景凱凱 袁順剛 胡林林

摘 要：變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)以自主或遙控的方式，在無(wú)人值守的環(huán)境中，完成對(duì)室外高壓設(shè)備進(jìn)行紅外溫度監(jiān)測(cè)和儀表液位的圖像識(shí)別等任務(wù)，替代人工完成巡檢中遇到的繁、難、險(xiǎn)和重復(fù)性的工作。本文介紹了變電站智能巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)組成，重點(diǎn)探討了巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，包括行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)航控制技術(shù)、視覺(jué)伺服校正技術(shù)及圖像識(shí)別等技術(shù)，展望巡檢機(jī)器人的發(fā)展方向及應(yīng)用前景，為變電站巡檢機(jī)器人的更新迭代提供參考方向。

關(guān)鍵詞：變電站;巡檢機(jī)器人;導(dǎo)航;圖像識(shí)別;關(guān)鍵技術(shù)

目前，全國(guó)多數(shù)變電站電力設(shè)備巡檢仍為人工巡檢方式。巡檢人員的巡視內(nèi)容主要包括設(shè)備溫度、儀表表計(jì)讀數(shù)、或高壓電纜的接頭狀態(tài)等，巡視內(nèi)容固定單一，巡視人員工作效率較低[1]。隨著電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求越來(lái)越高，變電站使用智能化設(shè)備的必要性也越來(lái)越強(qiáng)，能夠使用一套既能對(duì)變電站設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，又能對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行全面綜合分析和比較的智能化無(wú)軌機(jī)器人系統(tǒng)，是非常必要的。

近年來(lái)，隨著變電站巡檢機(jī)器人持續(xù)深化應(yīng)用，機(jī)器人已可代替人工完成變電站高壓變電設(shè)備的所有巡檢作業(yè)。采用變電站巡檢機(jī)器人可提高變電站的數(shù)字化程度和全方位監(jiān)控的自動(dòng)化水平，有效保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行，提高安全生產(chǎn)工作效率和質(zhì)量[2]。

1 變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)分為三層體系架構(gòu)，分別為：車載子系統(tǒng)、本地監(jiān)控后臺(tái)及遠(yuǎn)程集控后臺(tái)。車載子系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)與本地監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息交互，遠(yuǎn)程集控后臺(tái)通過(guò)申請(qǐng)的電網(wǎng)專網(wǎng)對(duì)本地監(jiān)控后臺(tái)、車載子系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)下派、狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理。車載子系統(tǒng)由控制單元、導(dǎo)航單元、行走機(jī)構(gòu)、供電單元及傳感單元組成，其中傳感單元包括云臺(tái)、可見(jiàn)光相機(jī)、紅外熱像儀及拾音檢測(cè)裝置。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)是巡檢機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)的基礎(chǔ)，控制機(jī)器人前進(jìn)、后退，轉(zhuǎn)彎及停止動(dòng)作，行走機(jī)構(gòu)根據(jù)移動(dòng)方式的不同，可分為履帶式、軌道式和輪式三種，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)景，其中輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在變電站巡檢機(jī)器人中被廣泛使用。

（1）履帶式行走機(jī)構(gòu)。履帶式行走機(jī)構(gòu)[3]可以在凸凹不平的路面上行走，也可以攀爬臺(tái)階、翻越溝壑，具有較強(qiáng)越障能力，適用于松軟或泥濘的地面，對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，但由于沒(méi)有自位輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)只能靠左、右兩個(gè)履帶的速度差轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎過(guò)程中不僅會(huì)出現(xiàn)橫向滑動(dòng)，在前進(jìn)方向上也會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)彎阻力大，無(wú)法準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)轉(zhuǎn)彎速度較慢，靈活性較差，對(duì)于擁有狹窄路面和蓋板路的變電站場(chǎng)所不太適用。

（2）軌道式行走機(jī)構(gòu)。軌道式行走機(jī)構(gòu)是在固定的軌道上移動(dòng)的裝置，根據(jù)規(guī)劃的路線預(yù)先敷設(shè)軌道，機(jī)器人可以移動(dòng)到軌道上任何位置，具有定位精度高，移動(dòng)安全、易于控制等特點(diǎn)，但由于軌道固定，機(jī)器人運(yùn)行軌跡單一，靈活性較差，適用于變電站控制室、配電室等環(huán)境。

（3）輪式行走機(jī)構(gòu)。輪式行走機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)平穩(wěn)、能耗小，以及容易控制移動(dòng)速度和方向等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)類型分為兩輪驅(qū)動(dòng)型和四輪驅(qū)動(dòng)型，相比兩輪驅(qū)動(dòng)，四輪驅(qū)動(dòng)具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和轉(zhuǎn)彎靈活性，為了適應(yīng)變電站中的石板路、水泥路、電纜溝蓋板、草地、石子路等多種不同的路況，已有電力企業(yè)推出四驅(qū)四轉(zhuǎn)巡檢機(jī)器人，通過(guò)增加轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人原地平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，有效保護(hù)車體內(nèi)部回路，延長(zhǎng)車載設(shè)備部件的使用壽命，此外，行走機(jī)構(gòu)配備獨(dú)立懸掛減震系統(tǒng)，每側(cè)車輪單獨(dú)通過(guò)彈性懸掛于車身下，降低重心、減小車身振動(dòng)和沖擊，可實(shí)現(xiàn)自由穿行崎嶇路面。

2.2 導(dǎo)航控制技術(shù)

導(dǎo)航控制技術(shù)是巡檢機(jī)器人自主行走的基礎(chǔ)，目前常用的導(dǎo)航控制技術(shù)有：視覺(jué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航等。

（1）視覺(jué)導(dǎo)航。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)的迅速發(fā)展，視覺(jué)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域開(kāi)始廣泛應(yīng)用，視覺(jué)導(dǎo)航就是利用一只或多只攝像機(jī)采集周圍環(huán)境下的圖像信息，通過(guò)圖像技術(shù)提取圖像中特征點(diǎn)信息，并通過(guò)不同幀之間的圖像不斷進(jìn)行特征點(diǎn)匹配計(jì)算進(jìn)行特征點(diǎn)跟蹤，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)變換，從而獲得機(jī)器人在環(huán)境中的位置坐標(biāo)，完成自主導(dǎo)航定位，但該方法數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜、定位實(shí)時(shí)性較差，并且易受光線、煙霧及雨天的影響，因此，多與其他定位導(dǎo)航方式組合使用。

（2）慣性導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航是一種不依賴于外界環(huán)境信息，僅依靠自身慣性元件獲取車體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的導(dǎo)航方法，通常采用陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量機(jī)器人加速度和航向角，將加速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分并變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，獲得機(jī)器人的速度、偏航角和位置等信息，具有數(shù)據(jù)更新率高、短期精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于導(dǎo)航信息要經(jīng)過(guò)積分而產(chǎn)生，定位誤差會(huì)隨時(shí)間而累積，需要定期進(jìn)行校正，消除累積誤差，因此通常與其他導(dǎo)航方式組合使用。

（3）激光雷達(dá)導(dǎo)航。激光雷達(dá)導(dǎo)航是應(yīng)用2D或3D激光雷達(dá)掃描周圍環(huán)境信息形成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以第一幀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)后一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加到前面幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原則，進(jìn)而形成全局地圖，機(jī)器人自主運(yùn)行時(shí)，激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地圖進(jìn)行匹配，確定機(jī)器人在全局地圖中的坐標(biāo)位置，根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)在地圖中的坐標(biāo)位置，規(guī)劃一系列漸進(jìn)目標(biāo)點(diǎn)，控制機(jī)器人左、右兩邊車輪的速度，使機(jī)器人直線行走到目標(biāo)點(diǎn)，完成導(dǎo)航。激光雷達(dá)具有測(cè)距精度高、受光線影響小、抗電磁干擾強(qiáng)，地面施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此在無(wú)人駕駛汽車或智能巡檢機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 視覺(jué)伺服校正技術(shù)

機(jī)器人定位導(dǎo)航精度和云臺(tái)控制精度都存在一定的誤差，在機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)過(guò)程中，可見(jiàn)光相機(jī)調(diào)取相機(jī)參數(shù)獲取設(shè)備圖像時(shí)會(huì)出現(xiàn)設(shè)備并未在視場(chǎng)中心，甚至偏差視場(chǎng)，導(dǎo)致獲取設(shè)備圖像識(shí)別，由此出現(xiàn)了一種基于設(shè)備模板庫(kù)的視覺(jué)伺服控制技術(shù)，依據(jù)機(jī)器人的云臺(tái)預(yù)置位，驅(qū)動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)相機(jī)焦距和倍率，形成自動(dòng)巡檢模式下大視場(chǎng)的設(shè)備小圖，比對(duì)模板庫(kù)中的設(shè)備小圖，提取目標(biāo)圖像位置的像素差，計(jì)算視場(chǎng)中的水平及垂直角度偏差，控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使目標(biāo)向視場(chǎng)中心偏移，校正因?qū)Ш胶驮婆_(tái)控制誤差產(chǎn)生的目標(biāo)點(diǎn)偏離，此校正過(guò)程雖然可以糾偏，但增加了巡檢時(shí)間，降低了巡檢效率，如何實(shí)現(xiàn)快速地伺服校正成為當(dāng)前巡檢機(jī)器人技術(shù)提升的重點(diǎn)。

2.4 圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別是巡檢機(jī)器人的重要技術(shù)之一，決定了巡視電力設(shè)備的準(zhǔn)確性。在調(diào)試階段，利用搭載的紅外熱像儀、可見(jiàn)光相機(jī)采集紅外圖像、指針儀表圖像、設(shè)備油位圖像、刀閘、斷路器等圖像，并對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行處理建立設(shè)備模板庫(kù)，機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，監(jiān)控后臺(tái)將采集到的設(shè)備圖像與模板庫(kù)中的設(shè)備模板進(jìn)行匹配對(duì)比，最終獲得設(shè)備識(shí)別結(jié)果。對(duì)于變電站環(huán)境下，有效應(yīng)對(duì)光照變化、陰影、遮擋、低對(duì)比度、視角變化等因素的智能圖像識(shí)別技術(shù)是巡檢機(jī)器提升識(shí)別率的關(guān)鍵。

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著變電站向無(wú)人值班化及智能化方向快速發(fā)展，對(duì)變電站巡檢機(jī)器人的需求十分迫切。未來(lái)變電站巡檢機(jī)器人的研究目標(biāo)是提高巡檢機(jī)器人的智能性、運(yùn)動(dòng)靈活性以及高精度和配置簡(jiǎn)便的導(dǎo)航方式。其發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在以下方面：

3.1 高速下精確定位導(dǎo)航技術(shù)

變電站巡檢機(jī)器人為保證自主導(dǎo)航的穩(wěn)定性、采集圖像的高質(zhì)量，在執(zhí)行巡檢任務(wù)過(guò)程中停車點(diǎn)的定位精度要求更高，實(shí)際應(yīng)用中車體自主行走的速度為一般為0.6m/s，機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中大部分的時(shí)間在“趕路”，致使整站巡檢時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要大大提高自主巡檢時(shí)車體的行走速度，同時(shí)保障機(jī)器人行走過(guò)程中導(dǎo)航的平穩(wěn)性、停車時(shí)的精確性，研究一種高速下精確定位導(dǎo)航技術(shù)成為未來(lái)必然趨勢(shì)，這將大大提高巡檢的效率。

3.2 遇障智能處理技術(shù)

目前應(yīng)用的巡檢機(jī)器人在巡檢任務(wù)過(guò)程遇到障礙物時(shí)，會(huì)立即停止并發(fā)出告警，障礙物一直不消除時(shí)，機(jī)器人會(huì)一直停止不動(dòng)，需要運(yùn)維人員人工干預(yù)，此種遇障處理模式智能化較低，不利于推廣變電站的無(wú)人值守模式，因此需要研究一種遇障智能處理技術(shù)，保障機(jī)器人遇到障礙物能夠智能分析處理，在機(jī)器人遇到障礙物停車時(shí)，應(yīng)根據(jù)路面寬度及障礙物尺寸，形成多種遇障處理模式：（1）道路許可的情況下直接繞過(guò)障礙物;（2）道路不許可但有其他路線時(shí)，可選擇其他路徑繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù);（3）道路不許可也無(wú)其他路線時(shí)，機(jī)器人返回充電房，以此提升機(jī)器人的智能化水平，減小人工干預(yù)。

3.3 設(shè)備缺陷智能分析技術(shù)

變電站設(shè)備巡檢過(guò)程中，機(jī)器人利用紅外熱像儀采集設(shè)備紅外圖像并上傳監(jiān)控后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)分析設(shè)備紅外圖譜獲取設(shè)備溫度，設(shè)備溫度超過(guò)正常溫度時(shí)，巡檢機(jī)器人預(yù)警設(shè)備缺陷，但此種設(shè)備預(yù)警方法太過(guò)簡(jiǎn)單，使運(yùn)維人員無(wú)法準(zhǔn)確得知設(shè)備的缺陷類型，因此，采用設(shè)備缺陷智能分析技術(shù)，監(jiān)控后臺(tái)分析設(shè)備紅外圖像，依據(jù)缺陷判定準(zhǔn)則對(duì)設(shè)備缺陷類型、潛在故障位置和特征、嚴(yán)重程度進(jìn)行智能判斷，便于運(yùn)維人員獲得準(zhǔn)確的設(shè)備缺陷信息，制定合理高效的應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而保障設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，變電站智能巡檢機(jī)器人已經(jīng)在浙江、江蘇、山東等省電力公司中推廣應(yīng)用，從實(shí)際利用的效果來(lái)看，機(jī)器人巡檢一定程度上可以替代人工巡檢，完成日常的表計(jì)巡視、油位巡視、紅外測(cè)溫及刀閘操作狀態(tài)等工作，但依然存在施工調(diào)試周期長(zhǎng)、巡檢效率低、智能化水平較低等缺點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)變電站智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)介紹，探討巡檢機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，從而推動(dòng)巡檢機(jī)器人產(chǎn)品的更新迭代，全面提升巡檢機(jī)器人智能化水平，助力變電站巡檢機(jī)器人的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯曉東.220kV變電站機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]賢家潔，林陽(yáng)坡，賴斌，陳如洲.基于激光導(dǎo)航路徑識(shí)別的電力巡檢智能機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，12（上）.

[3]蘭依，石敏，耿昌易，何春.基于變電站巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)探析[J].人工智能與應(yīng)用，2019，11.

[4]張彩友，馮華，付崇光，肖鵬.變電站巡檢機(jī)器人GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人技術(shù)，2010，10.

[5]龔勤慧.變電站智能巡檢機(jī)器人研究綜述[J].瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，2.

[6]李紅梅，王濱海，廖文龍，王海鵬，肖鵬.基于地圖匹配的變電站巡檢機(jī)器人激光導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，01.