轨道交通智能巡检机器人系统的制作方法

1.本发明属于轨道交通巡检机器人技术领域，尤其涉及一种轨道交通智能巡检机器人系统。


背景技术：

2.现有的地铁巡检机器人虽然可以进行自主巡检，但是一般需要专门铺设机器人行驶轨道，成本高，且易造成原隧道结构的破坏。而且现有的自主巡检机器人系统主要采用wifi通信，由于wifi通信距离较短，需要沿隧道内间隔设置无线通信单元，铺设专用通信电缆，存在无线电干扰的风险。例如，专利cn107433952a一种智能巡检机器人中该巡检机器人系统需要在地铁隧道壁上单独敷设行驶轨道，容易对地铁隧道的结构产生破坏，并且存在投资大，施工周期长的缺点。专利cn109343538a地铁巡检机器人巡检系统采用wifi通信，需要沿地铁隧道内每隔50米布置无线通信单元，需要沿轨道敷设供电电缆，因此存在无线电干扰的风险，供电电缆侵入铁路限界的风险，另外同样存在投资大，施工难的问题。
3.因此，本发明针对上述隧道巡检机器人存在的问题，对巡检机器人控制进行改进。


技术实现要素：

4.本发明在上述现有巡检机器人控制系统不足的基础上提供了一种轨道交通智能巡检机器人系统，通过设置云控制平台与巡检机器人控制系统，实现巡检机器人的远程集群控制，并使巡检机器人可以实现自动驾驶，进行自动速度规划、速度控制、自主定位、障碍物检测等。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种轨道交通智能巡检机器人系统，包括巡检机器人、云控制平台；所述巡检机器人包括巡检机器人移动平台，巡检机器人移动平台上搭载有机器人检测设备，所述巡检机器人配置有巡检机器人控制系统；
6.所述云控制平台根据预设的巡检计划向所述巡检机器人下发巡检作业任务信息；
7.所述巡检机器人控制系统接收巡检作业任务信息，根据巡检作业任务信息确定所述巡检机器人的线路期望行驶速度，并控制所述巡检机器人移动平台根据线路期望行驶速度行驶并启动所述机器人检测设备进行病害检测；将所述巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息实时反馈至所述云控制平台。
8.优选的，所述云控制平台通过物联网网关与所述巡检机器人控制系统交互通信，包括边缘侧数据采集层、数据传输层、巡检机器人状态监控中心层；
9.所述边缘侧数据采集层通过物联网网关采集所述巡检机器人控制系统的监测数据，计算所需的边缘侧数据；
10.所述数据传输层采用5g网络传输与双向加密技术，将所需的边缘侧数据汇聚至所述巡检机器人状态监控中心层；
11.所述巡检机器人状态监控中心层设置有监控组态界面，用于实现显示待检测隧道故障图像、巡检机器人运动轨迹、巡检机器人核心系统数据。
12.优选的，所述数据传输层制定规范的数据传输协议，将实时数据及实验数据采用不同消息队列存储，通过数字化机理引导的数据驱动进行设备状态预测，同时考虑设备机理和行驶历史数据，通过数据关联性进行设备故障智能预测及诊断。
13.优选的，所述巡检机器人控制系统包括acu自动驾驶控制单元，所述acu自动驾驶控制单元包括云平台数据通信模块；
14.所述云平台数据通信模块用于通过物联网网关与所述云控制平台进行数据转发，上传所述巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息至所述云控制平台，并接收所述云控制平台下发的巡检作业任务指令。
15.优选的，所述acu自动驾驶控制单元还包括巡检作业任务解析模块，所述巡检作业任务解析模块用于根据所述云控制平台下发的巡检作业任务信息确定所述巡检机器人的线路期望行驶速度，所述巡检作业任务信息包括行驶区间段和检测作业区间段的任务信息。
16.优选的，所述acu自动驾驶控制单元还包括自动驾驶流程控制模块、上下电使能模块、速度控制模块、制动控制模块、定位计算模块、障碍物检测模块，所述自动驾驶流程控制模块用于控制巡检机器人根据线路期望行驶速度自动行驶，并协调所述上下电使能模块、速度控制模块、制动控制模块、定位计算模块、障碍物检测模块工作，实现巡检机器人自动驾驶。
17.优选的，所述上下电使能模块包括电池系统预充电上电控制模块，所述电池系统预充电上电控制模块的工作过程为：
18.蓄电池闭合供电，vcu上电，vcu控制bms上电自检，并在bms自检无故障状态下，控制bms进入待机状态；
19.在判断接收到vcu高压指令后，bms控制供电系统的主负接触器、预充电接触器闭合，bms接收vcu发送的电机控制器端电压，并在判断电机控制器端电压满足预设电机控制器端电压阈值条件时，bms控制供电系统主正接触器闭合、预充接触器断开，预充电上电成功。
20.优选的，所述上下电使能模块还包括电池系统高压正常下电控制模块，所述电池系统高压正常下电控制模块的工作过程为：
21.bms接收vcu的高压下电指令，bms检测供电系统总电流，并在供电系统总电流满足预设供电系统总电流阈值条件时，bms控制切断供电系统主正接触器，进行高压下电。
22.优选的，所述上下电使能模块还包括电池系统低压正常下电控制模块，所述电池系统低压下电控制模块的工作过程为：
23.vcu发送低压下电指令，并在满足预设的vcu下计时时间阈值条件时，vcu切断bms低压供电；
24.bms接收vcu的低压下电指令，并将需要备份的数据存储备份，进行低压下电。
25.优选的，所述上下电使能模块还包括电池系统高压异常下电控制模块，所述电池系统高压异常下电控制模块的工作过程为：
26.bms检测到存在需要立即下电的故障，并将故障信息发送至vcu；
27.bms接收到vcu下电指令后，控制供电系统的主正接触器断开，进行高压下电。
28.优选的，所述上下电使能模块还包括电池系统充电控制模块，所述电池系统充电
控制模块的工作过程为：
29.整车高压全部下电，充电枪物理连接完成，并在判断bms检测到cc2充电级别需求信息时，bms进入充电流程，与充电桩通信；
30.在判断bms与充电桩通信完成时，控制闭合充电开关；
31.bms检测电池箱温度，并在满足预设温度阈值条件时，bms根据功率需求表向充电机发送充电需求电流；
32.bms与充电机通信，控制充电过程，并在接收到充电机发送的充电停止信号或检测到电池已充满电，控制停止充电过程。
33.优选的，所述速度控制模块用于将当前巡检机器人的线路期望行驶速度和前一辆巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息，经过上位控制器判断后得到当前巡检机器人的线路期望行驶加速度信息，并经过下位控制器控制后，得到当前巡检机器人的期望制动压力与电机扭矩信息，确定线路实际行驶速度。
34.优选的，所述定位计算模块用于将获取的巡检机器人线路实际行驶速度、线路实际行驶加速度信息，进行融合滤波处理，获取相对定位信息；并根据预设的定位标准参照物获取绝对定位信息以对相对定位信息进行校准，得到实际位置估计值。
35.优选的，所述障碍物检测模块用于进行障碍物检测，并在检测到障碍物时，控制巡检机器人进入紧急制动状态。
36.优选的，所述巡检机器人控制系统还包括vcu硬件控制单元，所述vcu硬件控制单元通过can总线与所述acu自动驾驶控制单元进行数据交互；所述vcu硬件控制单元用于控制巡检机器人硬件及采集车辆控制总线的设备状态信息，包括电池能源管理系统、dc/dc变换器，dc/ac变换器，电机控制器、imu惯性测量单元、液压制动器的状态信息。
37.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
38.本发明提供了一种轨道交通智能巡检机器人系统，设置了远程云控制平台与巡检机器人控制系统，远程云控制平台与巡检机器人控制系统通过5g公共网络交互通信，云控制平台根据预设的巡检计划向巡检机器人下发巡检作业任务信息；巡检机器人控制系统根据巡检作业任务信息确定巡检机器人的线路期望行驶速度，并控制巡检机器人移动平台根据线路期望行驶速度行驶并启动机器人检测设备进行病害检测；巡检机器人控制系统同时将巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息实时反馈至云控制平台。本发明中云控制平台具体采用边缘侧数据采集层、数据传输层、巡检机器人状态监控中心层的三层服务模式设置，巡检机器人控制系统包括acu自动驾驶控制单元、vcu硬件控制单元，vcu硬件控制单元通过can总线与acu自动驾驶控制单元进行数据交互，vcu硬件控制单元用于控制巡检机器人硬件及采集车辆控制总线的设备状态信息；acu自动驾驶控制单元主要完成与云控制平台5g通信、任务解析、自动驾驶流程控制、远程遥控、上下电管理、速度控制制动控制、定位计算、障碍物检测、故障与警报处理、imu数据处理、视觉分析等功能。本发明通过设置以现有5g公共网络为基础的云控制平台，解决了巡检机器人的远程控制，集群控制等问题。同时，设置巡检机器人控制系统，使巡检机器人可以在隧道内实现自动驾驶，进行自动速度规划、运行速度控制、自主定位、障碍物检测、检测设备自动启动等问题。
附图说明
39.图1为云控制平台架构图；
40.图2为巡检机器人移动平台基本结构原理图；
41.图3为巡检机器人移动平台电控系统原理图；
42.图4为巡检机器人控制系统的acu自动驾驶控制单元原理图；
43.图5为电池系统预充电上电控制模块控制流程图；
44.图6为电池系统高压正常下电控制模块控制流程图；
45.图7为电池系统低压正常下电控制模块控制流程图；
46.图8为电池系统高压异常下电控制模块控制流程图；
47.图9为电池系统充电控制模块控制流程；
48.图10为对于速度控制模块控制原理图；
49.图11为定位计算模块原理图。
具体实施方式
50.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
51.本发明实施例提供了一种轨道交通智能巡检机器人系统，包括巡检机器人、云控制平台，巡检机器人配置有巡检机器人控制系统，巡检机器人包括巡检机器人移动平台，巡检机器人移动平台上搭载有机器人检测设备。本实施例中机器人检测设备的主要功能为检测隧道的裂缝、衬砌剥落、接缝错台、渗漏水、接缝张开、变形、限界、轨道扣件等病害。巡检机器人移动平台可以搭载任意的检测设备，对于巡检机器人的具体结构，本发明不做限定。
52.远程云控制平台与巡检机器人控制系统交互通信，云控制平台根据预设的巡检计划向巡检机器人下发巡检作业任务信息；巡检机器人控制系统接收巡检作业任务信息，根据巡检作业任务信息确定巡检机器人的线路期望行驶速度，并控制巡检机器人移动平台根据线路期望行驶速度行驶并启动机器人检测设备进行病害检测；将巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息实时反馈至云控制平台。
53.对于巡检机器人的远程云控制平台，其通过物联网网关与巡检机器人控制系统交互通信，本发明中云控制平台采用三层服务模式，云平台架构如图1所示，包括边缘侧数据采集层、数据传输层、巡检机器人状态监控中心层；
54.其中，边缘侧数据采集层通过物联网网关采集巡检机器人控制系统的监测数据，计算所需的边缘侧数据，利用专用的数据驱动，如图像采集驱动、tcp数据通讯驱动实现数据汇聚、清洗及上报等数据处理过程。
55.数据传输层采用5g网络传输与双向加密技术，通过制定规范的数据传输协议，将所需的边缘侧数据汇聚至巡检机器人状态监控中心层；并通过数字化机理引导的数据驱动进行设备状态预测，同时考虑设备机理和行驶历史数据，通过数据关联性进行设备故障智能预测及诊断。
56.巡检机器人状态监控中心层实现机器人状态监控，隧道故障情况实时监控，机器人故障监控，从设备运行
‑
隧道状态监测
‑
远程指令控制的管理，其设置有监控组态界面，用于实现显示待检测隧道故障图像、巡检机器人运动轨迹、巡检机器人核心系统数据。对于巡检机器人运动轨迹可以通过绘制隧道地图，通过机器人经纬度位置实时显示。巡检机器人
核心系统主要包含制动系统、电池监控系统、传感器系统、检测系统、驱动系统、制动系统、通讯系统等。
57.对于巡检机器人，其巡检机器人移动平台基本结构原理如图2所示，包括机械结构与电控结构两部分组成，机械系统结构主要包括车架、悬架、驱动电机、轮轴和制动器等部件，电控系统结构主要包括动力电池、高压配电箱、电源变换设备、低压电池、车辆控制器、传感器等电气元件，如图3所示。电控系统分为：高压配电系统、低压配电系统、巡检机器人控制系统。
58.其中，对于高压配电系统，其由动力电池、高压配电箱，电机控制器，dc/ac逆变器，dc/dc变换器组成。动力电池是整个车辆的动力来源，高压电能由高压配电盒分配给两个电机控制器、dc/ac、dc/dc，电能的分配控制由整车控制器决定。电机控制器将直流电逆变为可控的交流电，驱动电机按照设定的转速或转矩运行。dc/ac逆变器将高压直流电逆变成ac220交流电，为隧道病害检测系统提供供电电源电源。dc/dc直流变换器将高压直流电变换成dc12v直流电，dc12v直流电经过低压蓄电池缓冲后为车辆的低压系统提供电源。
59.对于低压配电系统，其通过蓄电池给巡检机器人移动平台控制器和传感器等低压设备供电，启动时，控制器、雷达等低压设备首先启动，并进行自检工作。自检完成后，控制器控制高压动力电池系统上电，替代低压电池对巡检机器人移动平台设备进行供电，并对低压电池充电。
60.对于巡检机器人控制系统，其包括acu自动驾驶控制单元、vcu硬件控制单元，vcu硬件控制单元通过can总线与acu自动驾驶控制单元进行数据交互，vcu硬件控制单元用于控制巡检机器人硬件及采集车辆控制总线的设备状态信息，包括电池能源管理系统、dc/dc变换器，dc/ac变换器，电机控制器、imu惯性测量单元、液压制动器的状态信息等。acu自动驾驶控制单元主要完成与云控制平台5g通信、任务解析、自动驾驶流程控制、远程遥控、上下电管理、速度控制制动控制、定位计算、障碍物检测、故障与警报处理、imu数据处理、视觉分析等功能，其软件架构如图4所示，acu自动驾驶控制单元主要包括云平台数据通信模块、巡检作业任务解析模块、自动驾驶流程控制模块、上下电使能模块、速度控制模块、制动控制模块、定位计算模块、障碍物检测模块等，下面将详细介绍各模块设置。
61.对于云平台数据通信模块，其主要用于通过物联网网关与云控制平台进行数据转发，上传巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息至云控制平台，并接收云控制平台下发的巡检作业任务指令。
62.对于巡检作业任务解析模块，其主要用于根据云控制平台下发的巡检作业任务信息确定巡检机器人的线路期望行驶速度，巡检作业任务信息包括行驶区间段和检测作业区间段的任务信息。
63.对于自动驾驶流程控制模块，其主要用于控制巡检机器人根据线路期望行驶速度自动行驶，并协调上下电使能模块、速度控制模块、制动控制模块、定位计算模块、障碍物检测模块工作，实现巡检机器人自动驾驶。
64.对于上下电使能模块，其包括电池系统预充电上电控制模块、电池系统高压正常下电控制模块、电池系统低压正常下电控制模块、电池系统高压异常下电控制模块、电池系统充电控制模块。
65.对于电池系统预充电上电控制模块，其控制流程参考图5所示，电池系统预充电上
电控制模块的工作过程为：
66.蓄电池闭合供电，vcu上电，vcu控制bms上电自检，并在bms自检无故障状态下，控制bms进入待机状态；
67.在判断接收到vcu高压指令后，bms控制供电系统的主负接触器、预充电接触器闭合，bms接收vcu发送的电机控制器端电压，并在判断电机控制器端电压满足预设电机控制器端电压阈值条件时，bms控制供电系统主正接触器闭合、预充接触器断开，预充电上电成功。
68.对于电池系统高压正常下电控制模块，其控制流程参考图6所示，电池系统高压正常下电控制模块的工作过程为：
69.bms接收vcu的高压下电指令，bms检测供电系统总电流，并在供电系统总电流满足预设供电系统总电流阈值条件时，bms控制切断供电系统主正接触器，进行高压下电。
70.对于电池系统低压正常下电控制模块，其控制流程参考图7所示，电池系统低压下电控制模块的工作过程为：
71.vcu发送低压下电指令，并在满足预设的vcu下计时时间阈值条件时，vcu切断bms低压供电；
72.bms接收vcu的低压下电指令，并将需要备份的数据存储备份，进行低压下电。
73.对于电池系统高压异常下电控制模块，其控制流程参考图8所示，电池系统高压异常下电控制模块的工作过程为：
74.bms检测到存在需要立即下电的故障，并将故障信息发送至vcu；
75.bms接收到vcu下电指令后，控制供电系统的主正接触器断开，进行高压下电。
76.对于电池系统充电控制模块，其控制流程参考图9所示，电池系统充电控制模块的工作过程为：
77.整车高压全部下电，充电枪物理连接完成，并在判断bms检测到cc2充电级别需求信息时(cc2充电模式为充电过程中，若给定时间内非车载充电设备没有接收到bms系统周期发送的充电级别需求报文，非车载充电设备也响应关闭直流电源输出功能)，bms进入充电流程，与充电桩通信；
78.在判断bms与充电桩通信完成时，控制闭合充电开关；
79.bms检测电池箱温度，并在满足预设温度阈值条件时，bms根据功率需求表向充电机发送充电需求电流；
80.bms与充电机通信，控制充电过程，并在接收到充电机发送的充电停止信号或检测到电池已充满电，控制停止充电过程。
81.对于速度控制模块，控制原理如图10所示，其主要用于将当前巡检机器人的线路期望行驶速度和前一辆巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息，经过上位控制器判断后得到当前巡检机器人的线路期望行驶加速度信息，并经过下位控制器控制后，得到当前巡检机器人的期望制动压力与电机扭矩信息，确定线路实际行驶速度。
82.对于定位计算模块，其原理如图11所示，用于将获取的巡检机器人线路实际行驶速度、线路实际行驶加速度信息，进行融合滤波处理，获取相对定位信息；并根据预设的定位标准参照物获取绝对定位信息以对相对定位信息进行校准，得到实际位置估计值。
83.对于障碍物检测模块，其主要用于进行障碍物检测，并在检测到障碍物时，控制巡
检机器人进入紧急制动状态。
84.综上，本发明提供的巡检机器人系统，巡检机器人以锂电池为动力，解决了巡检机器人需要敷设单独供电线缆的问题。同时，设置了远程云控制平台与巡检机器人控制系统，远程云控制平台与巡检机器人控制系统通过5g公共网络交互通信，云控制平台根据预设的巡检计划向巡检机器人下发巡检作业任务信息；巡检机器人控制系统根据巡检作业任务信息确定巡检机器人的线路期望行驶速度，并控制巡检机器人移动平台根据线路期望行驶速度行驶并启动机器人检测设备进行病害检测；巡检机器人控制系统同时将巡检机器人的行驶状态信息与病害检测信息实时反馈至云控制平台。本发明中云控制平台具体采用边缘侧数据采集层、数据传输层、巡检机器人状态监控中心层的三层服务模式设置，巡检机器人控制系统包括acu自动驾驶控制单元、vcu硬件控制单元，vcu硬件控制单元通过can总线与acu自动驾驶控制单元进行数据交互，vcu硬件控制单元用于控制巡检机器人硬件及采集车辆控制总线的设备状态信息；acu自动驾驶控制单元主要完成与云控制平台5g通信、任务解析、自动驾驶流程控制、远程遥控、上下电管理、速度控制制动控制、定位计算、障碍物检测、故障与警报处理、imu数据处理、视觉分析等功能。本发明通过设置以现有5g公共网络为基础的云控制平台，解决了巡检机器人的远程控制，集群控制等问题。同时，设置巡检机器人控制系统，使巡检机器人可以在隧道内实现自动驾驶，进行自动速度规划、运行速度控制、自主定位、障碍物检测、检测设备自动启动等问题。
85.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。