黃煒昭

實(shí)現(xiàn)一種通用型室內(nèi)智能巡檢機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的研究

黃煒昭

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

研究了一種通用型智能巡檢機(jī)器人，通過(guò)定位導(dǎo)航與視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，可以自主規(guī)劃變電站內(nèi)巡檢作業(yè)路徑。機(jī)器人搭載圖像采集模塊、紅外采集模塊、可見(jiàn)光采集模塊與噪聲采集模塊，具有現(xiàn)場(chǎng)采集圖像信息、信號(hào)故障自動(dòng)識(shí)別、故障報(bào)警、區(qū)域溫度報(bào)警、趨勢(shì)分析及報(bào)警、自動(dòng)生成巡檢報(bào)告功能，可以滿(mǎn)足不同變電站內(nèi)自動(dòng)化巡檢設(shè)備的需求。

智能巡檢機(jī)器人；變電站巡檢；軟硬件設(shè)計(jì)；技術(shù)應(yīng)用

1 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)智能化、信息化的時(shí)代，人工智能技術(shù)已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成績(jī)，智能化、機(jī)械化的機(jī)器代替煩瑣的人力勞動(dòng)已經(jīng)逐步變成現(xiàn)實(shí)。機(jī)器人巡檢的靈活性以及智能性，能彌補(bǔ)人工巡檢存在的安全隱患以及效率和精度的不足，同時(shí)通過(guò)云端的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)上傳設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，這種智能巡檢方式不僅能節(jié)省大量的人力物力，使變電站室內(nèi)設(shè)備巡檢工作更加高效、科學(xué)、合理，也能在工作人員無(wú)法進(jìn)入的地形中進(jìn)行工作，有效地降低人工成本和維護(hù)成本。引入變電站室內(nèi)設(shè)備智能巡檢機(jī)器人，是更好適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和滿(mǎn)足未來(lái)社會(huì)需求的必要手段。

2 智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)需求分析

智能巡檢機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外許多從業(yè)人員都對(duì)巡檢機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)做了大量的研究工作，智能巡檢機(jī)器人的主要組成部分是激光傳感器、智能云臺(tái)、四驅(qū)動(dòng)底盤(pán)、可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外線熱像儀以及其他部件。加拿大魁北克水電站研制的巡檢機(jī)器人搭載紅外熱像儀、可見(jiàn)光圖像采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制；國(guó)家電網(wǎng)啟用了軌道式室內(nèi)智能巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了不同站巡視模式，可將巡檢效率提升到原先的5～7倍以上。雖然智能巡檢機(jī)器人的巡檢工作效率提升了，但是仍不能做到完美執(zhí)行，其本身還具有一定的缺點(diǎn)，如靈活度不夠、無(wú)法統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)等。更重要的是，軌道式機(jī)器人對(duì)室內(nèi)改造較大，考慮到安全性，不易推行使用。

3 巡檢機(jī)器人硬件的模塊化設(shè)計(jì)

巡視機(jī)器人基于對(duì)伺服電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)小車(chē)本體移動(dòng)操作，依照設(shè)備情況，配合操作手臂及傳感器進(jìn)行功能檢測(cè)。按照變電站巡視要求，巡視機(jī)器人硬件部分設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)單元、導(dǎo)航單元、定位單元、傳感單元、供電單元、控制單元和通信單元，各單元包含的部件如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人硬件模塊設(shè)計(jì)圖

巡檢機(jī)器人移動(dòng)車(chē)身為4輪驅(qū)動(dòng)控制，分別由4個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)工業(yè)級(jí)高速總線傳輸信號(hào)。

傳感單元包括工業(yè)級(jí)高清晰彩色攝像機(jī)、非致冷焦平面紅外線熱像儀、室外全方位數(shù)字云臺(tái)、局部放電監(jiān)測(cè)、氣體感知測(cè)量，實(shí)現(xiàn)原人工巡檢中查看表計(jì)、觸頭溫度、變壓器聲音等業(yè)務(wù)功能。紅外線診斷可以自動(dòng)識(shí)別室內(nèi)設(shè)備的異常發(fā)熱情況，并做到及時(shí)預(yù)警。

導(dǎo)航單元由傳感子系統(tǒng)、多傳感器信息融合與機(jī)器人位置解算子系統(tǒng)、信息冗余與導(dǎo)航自診斷子系統(tǒng)構(gòu)成。通過(guò)多種技術(shù)獲知機(jī)器人的精確定位信息，并通過(guò)最優(yōu)路徑規(guī)劃算法和精確軌跡規(guī)劃算法自主行走到目標(biāo)位置。在機(jī)器人首次進(jìn)入巡檢環(huán)境時(shí)，將通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行掃描，即利用激光導(dǎo)航技術(shù)構(gòu)建周邊環(huán)境地圖，并采用傳感器數(shù)據(jù)的冗余與交叉診斷技術(shù)，對(duì)受到干擾的信號(hào)進(jìn)行隔離，進(jìn)而保證機(jī)器人導(dǎo)航的可靠性，另外通過(guò)智能系統(tǒng)的輔助，巡檢機(jī)器人可以按照任務(wù)要求自主規(guī)劃最佳路徑，極大提高了工作效率。

供電單元采用鉛酸電池，根據(jù)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)理論分析設(shè)備的耗能狀況及實(shí)測(cè)各設(shè)備的耗電量并留有一定余量，根據(jù)電池廠家提供的放電曲線及相對(duì)應(yīng)的尺寸選取電池容量，最后經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證以測(cè)得智能巡檢機(jī)器人的實(shí)際連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。充電方式設(shè)計(jì)為自主充電，配合路徑導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)，在機(jī)器人活動(dòng)區(qū)域設(shè)置充電接口，根據(jù)路徑規(guī)劃算法在電池電量接近不足時(shí)，優(yōu)先規(guī)劃充電路徑，保障機(jī)器人獨(dú)立自主運(yùn)行。

4 巡檢機(jī)器人軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建

變電站巡檢機(jī)器人會(huì)采集、整理各種形式的數(shù)據(jù)信息，如文字信息、音頻信息等。需要搭建一個(gè)可以并行傳送多類(lèi)數(shù)據(jù)的復(fù)雜通信軟件系統(tǒng)。將智能巡檢機(jī)器人采集的信息傳送到分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，并且實(shí)現(xiàn)彼此間的信息共享，保證采集的數(shù)據(jù)信息的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

4.2 集群化網(wǎng)絡(luò)控制方案

智能巡檢機(jī)器人的后臺(tái)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集層、云端處理層和管理展示層。機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)皆贫颂幚韺樱賯鬏數(shù)焦芾碚故緦?。云端處理層?huì)對(duì)連接到電腦終端的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)機(jī)器人的終端連接到同一站點(diǎn)時(shí)，可以采用星型連接的方式，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制。

本地端布置在變電站內(nèi)，可通過(guò)遠(yuǎn)程桌面直接進(jìn)入智能巡檢機(jī)器人本體軟件進(jìn)行控制，也可采用TCP/IP協(xié)議通過(guò)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，本地監(jiān)控后臺(tái)將分析并存儲(chǔ)本廠站的所有巡檢數(shù)據(jù)，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制、巡檢報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)等四大子系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)監(jiān)控主要功能是將機(jī)器人當(dāng)前工作位置、巡檢路線、帶巡檢設(shè)備清單、巡檢過(guò)程中實(shí)時(shí)的高清和紅外視頻以及高清與紅外融合視頻、巡檢過(guò)程中實(shí)時(shí)的巡檢結(jié)果等信息綜合反饋到遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺(tái)上，供工作人員查看。實(shí)現(xiàn)操作人員在運(yùn)維站就能查詢(xún)到各分站的任務(wù)安排以及歷史數(shù)據(jù)等信息。

實(shí)時(shí)控制主要作用是編輯巡檢任務(wù)、制定巡檢計(jì)劃、請(qǐng)求并下發(fā)常規(guī)巡檢任務(wù)。并且可以在遠(yuǎn)端控制某個(gè)分站的機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)。通過(guò)該功能拓展，巡檢機(jī)器人將完全覆蓋室內(nèi)、室外所有設(shè)備區(qū)域，真正做到替代人工完成設(shè)備巡視任務(wù)。

巡檢報(bào)表主要作用是用于在一次計(jì)劃巡檢作業(yè)完成時(shí)，自動(dòng)生成文字報(bào)表，報(bào)表內(nèi)容將包括巡檢時(shí)間、地點(diǎn)執(zhí)行機(jī)器人標(biāo)號(hào)巡檢設(shè)備清單、巡檢問(wèn)題反饋、設(shè)備隱患缺陷預(yù)警、閾值比較分析、常見(jiàn)錯(cuò)誤分析等，并給出相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)與維護(hù)建議。

通過(guò)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的可視化查看，方便工作人員對(duì)往期巡檢產(chǎn)生的原始視頻、文字等數(shù)據(jù)快速查驗(yàn)。

5 巡檢機(jī)器人變電站內(nèi)實(shí)際運(yùn)行情況

某500 kV變電站配置1臺(tái)巡檢機(jī)器人，分三個(gè)區(qū)域巡視。500 kV區(qū)全任務(wù)巡檢約4 h，220 kV區(qū)任務(wù)巡檢約2 h，主變及35 kV區(qū)任務(wù)巡檢約2 h。每周一、周四啟動(dòng)500 kV紅外檢測(cè)任務(wù)；每周二、五、周日啟動(dòng)220 kV紅外檢測(cè)任務(wù)；每周三、周六啟動(dòng)主變及35 kV紅外檢測(cè)任務(wù)，所有任務(wù)均在5點(diǎn)啟動(dòng)，巡檢任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，機(jī)器人返回充電室自行充電。如機(jī)器人接收到基站發(fā)出的特殊任務(wù)命令，將停止充電或正進(jìn)行的巡檢任務(wù)，根據(jù)智能機(jī)器人所處位置，計(jì)算出最佳路徑并直接行駛到指令設(shè)備的預(yù)定觀測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)備位置識(shí)別成功率達(dá)99%以上。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并分析了變電站智能巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)。該機(jī)器人攜帶紅外線熱像儀和可見(jiàn)光攝像機(jī)檢測(cè)裝置，通過(guò)導(dǎo)航和設(shè)備定位，可以按最優(yōu)路徑對(duì)變電站室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行自主巡視，滿(mǎn)足了在不同變電站環(huán)境下智能巡檢的需要。

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TM63

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.067

2095－6835（2019）20－0148－02

黃煒昭（1981—），男，福建泉州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高壓電力設(shè)備管理、電網(wǎng)運(yùn)維智能化方向的工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕