紧急抢修应用场景，日常巡检：由电缆沟井口进入，在沟内行走，实时开展视觉巡查、温湿度测量、气体检测、红外热成像等巡检工作，所感知的电缆沟内信息将传输至地面控制站5用于判断日常运行状态；紧急抢修：在出现意外事故，迫切需要人员下井抢修时，首先利用巡检机器人本体2快速了解电缆沟内的温湿度、有害气体浓度、发热点位置等状态信息，以便紧急检修时保障人员安全，提高抢修效率；在使用中，本发明的电缆沟巡检机器人平台1主要由巡检机器人本体2、巡检机器人控制系统3、地面控制站5、无线通讯系统6和索道系统4组成，适用于城市电缆沟移动巡检，能够完全代替人工巡检，实时采集、传输、存储现场的图像、声音、温度、烟雾等数据，通过对数据分析，判断电缆设备隐患、缺陷和故障并确定其位置，实现巡检机器人本体2的行驶及定位、视频采集与图像识别、电缆沟环境数据采集与分析、异常情况的报警、密闭环境无线通信，把巡检人员从恶劣的工作环境中解脱出来，降低劳动风险，保障电网安全；本发明具有结构紧凑和轻巧、自动化定期巡检、发现隐患及故障、保障电力系统安全运行的优点。