詹威鵬 代毅 羅智奕 吳彥志 陳騰彪 胡力廣 陳顯 成健

（1深圳供電局有限公司，深圳，518010；2深圳市博銘維智能科技有限公司，深圳，518010）

0 引言

隨著我國地下管網(wǎng)系統(tǒng)向城市各個(gè)區(qū)域延伸，地下管網(wǎng)分布越來越復(fù)雜，地下管道的走向信息，特別是電力頂管的三維走向信息一直處于空白狀態(tài)，相關(guān)信息的缺失，導(dǎo)致在進(jìn)行地鐵施工、建筑施工、道路施工時(shí)，很容易造成管道開挖受損，不但影響城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還可能造成人員傷亡，帶來難以估量的損失。

電力管網(wǎng)是城市的生命線，保證地下電力管網(wǎng)的安全運(yùn)營是保障城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重中之重。為了獲取地下電力管網(wǎng)的三維走向信息，傳統(tǒng)上使用基于物探技術(shù)的測(cè)繪設(shè)備，但是這些設(shè)備無法提供精確的地下電力管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)，容易造成定位誤差，給新的施工帶來隱患。為了解決這一問題，慣性導(dǎo)航技術(shù)的測(cè)繪應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度、數(shù)字化的導(dǎo)航定位，能有效減少測(cè)繪誤差。[1-2]

基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人的研究，實(shí)現(xiàn)了電力管網(wǎng)高精度檢測(cè)和測(cè)繪，提高測(cè)繪效率，有利于實(shí)現(xiàn)城市電力管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化、信息化管理。本文將慣性導(dǎo)航技術(shù)與管網(wǎng)檢測(cè)機(jī)器人相結(jié)合，使機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)檢測(cè)的同時(shí)，能夠準(zhǔn)確獲取電力管網(wǎng)的三維走向信息，提高管網(wǎng)信息的完整性，保證電力管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)研究

傳統(tǒng)的電力管道探測(cè)和測(cè)繪一般采用基于物探技術(shù)的測(cè)繪設(shè)備，主要利用物探儀器對(duì)埋設(shè)于地下的管線進(jìn)行搜索、追蹤、定位和定深，再將地下管線中心位置投影至地面，并設(shè)置管網(wǎng)點(diǎn)標(biāo)志，便于測(cè)量其平面位置。目前，基于物探技術(shù)的測(cè)繪設(shè)備主要有：英國Radio Detection公司的RD系列產(chǎn)品、美國Metrotech公司的810/ 850地下管線探測(cè)儀、美國Charles Machine公司的Subsite 70/65系列產(chǎn)品等。然而，這些相關(guān)設(shè)備的測(cè)量精度不夠，無法滿足國內(nèi)復(fù)雜地下管網(wǎng)的測(cè)繪要求，而且一旦出現(xiàn)故障即需將設(shè)備送至原廠維修，這樣存在涉密地理信息和管網(wǎng)信息泄露的隱患，加之該類設(shè)備價(jià)格高、人工成本高，所以不適合我國地下管網(wǎng)測(cè)繪的實(shí)際作業(yè)需求。

慣性導(dǎo)航是一門涉及精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子、光學(xué)、自動(dòng)控制、材料等多種學(xué)科和領(lǐng)域的綜合技術(shù)，陀螺儀作為慣性導(dǎo)航的核心部件，可實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化以及應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的測(cè)量，且隨著微機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，采用微機(jī)械陀螺制造的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正成為慣性導(dǎo)航的主流趨勢(shì)。慣性導(dǎo)航通常采用軌跡測(cè)量算法，不依靠外部信息，自主式導(dǎo)航系統(tǒng)便可獲取完整的位置信息，保證測(cè)量精度，并可以在信號(hào)屏蔽的地下測(cè)繪場(chǎng)合發(fā)揮重要作用。[3]

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)、里程計(jì)、電源管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)同步采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信子系統(tǒng)組成，相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系如圖1所示。

圖1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行的具體過程是：首先，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用三軸MEMS加速度計(jì)和三軸MEMS陀螺儀完成姿態(tài)和位置的解算；然后數(shù)據(jù)同步采集子系統(tǒng)在同步時(shí)鐘的控制下，采集三軸MEMS加速度計(jì)、三軸MEMS陀螺儀、三軸磁強(qiáng)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行低通濾波和抗干擾濾波，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信子系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)；測(cè)繪完畢后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過通信子系統(tǒng)發(fā)送到終端；最后由終端通過四元數(shù)法和擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)將管網(wǎng)的位置信息計(jì)算出來，顯示并存檔。在圖1中，電源管理子系統(tǒng)用于電源充電及電量測(cè)量。[3-4]

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)一體化研究

由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)本身不具備自主行進(jìn)的能力，一般需要在管道中預(yù)留繩索，由人工將其拖拽至管道進(jìn)行測(cè)繪，該操作復(fù)雜而且效率低。而電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人雖然能自主進(jìn)入管道實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)測(cè)繪，但是其尺寸通常比較大，無法適應(yīng)地下電力管網(wǎng)的具體環(huán)境。本文研制的適用于電力管網(wǎng)的測(cè)繪機(jī)器人，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)器人集成，使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得自主行進(jìn)能力，[5]高效完成地下電力管網(wǎng)的測(cè)繪任務(wù)。

電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人由機(jī)器人車體、云臺(tái)、線纜車、控制終端組成，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人系統(tǒng)框架

2.1 機(jī)器人主體設(shè)計(jì)

電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人配備不同尺寸輪子，設(shè)置快拆功能，以適應(yīng)不同尺寸的管徑，主體采用直流空心杯有刷電機(jī)，雙電機(jī)六輪驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退和原地轉(zhuǎn)向；采用小型化設(shè)計(jì)，可在直徑200-600mm管徑內(nèi)通行；機(jī)器人機(jī)身密封設(shè)計(jì)，全機(jī)身連接部位采用高質(zhì)量密封圈連接，達(dá)到IP68防護(hù)等級(jí)，可在10m深的水下正常工作；內(nèi)置氣壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)身氣密性，保證密封的可靠性。

圖3 電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 機(jī)器人云臺(tái)設(shè)計(jì)

機(jī)器人通過云臺(tái)采集視頻信息，云臺(tái)采用微型彩色相機(jī)，利用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)270°和360°的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)；線密封技術(shù)保證IP68防護(hù)等級(jí)；內(nèi)部控制電路板采用姿態(tài)傳感器，可實(shí)現(xiàn)一鍵復(fù)位和水平自動(dòng)保持功能。

圖4 云臺(tái)相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖

2.3 機(jī)器人線纜車設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用一體化專用線纜車，線纜的外皮采用特氟龍防刮材料、高強(qiáng)度抗拉設(shè)計(jì)，用戶可根據(jù)實(shí)際工況訂制適用長度，最長可達(dá)400m。線纜車的車體使用航空鋁材，具有堅(jiān)固耐用、收線整齊、高效便捷等優(yōu)點(diǎn)，可在惡劣天氣狀況下使用。

圖5 線纜車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖

2.4 機(jī)器人終端設(shè)計(jì)

機(jī)器人工作環(huán)境多在室外，因天氣情況較復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)控制終端時(shí)，要保證終端適應(yīng)性良好。機(jī)器人控制終端采用鋁合金外殼，既增加強(qiáng)度和耐摔性，也可屏蔽外部信號(hào)的干擾；外部按鍵采用薄膜按鍵的形式，能起到防水作用；薄膜按鍵上設(shè)有LED指示燈，方便終端實(shí)時(shí)操控。

圖6 控制終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖

3 基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的測(cè)繪機(jī)器人研究

針對(duì)地下電力管網(wǎng)的特殊環(huán)境，將適用于地下電力管網(wǎng)系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航模塊，搭載在電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人身上，實(shí)現(xiàn)了電力管網(wǎng)的精準(zhǔn)地下三維信息數(shù)據(jù)測(cè)繪及同步視頻檢測(cè)，解決了管網(wǎng)信息不完善導(dǎo)致的施工開挖安全系數(shù)低的問題。

基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的測(cè)繪機(jī)器人設(shè)計(jì)如圖7所示。慣性測(cè)量單元（IMU）安裝在機(jī)身內(nèi)部，通過傳感器檢測(cè)機(jī)身的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括水平航向、俯仰、橫滾等，可以實(shí)現(xiàn)管道測(cè)繪機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)地面傾角和測(cè)量管網(wǎng)傾角等功能；里程計(jì)感應(yīng)模塊安裝在測(cè)繪機(jī)器人的輪子上，用來測(cè)繪機(jī)器人的行走里程。里程計(jì)記錄下來的數(shù)據(jù)與慣性測(cè)量單元的測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以進(jìn)一步減少因震動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)繪誤差。

圖7 電力管道測(cè)繪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖

通過機(jī)器人在管道內(nèi)的行走，慣性導(dǎo)航模塊可以精確測(cè)繪地下管道的走向信息，實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航技術(shù)與地下管網(wǎng)機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。[1,6]

4 測(cè)繪機(jī)器人測(cè)量精度對(duì)比分析

準(zhǔn)確測(cè)繪管網(wǎng)軌跡是重構(gòu)地下管線分布圖的基礎(chǔ)，也是判定非開挖施工質(zhì)量水平的重要依據(jù)。下文就目前市場(chǎng)上用于非開挖管線跟蹤測(cè)繪的主要產(chǎn)品（分別是中偉全站儀、比利時(shí)Reduct 4.2慣性管線測(cè)繪儀）同本項(xiàng)目研制產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)水平分析對(duì)比。

為了對(duì)比3款設(shè)備進(jìn)行管線測(cè)量軌跡的精度，在地面上利用專用的測(cè)試管道模擬非開挖頂管施工管道的軌跡，管道采用電力管材標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)Ф180mm×12mm，長度為115m，管材焊接也按電力施工管道要求進(jìn)行處理。具體對(duì)比試驗(yàn)過程如下：

1）利用GPS儀測(cè)出管線上2個(gè)控制點(diǎn)，使用中偉全站儀器利用2個(gè)已知點(diǎn)（測(cè)站及后視點(diǎn)）定向，對(duì)鋪設(shè)的模擬管道每1m做觀測(cè)取樣采點(diǎn)；

2）使用比利時(shí)Reduct4.2對(duì)模擬管道進(jìn)行測(cè)試，并利用GPS對(duì)兩管口的GPS點(diǎn)測(cè)量，做數(shù)據(jù)處理；

3）使用本項(xiàng)目電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人對(duì)模擬管道進(jìn)行操作測(cè)試，并利用GPS對(duì)測(cè)出的管口點(diǎn)做數(shù)據(jù)處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 三款設(shè)備對(duì)比

將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD軟件進(jìn)行處理，得出最終結(jié)論：本項(xiàng)目產(chǎn)品測(cè)繪結(jié)果最大平面誤差為11mm，最大高程誤差為13mm，優(yōu)于比利時(shí)Reduct4.2的測(cè)量精度（最大平面誤差13mm，最大高程誤差15mm），同中偉全站儀測(cè)量地面模擬非開挖管線軌跡的最大平面誤差結(jié)果（11mm）一樣，最大高程誤差比中偉誤差低1mm，更接近于管線真實(shí)軌跡。

5 結(jié)語

本文介紹了一款采用慣性導(dǎo)航技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的電力管網(wǎng)測(cè)繪機(jī)器人，機(jī)器人搭載圖像檢測(cè)裝置和慣性導(dǎo)航裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力管網(wǎng)的檢測(cè)和測(cè)繪，為電力管網(wǎng)工程驗(yàn)收、管網(wǎng)日常運(yùn)行維護(hù)、地下空間精準(zhǔn)施工提供數(shù)據(jù)支持，能夠大幅度提高城市的輸電線路安全運(yùn)營，為我國電力輸送安全提供重要的技術(shù)保證。另外，管網(wǎng)的檢測(cè)視頻及同步三維走向信息將通過通信總線傳輸?shù)浇K端，工作人員可以在終端系統(tǒng)平臺(tái)及時(shí)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出相應(yīng)結(jié)論，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力管網(wǎng)系統(tǒng)的管理。