一种基于无线光通信技术的巡检机器人及其应用方法与流程

本发明涉及一种基于无线光通信技术的巡检机器人及其应用方法，属于无线光通信。

背景技术：

1、在化工厂、洞库、煤矿、隧道等许多场所中，为了保障设备的正常、预防安全事故、保证生产质量大多会进行场所巡检工作。设备的日常巡检不仅可以保证设备的良好运行，及时对有损设备进行维护延长设备寿命还可以提高生产效率并且降低运营成本。传统的人工巡检受限于人员安全性、巡检效率以及巡检质量等问题已经逐渐被巡检机器人所取代。巡检机器人可以进入一些危险、复杂的环境中，例如高温、高压以及有毒有害场所；并且巡检机器人通过配备高精度传感器和设备对设备和环境进行精确检测和数据采集，避免人为因素造成的误差，从而提高检测的准确性和质量。目前的巡检机器人从技术原理上可将自动巡检设备分为无线光频巡检设备以及自动巡检机器人两种。由于自动巡检机器人的数据传输依赖于无线电技术，容易受到环境因素限制例如在一些极端环境(高温高压)、偏远环境中网络信号较差甚至无法布置网络，会造成数据无法及时回传导致检修不及时的后果。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种基于无线光通信技术的巡检机器人及其应用方法，基于无线光频通信原理实现巡检机器人对于巡检数据的打包回传。在灯具中增加无线光频信号接收装置用于接收无线光频巡检机器人传回的数据。每个灯具均可一个基站通过plc电力网络将数据传输至信息收集处理服务端，每个灯具独有的id可以对巡检机器人进行实时定位以及路径查看。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于无线光通信技术的巡检机器人，包括机器人本体和通信灯具，机器人本体上设有机器人数据接收装置、机器人数据发送装置、摄像头、传感器阵列和红外测距仪，通信灯具包括灯具端数据发送灯珠和数据接收pd，机器人本体内设有主控芯片，机器人数据接收装置、机器人数据发送装置、摄像头、传感器阵列和红外测距仪通过主控芯片控制，主控芯片驱动电机带动车轮行进，摄像头、传感器阵列和红外测距仪采集的数据通过机器人数据发送装置进行发送至自由空间，通信灯具的数据接收pd进行数据接收解码并将结果通过plc电力线将数据传输至终端后台。

3、所述的摄像头对巡检途中进行实时录像通过机器人数据发送装置对数据进行实时发送，传感器阵列对环境点温湿度、气压、以及气体浓度数据进行采集，同时通过摄像头采集的图像对仪表盘偏移量、开关状态、指示灯状态数据进行采集。

4、所述的机器人数据发送装置包括发射灯珠阵列和光学结构，光学结构设置在发射灯珠阵列上方，光学结构提高接收精确度，巡检机器人发送的数据经由发射灯珠阵列进行数据发送，经由光学结构发送至自由空间，通信灯具的数据接收pd进行接收解码。

5、所述的机器人数据接收装置包括接收pd和滤光片，通信灯具的灯具端数据发送灯珠发送数据至自由空间，经由滤光片截取波段后达到接收pd进行接收响应。

6、所述的主控芯片对巡检机器人进行电源管理，当巡检机器人电压低于设定阈值时，巡检机器人以当前位置作为起点，建模存储的充电点作为终点进行最佳路径规划，自主前往充电点进行充电，并在充电过程中将充电电量状态实时通过机器人数据发送装置发送至机器人数据发送装置，机器人本体上设有充电接口。

7、所述的传感器阵列包括温湿度传感器、气压传感器、气体a浓度传感器、气体b浓度传感器、通气孔和阵列保护罩，温湿度传感器为sht11，气压传感器为bmp180，所述的红外测距仪为gy-56数字红外测距传感器模块，传感器阵列的多个传感器进行数据采集，阵列保护罩保护传感器结构，留有通气孔保证测量数据精度。

8、所述的机器人数据接收装置和机器人数据发送装置通过固定式支架固定在巡检机器人顶部，所述的摄像头通过旋转伸缩架固定在巡检机器人顶部。

9、基于无线光通信技术的巡检机器人的应用方法，包括步骤：

10、步骤1：系统启动，巡检机器人进场经过进场通信灯具完成注册；

11、步骤2：人工遥控巡检机器人完成对巡检场所的环境拍摄和路径记录进行建模工作；

12、步骤3：在环境扫描建模结束后，后台人员设置巡检事件，具体巡检事件包括巡检事件地点、巡检内容例如温湿度采集、环境气压采集、设备巡检时状态拍照、设备指示灯状态识别、设备仪表状态偏差识别的巡检内容；

13、步骤4：巡检机器人对于后台设定巡检事件地点进行最佳路劲规划并对最佳路径信息进行存储；

14、步骤5：巡检机器人每天通过主控芯片驱动电机根据计算的最佳路径循环前往每个巡检点进行日常巡检工作，每个通信灯具拥有自己的id信息，后台根据发送数据的灯具id判断巡检区域、巡检点以及巡检机器人位置信息，在进行巡检数据收发的同时实现对巡检机器人的定位功能；

15、步骤6：当没有突发事件发生的时候，巡检机器人按照既定路线进行巡检工作，通过传感器阵列对环境数据进行采集，检测点进行拍摄分析设备指示灯状态、仪表偏差检测分析以及开关状态识别数据分析采集，巡检数据经过巡检机器人安装的数据发射端向自由空间进行传输，通信灯具接收端进行数据接收解码发送至控制后台，实现无线光频方式收发数据；

16、步骤7：当发生突发事件时，后台向距离突发事件点最近的机器人上方通信灯具发送突发事件点位置信息，通信灯具将位置信息下发至巡检机器人，巡检机器人通过接收端进行接收解码，并中断日常巡检工作，保存当前日常巡检工作状态，主控芯片通过更改电机pwm占空比驱动电机高速运转，快速前往突发事件点进行巡检工作数据采集并通过无线光频通信网络进行数据传输，后台根据回传信息分析是否需要人员入场，不需要人工入场的情况机器人返回之前保存的日常巡检中断点继续日常巡检工作，需要人工巡检的情况后台发出警告并联系人员入场。

17、所述的最佳路径的规划算法为蚁群算法，

18、首先巡检机器人通过实景拍摄结合栅格法实现工作环境建模，将环境分为障碍区与可同行区，设置最开始的起始点a，第一个目标检测点为b，最大迭代数n，初始化全局信息素矩阵τij(t)，启发式函数ηij，以及初始位置，将m只蚂蚁放置在起点a点，由于a点是起始点所以将a点加入禁忌表tabu中，按照信息素与启发函数的概率选择下一个点，在t时刻第k只蚂蚁从节点i到下一个节点j点概率，将j点位置加入禁忌表，最后记录每只蚂蚁点路径与距离，当所有蚂蚁均走到终点b时，根据蚂蚁点路径与距离计算更新信息素矩阵τij(t)，判断迭代次数是否达到最大迭代值，如果没有达到将返回选择下一点点步骤继续优化最佳路径；

19、其中在t时刻第k只蚂蚁从i节点走到j节点的概率为：

20、

21、式中jk(i)＝{1,2,……,n}-tabuk，禁忌表tabuk是记录了第k只蚂蚁当前走过的所有节点，α是信息素启发因子β是期望启发因子；

22、其中信息素更新公式如下：

23、

24、式中ρ是信息素挥发速度，△τij(t)是蚂蚁在迭代t时刻从i节点走到j节点所留下的信息素，m是蚂蚁数量；

25、当顺利计算出起点a至第一监测点b点的最佳路径后，机器人到达第一个监测点b点后，重新初始化将目前b点作为起始点，下一个监测点c点作为下一个终点，以此类推，完成对所有监测点最佳路径规划。

26、本发明的有益效果是：本发明所涉及的巡检机器人基于无线光频通信原理，具有抗干扰性强、保密性强、改造成本低等优点，适用于多种环境，同时无线光频通信只需稍加改进就可具备定位的功能，方便用户实时定位机器人的位置状态。

27、本发明所涉及的巡检机器人具备就近处理突发事件的功能，通过“蚁群算法”进行最佳路径规划，尽可能地快速到达突发事件处理点。

28、本发明所涉及的巡检机器人中传感器阵列可根据用户场景需求进行个性化定制，例如温湿度异常环境，增设温湿度传感器；气压异常环境增设气压传感器；含有易燃易爆、有毒有害气体环境可根据气体情况增设相应的气体浓度传感器。解决极端环境无法人工长时间巡检，普通巡检机器人定制成本高的问题。