电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计研究

电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计研究

苏瑞刘会斌腾海刚

(国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院010020)

【摘要】：随着城市的现代化发展，越来越多的城市空间被占用，如果再进行电力电缆的建设，势必会造成城市空间的拥堵，因此，电力公司逐渐将电力电缆的建设转向地下隧道。基于此，为进一步有效的提高电力电缆隧道项目的安全性能，解决电力隧道消防救援存在的问题，需要对电力隧道消防机器人进行实时避障控制系统的设计与研发。就目前国内消防机器人而言，电力隧道消防机器人实时避障控制系统仍旧存在诸多局限，其现场反应能力和避障处理能力都较差，本文结合发展情况，提出了一种新型的电力隧道消防机器人实时避障控制系统，其中包括有电源、雷达测距、电机、伺服控制等相关系统模块，在它们的协调之下能够系统的进行实时障碍躲避和控制。希望通过本文的设计研究，能够为后续有关电力隧道消防机器设计提供一定的参考价值。

【关键词】：电力隧道消防机器人；实时障碍控制系统；设计与研发

众所周知，隧道是一种地理位置和环境较为特殊的公共建筑物，一旦发生火灾或其他安全事故，进行抢救的时候会增加其危险程度和困难程度。因此，设计并研发电力隧道消防机器人，能够有效的解决上述出现的问题。但是由于我国现代化机器设备研发起步较晚，许多自动化和智能化的技术都处于不断完善的状态，因此，对于消防机器人在进行实时避障控制系统的设计仍旧存在许多不足，尤其是在灵敏性和事故处理能力、避障能力都表现的不理想，需要相关电力隧道消防机器人研发人员进行有效的提升和改革。为进一步推动我国电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计水平和质量，本文以某种系统设计方法为例，对其展开了系统的设计与研发，意在指进一步提高我国电力隧道安全性。

1.电力隧道消防机器人的设计与研究

1.1消防机器人整体结构设计

消防机器人是一个集行动、感知、命令、规划、程序为一体的综合体，将其运用到电力消防隧道中能够进行及时的消防救援。因此，需要对消防机器人进行整体结构的设计，例如：当遇到明火时，消防机器人第一步需要做什么，第二步需要做什么；消防机器人内部结构要设计成什么样都需要预先构思好，才能按照功能来进行协调层、控制层、规划层的设计与研发。协调层作为整个系统的核心，相当于人体的大脑，能够对多个层面进行操控和布置，从而对所接收的相关信息进行有效的处理。行为规划层，能够对控制系统中的传感器进行融合和处理，从而来确定所处于的环境、地理位置，并将要进行处理的方式进行系统的规划，将结果传送到任务协调层和行为控制层；行为控制层在整个电力隧道消防机器人控制系统中扮演着尤为重要的角色，能够对消防机器人所进行的具体工作进行操作，据研究显示，行为控制层一旦接收到规划层传来的指令，便能够在驱动系统的驱动下产生相应的运动反应；运动控制层是一种特殊的动力输出装置，需要伺服控制电机的配合才能有效的进行命令的转化，模拟信号会直接驱动电机而产生反应。传感器所发出的信号是需要进行预先处理的，是需要在隧道消防机器人做出下一个动作之前，来完成消防机器人的速度控制和转向控制。

1.2消防机器人电源系统的设计

任何一个正常运行的系统都离不开动力装置，因此，电力隧道消防机器人实时避障控制系统的运行基础同样是电源装置。一个稳定的电源系统对于电力隧道消防机器人来说尤为重要。一般来说，电力隧道消防机器人实时避障控制系统所采用的电压值为24V，而在控制系统中所采用的是电压值为12V的直流电压。需要注意的是，在进行电力隧道消防机器人实时避障控制系统的电源模块设计时，需要将驱动板块和控制板块的电源分开设计，防止两端电路对电源系统造成影响。

1.3消防机器人雷达测距系统的设计

激光雷达能够对隧道消防事故进行及时、准确的距离测量，且成本造价较低，有效的提高了电力隧道消防机器人实时避障控制系统准确性。激光雷达是通过发射激光光脉到目标物体上，当光线发生反射后会被系统所包含的光电器件进行接收，此时，光电器件能够对光线传播所消耗的时间进行精确的测量，最终实现距离的测量。

1.4消防机器人伺服控制系统的设计

在消防机器人所运行的整个系统中，运动控制系统与规划系统存在一定联系，能够为整个系统运行提供支持，伺服电机控制系统的结构如图1所示：

图1伺服控制模块结构图

1.5消防机器人电机驱动系统的设计

消防机器人在正常运作的过程中，面对不同的场景需要进行模式的切换，而此时电机驱动装置便是为消防机器人提供动力支持和速度控制，该项电机驱动系统的运动模式是双向可逆的。H型全桥式是一种常用的电路，被广泛应用于驱动直流电机中，能够为电力隧道消防机器人提供动力输入。

2.有关电力隧道消防机器人实时避障控制系统的设计

以人工势能场原理计算目标点和障碍物产生的相互作用力为计算准则，通过栅格法将电力隧道消防机器人所接受的障碍物信息范围进行系统的分割，并将其处理成单个的窗口，化整为零，从而对每个分割的单位展开计算。需要注意的是，单元格的目标点和障碍物所产生的相互作用力在计算后，要进行电力消防隧道所受应力求和，根据最终合力来对消防机器人进行控制，以精确的完成消防机器人的避障控制系统设计与研发。消防机器人在隧道中进行移动时，当目标在锁定后所产生的引力会对消防机器人造成一定的影响，吸引着消防机器人朝着这个目标进行移动，这样当机器人在实际运行过程中便会顺利的进行避障控制，但是，目标点同样会产生排斥力，来干扰消防机器人的运动轨迹，迫使机器人在反作用力的影响下直线运动。因此，要想进一步是实现电力隧道消防机器人实时避障控制系统的正常运作，需要对消防机器人在电力隧道中所受到的应力合力进行计算。

3.电力隧道消防机器人实时避障控制系统研究结构与分析

为进一步保证该设计方法的整体性能，在对所产生的数据进行分析和测试后从而得出结论。在对隧道消费机器人目标合力进行计算后，能够促使消防机器人有效的避开行进所遇到的障碍物。若采用基于冗余自由度的消费机器人避障控制系统设计方法，不能够完全避开障碍物，根据实验数据和实验线现象可以明显看出，本文所使用的电力隧道消防机器人实时避障控制系统的效率更高，整个系统运行的更为稳定。

结束语

综上所述，随着电力资源输送系统和现代化城市的不断发展，在地下开展电力电缆隧道敷设是更为便捷、有效、经济的方式之一。在此背景之下，便需要加强电力电缆隧道项目消防安全建设。本文以某一种电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计方法为例，介绍了有关消防机器人的组成模块和运行系统，并提出了计算目标合力的方式来进行实时的避障控制，希望能够进一步促进我国电力设施消防安全性和稳定性。

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