郭建軍

(神華神東煤炭集團(tuán) 錦界煤礦， 陜西 榆林 719300)

0 引言

煤礦井下變電所主要有高壓開(kāi)關(guān)、水泵房排水設(shè)備及其它電氣設(shè)備等。變電所運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常直接影響煤礦的生產(chǎn)，故要加強(qiáng)變電所的巡檢，保證其正常工作。但目前還存在以下問(wèn)題：

1) 在運(yùn)行過(guò)程中存在開(kāi)關(guān)柜故障,跳閘后需現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位，才可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

2) 變電所開(kāi)關(guān)柜發(fā)生短路、拉弧、放炮等特殊故障時(shí)，需第一時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障原因確認(rèn)。

3) 變電所開(kāi)關(guān)柜檢修及故障處理時(shí)，需監(jiān)控作業(yè)人員是否按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程進(jìn)行作業(yè)，避免因作業(yè)人員違章作業(yè)帶來(lái)的安全隱患。

4) 需及時(shí)監(jiān)測(cè)水泵房主排水泵及電動(dòng)機(jī)因檢修不到位、老化等原因造成設(shè)備異常運(yùn)行。

5) 需定時(shí)監(jiān)測(cè)水泵房管路漏水情況，電動(dòng)閘閥是否開(kāi)、關(guān)到位，以及水泵是否正常上水。

針對(duì)以上問(wèn)題，井下變電所機(jī)器人巡檢平臺(tái)采用“機(jī)械臂+攝像頭+多種傳感器+中控+機(jī)器人+巡檢管理平臺(tái)”的巡檢方式具有一定的優(yōu)勢(shì)，可以大大節(jié)省人力及管理成本，實(shí)現(xiàn)變電所、水泵房無(wú)死角的監(jiān)控。機(jī)器人安裝各種先進(jìn)的傳感器，用于自動(dòng)探測(cè)各種異常情況，彌補(bǔ)人力的不足，同時(shí)將變電所監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)器人巡檢平臺(tái)相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)變電所無(wú)人化管理。

1 研究?jī)?nèi)容與預(yù)期目標(biāo)

1.1 研究?jī)?nèi)容

礦井變電所機(jī)器人巡檢平臺(tái)主要研究利用機(jī)器人代替人工對(duì)變電所進(jìn)行巡檢，研究?jī)?nèi)容如下：

1) 巡檢機(jī)器人采用輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，并結(jié)合綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遙控巡視和自主巡視等功能。其主要技術(shù)包括導(dǎo)航定位、機(jī)器人視覺(jué)、傳感器融合、可見(jiàn)光、紅外數(shù)據(jù)檢測(cè)、機(jī)械臂控制、數(shù)據(jù)確認(rèn)等。

2) 巡檢機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)技術(shù)，在巡檢過(guò)程中監(jiān)控是否著火、冒煙，監(jiān)控作業(yè)人員是否違章作業(yè),以及監(jiān)測(cè)水泵壓力表、真空表、電動(dòng)閘閥顯示盤(pán)狀態(tài)等。

3) 巡檢機(jī)器人通過(guò)紅外熱源監(jiān)測(cè)技術(shù)，檢測(cè)變電柜內(nèi)元器件是否高溫、設(shè)備旋轉(zhuǎn)部位是否高溫、線老化是否高溫等。

4) 巡檢機(jī)器人通過(guò)機(jī)械臂控制技術(shù)，對(duì)變電柜進(jìn)行復(fù)位相關(guān)操作。

5) 巡檢機(jī)器人與地面監(jiān)控人員交互，通過(guò)機(jī)器人代替監(jiān)控人員的眼睛和手。

6) 巡檢機(jī)器人具備自主充電功能。巡檢機(jī)器人可以在非工作時(shí)間及電量低于設(shè)定值的情況下，行進(jìn)至自主充電工位進(jìn)行充電。

7) 巡檢機(jī)器人可以將視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)控制室，并由后臺(tái)控制室對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行分析處理。后臺(tái)控制室可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)圖像和視頻文件，機(jī)器人自身設(shè)有存儲(chǔ)器，可完成72 h的視頻文件存儲(chǔ)。

8) 巡檢機(jī)器人可自主巡航，并可基于人工操作輸入進(jìn)行部分路徑的修改。

9) 巡檢機(jī)器人攝像頭及機(jī)械臂配有可伸縮結(jié)構(gòu)，可根據(jù)巡檢要求調(diào)整高度與角度。

1.2 預(yù)期目標(biāo)

研發(fā)礦井機(jī)器人巡檢平臺(tái)，滿足礦井變電所的自動(dòng)巡檢要求，完全取代人工巡檢及機(jī)械復(fù)位操作,并通過(guò)機(jī)器人巡檢平臺(tái)建設(shè)，對(duì)機(jī)器人及攜帶的傳感器等設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到代替變電所巡檢人員的目標(biāo)。工作場(chǎng)景與巡檢機(jī)器人平臺(tái)見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)方案的確定和功能結(jié)構(gòu)

2.1 方案的確定

根據(jù)不同的底盤(pán)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、足式機(jī)器人及仿生機(jī)器人等，如圖3所示。室內(nèi)機(jī)器人通常采用輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu);室外機(jī)器人為了適應(yīng)野外環(huán)境，多采用履帶式移動(dòng)結(jié)構(gòu);仿生機(jī)器人通常模仿某種生物的運(yùn)動(dòng)方式而采用相應(yīng)的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，如機(jī)器蛇采用蛇行式移動(dòng)結(jié)構(gòu)。對(duì)此認(rèn)為,輪式的效率最高，但適應(yīng)能力相對(duì)較差，應(yīng)用場(chǎng)景有限；而足式的移動(dòng)適應(yīng)能力最強(qiáng)，但其效率最低[1]。

(a) 工作場(chǎng)景

(b) 機(jī)器人巡檢平臺(tái)圖1 工作場(chǎng)景與巡檢機(jī)器人平臺(tái)

(a) 輪式機(jī)器人

(b) 履帶式機(jī)器人

(c) 足式機(jī)器人

(d) 仿生機(jī)器人圖2 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)

由于機(jī)器人巡檢平臺(tái)的工作環(huán)境為室內(nèi)，故采用效率及穩(wěn)定性都較高的輪式機(jī)器人，且底盤(pán)設(shè)計(jì)為可更換的方式，以便適應(yīng)不同的工作環(huán)境。輪式移動(dòng)機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人。在相對(duì)平坦的地面上，用輪式移動(dòng)方式具有一定的優(yōu)越性。

輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)中，四輪移動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。四輪結(jié)構(gòu)可采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，既可使用后輪分散驅(qū)動(dòng)，也可用連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四輪同步轉(zhuǎn)向。這種方式比起僅有前輪轉(zhuǎn)向的車(chē)輛可實(shí)現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)彎半徑。另外,車(chē)輛通過(guò)控制左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不同時(shí)，即使無(wú)轉(zhuǎn)向輪或轉(zhuǎn)向輪不動(dòng)作，車(chē)身也會(huì)旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的不同,可通過(guò)操作安裝在左右半軸上的兩個(gè)單獨(dú)的離合器或制動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向[2]。目前幾乎所有的鏈軌(履帶)車(chē)輛都采用這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。差速轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)在車(chē)身可以獲得更小的轉(zhuǎn)彎半徑，車(chē)身可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)圈的功能。差速轉(zhuǎn)向的主要缺點(diǎn)在于高速行駛中不穩(wěn)定、輪胎易磨損等。

綜合考慮平臺(tái)穩(wěn)定性及系統(tǒng)復(fù)雜性等方面，本方案采取四輪移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，其中左右輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)兩邊差速的方式改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。四輪式底盤(pán)方案如圖3所示。

圖3 四輪式底盤(pán)方案

2.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)基于一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，并使用基于同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping，SLAM)的導(dǎo)航定位算法,實(shí)現(xiàn)特定路徑的自主巡航。同時(shí),在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)視、儀表狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信息上傳等巡檢功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3 機(jī)器人巡檢功能

3.1 巡航定位系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)形式的分析

巡檢平臺(tái)支持在非人工干預(yù)下進(jìn)行自主巡航，且不需要鋪設(shè)軌道。本巡航定位系統(tǒng)一方面采用基于SLAM的導(dǎo)航定位算法，利用激光雷達(dá)探測(cè)周?chē)h(huán)境情況，構(gòu)建環(huán)境三維地圖,并對(duì)自身進(jìn)行定位;另一方面利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)識(shí)別特定位置的二維碼標(biāo)志，提高定位精度，并據(jù)此完成路徑規(guī)劃。SLAM通常是指在機(jī)器人或其他載體上，通過(guò)對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算，生成對(duì)其自身位置姿態(tài)的定位和場(chǎng)景地圖信息的系統(tǒng)[3]。SLAM需要解決的核心問(wèn)題是周?chē)h(huán)境構(gòu)建及自身所處的位置，進(jìn)而知道下一步該如何自主行動(dòng)。圖5為SLAM地圖構(gòu)建示例。

圖5 SLAM地圖構(gòu)建示例

目前常見(jiàn)的機(jī)器人SLAM系統(tǒng)一般具有兩種形式：基于激光雷達(dá)的SLAM(激光SLAM)和基于視覺(jué)的SLAM(VSLAM)。VSLAM通過(guò)視覺(jué)圖像構(gòu)建環(huán)境地圖，其優(yōu)勢(shì)在于攝像頭成本較低,但構(gòu)建算法需要巨大的計(jì)算量，故采取VSLAM的形式對(duì)硬件平臺(tái)的計(jì)算性能有嚴(yán)苛的要求[4]。激光SLAM與VSLAM相比計(jì)算量小，且容易實(shí)現(xiàn)更精確的地圖。因此,本系統(tǒng)采用激光SLAM的方案。

3.1.2 激光SLAM方案的確定

激光SLAM來(lái)源于早期基于測(cè)距的定位方法(如超聲和紅外單點(diǎn)測(cè)距)。激光雷達(dá)的出現(xiàn)和普及使得測(cè)量更快、更準(zhǔn)、信息更豐富。激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，被稱(chēng)為點(diǎn)云。通常激光SLAM系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對(duì)，計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了對(duì)機(jī)器人自身的定位。

激光雷達(dá)距離測(cè)量比較準(zhǔn)確，誤差模型簡(jiǎn)單，在強(qiáng)光直射以外的環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，點(diǎn)云的處理也比較容易。同時(shí)，點(diǎn)云信息本身包含直接的幾何關(guān)系，使得機(jī)器人的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。激光SLAM理論研究也相對(duì)成熟，落地產(chǎn)品更豐富。圖6為激光雷達(dá)實(shí)物及測(cè)量得到的點(diǎn)云。

(a) 激光雷達(dá)

(b) 點(diǎn)云圖6 激光雷達(dá)與點(diǎn)云

具體硬件方案如圖7所示。輪式機(jī)器人正上方安裝三維激光雷達(dá)，感知四周環(huán)境。除了激光SLAM外，此系統(tǒng)還利用機(jī)器視覺(jué)的方法識(shí)別特定位置的標(biāo)志圖形來(lái)輔助定位。

圖7 激光雷達(dá)安裝

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成包括高清攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、補(bǔ)光燈與可升降云臺(tái)，如圖8所示。攝像機(jī)對(duì)周?chē)h(huán)境做實(shí)時(shí)掃描和記錄，一方面,將視頻存儲(chǔ)到機(jī)器人自身的視頻硬盤(pán)中;另一方面,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將畫(huà)面實(shí)時(shí)傳輸至視頻監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多終端遠(yuǎn)程畫(huà)面監(jiān)視。機(jī)器人正常巡航過(guò)程中，云臺(tái)按照設(shè)定的動(dòng)作工作，保證對(duì)巡視環(huán)境的360°無(wú)死角監(jiān)測(cè)。云臺(tái)還可接受后臺(tái)服務(wù)的指令指向特定的方向，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控畫(huà)面的遠(yuǎn)程控制。

圖8 視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)中高清攝像機(jī)主要完成監(jiān)控畫(huà)面的獲取，并通過(guò)LED補(bǔ)光燈來(lái)保證在環(huán)境低照度光線條件下的成像質(zhì)量。紅外攝像機(jī)不受可見(jiàn)光照的影響，且除了紅外成像之外，還能對(duì)設(shè)備的異常狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

紅外攝像機(jī)技術(shù)分主動(dòng)紅外攝像機(jī)技術(shù)和被動(dòng)紅外攝像機(jī)技術(shù)。被動(dòng)紅外攝像機(jī)技術(shù)(熱成像技術(shù))是利用物體自身向外輻射紅外線的原理，所有溫度高于絕對(duì)零度(-273 ℃)的物質(zhì)都不斷地輻射著紅外線。紅外線是一種人眼不可見(jiàn)的光波，它是由物質(zhì)內(nèi)部的分子、原子的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電磁輻射。由于物體輻射紅外線的強(qiáng)度與溫度相關(guān)，所以捕獲環(huán)境中紅外線的強(qiáng)度便可形成基于溫度的畫(huà)面。主動(dòng)紅外攝像機(jī)技術(shù)則是利用特制的紅外光發(fā)光源產(chǎn)生紅外輻射，產(chǎn)生人眼看不見(jiàn)而普通攝像機(jī)能夠捕捉到的紅外光，輻射“照明”景物和環(huán)境，利用普通低照度攝像機(jī)來(lái)感受周?chē)h(huán)境反射回來(lái)的紅外光，從而實(shí)現(xiàn)夜視功能。

普通成像與紅外熱成像如圖9所示。本系統(tǒng)采用被動(dòng)紅外攝像機(jī)，成像畫(huà)面見(jiàn)圖9(b)。成像畫(huà)面直接反映了環(huán)境的溫度分布，能夠發(fā)現(xiàn)普通視覺(jué)無(wú)法察覺(jué)的設(shè)備異常溫度狀況。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)機(jī)柜等設(shè)備存在異常溫度時(shí)，及時(shí)向巡檢系統(tǒng)服務(wù)端發(fā)出報(bào)警。

(a) 普通成像

(b) 紅外熱成像圖9 普通成像與紅外熱成像

3.3 儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是巡檢平臺(tái)的智能化部分，通過(guò)二維碼定位，完成對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息。在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來(lái)表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過(guò)圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀,以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。它具有條碼技術(shù)的一些共性，每種碼制有其特定的字符集，每個(gè)字符占有一定的寬度，并具有一定的校驗(yàn)功能等，同時(shí),還具有對(duì)不同行的信息自動(dòng)識(shí)別功能以及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化等特點(diǎn)。常見(jiàn)的一種矩陣式二維碼QR CODE最多可以存儲(chǔ)數(shù)千個(gè)字母者數(shù)字，完全滿足本系統(tǒng)對(duì)儀表標(biāo)簽的要求。圖10是一個(gè)標(biāo)簽示例。實(shí)際應(yīng)用中，該標(biāo)簽中會(huì)包含上方9個(gè)指示燈及4個(gè)旋鈕相對(duì)該標(biāo)簽的位置等信息。利用從標(biāo)簽中獲取的信息及識(shí)別指示燈及旋鈕的形狀、顏色等信息，系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)的分割。

3.4 機(jī)械臂控制系統(tǒng)

機(jī)械臂放置在車(chē)輛中央平衡重心,采用三軸自由度專(zhuān)用機(jī)械結(jié)構(gòu)，末端附加單點(diǎn)觸覺(jué)傳感。三軸自由度需要1個(gè)上下移動(dòng)自由度(對(duì)齊按鈕)、1個(gè)徑向伸縮自由度(點(diǎn)擊按鈕或補(bǔ)齊小車(chē)定位誤差距離)和1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(補(bǔ)齊小車(chē)旋轉(zhuǎn)誤差)。其機(jī)械安裝見(jiàn)圖11，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12，主要參數(shù)及傳感器控制見(jiàn)圖13。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)部分包括三自由度、底座旋轉(zhuǎn)、平臺(tái)升降及觸點(diǎn)伸縮。

圖10 儀表標(biāo)簽

圖11 機(jī)械臂安裝

馬達(dá)直連外置-BC 馬達(dá)直連內(nèi)置-M馬達(dá)左折-BL 馬達(dá)右折-BR

(a) 主要參數(shù)規(guī)格(b) 傳感器接線(c) 速度與行程

3.5 自動(dòng)充電系統(tǒng)

自動(dòng)充電系統(tǒng)要求機(jī)器人在自主巡航狀態(tài)下檢測(cè)到自身電量不足時(shí)，能自動(dòng)回到充電樁充電。通過(guò)SLAM地圖構(gòu)建與標(biāo)簽輔助定位，巡檢平臺(tái)能夠自主規(guī)劃路徑到充電樁位置，但完成充電需要機(jī)器人與充電樁進(jìn)行物理充電接口對(duì)接，這便要求更加精確的定位與控制。

系統(tǒng)采用多組紅外收發(fā)器組合定位的方案實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接。首先，在機(jī)器人端會(huì)有接收紅外編碼的紅外接收三極管，在檢測(cè)到特定頻率的載波紅外信號(hào)時(shí)會(huì)有電平輸出。一般常見(jiàn)的載波頻率有38 kHz和56 kHz兩種。而自動(dòng)充電座里面就是紅外發(fā)射管，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，使二極管通電斷電，不斷地發(fā)出紅外光線，并且頻率通常和接收端匹配，也就是38 kHz或者是56 kHz的占空比為50%的PWM波形，利用載波傳遞數(shù)據(jù)。

不同的紅外發(fā)射管發(fā)射不同的編碼信息，多個(gè)接收管通過(guò)判斷接收到的信號(hào)來(lái)推算此時(shí)機(jī)器人與充電座的相對(duì)位置，對(duì)自己的姿態(tài)進(jìn)行矯正,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。圖14為自動(dòng)充電示意圖。充電樁上有4個(gè)紅外發(fā)射管，機(jī)器人上有4個(gè)紅外接收管。

3.6 信息系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人平臺(tái)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與巡檢系統(tǒng)服務(wù)器相連，完成視頻及其他信息的交互。信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人將監(jiān)控視頻畫(huà)面實(shí)時(shí)上傳至巡檢系統(tǒng)服務(wù)器，并實(shí)時(shí)報(bào)告自身的位置及上傳SLAM構(gòu)建的地圖數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到儀表時(shí)，將儀表狀態(tài)及時(shí)上傳。此外,機(jī)器人接收服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令，包括人工規(guī)劃的路徑、運(yùn)行及云臺(tái)控制信息、強(qiáng)制返回充電等。

巡檢服務(wù)器支持連接多臺(tái)終端，實(shí)現(xiàn)多終端根據(jù)權(quán)限訪問(wèn)巡檢機(jī)器人采集的信息或?qū)C(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)論

本礦井變電所機(jī)器人巡檢平臺(tái)采用了“機(jī)械臂+攝像頭+多種傳感器+中控+機(jī)器人+巡檢管理平臺(tái)”的巡檢方式,大大節(jié)省人力及管理成本,真正實(shí)現(xiàn)了變電所無(wú)人化管理,基本滿足了國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局提出的要求。