劉正勝 孟濤 安桂敏 錢(qián)澤中 瞿文龍

一、智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

變電站巡檢機(jī)器人設(shè)備包含多重技術(shù)：電磁兼容技術(shù)、多傳感融合技術(shù)、導(dǎo)航、模式識(shí)別技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)[1-2]。因此采用分層控制，具體來(lái)說(shuō)，就是遠(yuǎn)程集控、本地監(jiān)控和移動(dòng)站控制三層。遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)層安裝在調(diào)度或集控中心，用來(lái)統(tǒng)一管理、監(jiān)控多個(gè)變電站的機(jī)器人巡檢系統(tǒng)[3-5]。本地監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)站控制系統(tǒng)都在變電站，本地監(jiān)控主要是用來(lái)操控機(jī)器人的，而移動(dòng)站控制是配合本地監(jiān)控，用來(lái)開(kāi)展具體工作的。

移動(dòng)站由兩部分組成：移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、工作子系統(tǒng)。

移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)構(gòu)成：PC104主板、PMAC2A-104運(yùn)動(dòng)控制卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

工作子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成機(jī)器人在巡視過(guò)程中需要做的工作。

二、智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)功能

變電站機(jī)器人巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備巡視功能，可制定巡檢計(jì)劃，對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)備開(kāi)展設(shè)備外觀(guān)檢查、表計(jì)讀取、紅外測(cè)溫、聲音檢測(cè)等巡視工作，或通過(guò)人工遙控操作，對(duì)指定設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視及遠(yuǎn)程視頻指導(dǎo)等工作。巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)分析和管理功能，可查詢(xún)歷次巡檢計(jì)劃編制、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表生成情況，可獲得歷史巡檢軌跡曲線(xiàn)，可開(kāi)展設(shè)備測(cè)溫、刀閘分合狀態(tài)判斷、懸掛異物判斷、聲音判斷等缺陷、故障診斷工作，并對(duì)異常情況報(bào)警。巡檢系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足技術(shù)條件要求。

三、智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)基本工作原理

智能巡檢機(jī)器人由紅外熱成像技術(shù)原理，模糊控制原理，卡爾曼濾波原理三個(gè)基本的工作原理組成[6-7]。

紅外熱成像技術(shù)原理：通過(guò)吸收紅外福射能量，測(cè)出設(shè)備表面的溫度和溫度場(chǎng)的分布，可以清晰的判斷出設(shè)備是不是發(fā)熱，并能在紅外測(cè)溫儀上看出來(lái)，使效果直觀(guān)顯現(xiàn)出來(lái)。

模糊控制原理：以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一類(lèi)計(jì)算機(jī)控制策略，是一種非線(xiàn)性控制。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理和清晰化(或稱(chēng)去模糊化)4個(gè)功能模塊組成。

卡爾曼濾波(Kalman filtering)采用由狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程組成的線(xiàn)性隨機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型來(lái)描述濾波器，并利用狀態(tài)方程的遞推性，按線(xiàn)性無(wú)偏最小均方誤差估計(jì)準(zhǔn)則，采用一套遞推算法對(duì)該濾波器的狀態(tài)變量作最佳估計(jì)，從而求得濾掉噪聲的有用信號(hào)的最佳估計(jì)。

四、智能巡檢機(jī)器人巡檢方式

智能巡檢機(jī)器人巡檢應(yīng)包含正常巡檢、特殊巡檢、故障巡檢[8]。

正常巡檢：運(yùn)行單位根據(jù)變電站巡檢計(jì)劃，安排機(jī)器人對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行周期性的巡檢工作；正常巡檢中，變電站巡檢機(jī)器人一般應(yīng)完成室外部分各類(lèi)一次設(shè)備的巡視，無(wú)法安排機(jī)器人安全到達(dá)的區(qū)域除外；各項(xiàng)巡檢內(nèi)容可以單獨(dú)進(jìn)行也可以根據(jù)需要組合進(jìn)行。

特殊巡檢：該巡檢適用情景，如系統(tǒng)大負(fù)荷及高溫時(shí)；設(shè)備經(jīng)過(guò)檢修、試驗(yàn)、改造或長(zhǎng)期停用，重新投入運(yùn)行及新安裝設(shè)備投入運(yùn)行；惡劣天氣、自然災(zāi)害、外力影響發(fā)生前、后；法定節(jié)假日和上級(jí)通知有重要保供電任務(wù)期間；設(shè)備操作需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視或遠(yuǎn)程視頻指導(dǎo)時(shí)；熄燈夜巡時(shí)。特殊巡檢計(jì)劃應(yīng)根據(jù)具體巡檢任務(wù)和巡檢目的制訂。特殊巡檢宜全程人工遠(yuǎn)程監(jiān)控，同步進(jìn)行巡檢數(shù)據(jù)檢查與復(fù)核。如果現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不利于巡檢工作繼續(xù)開(kāi)展或機(jī)器人行為異常，應(yīng)立即中止巡檢。

故障巡檢：設(shè)備發(fā)生故障，現(xiàn)場(chǎng)情況不明或人員去現(xiàn)場(chǎng)查看存在人身傷害風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)全程人工遠(yuǎn)程監(jiān)控；設(shè)備帶電運(yùn)行，但存在尚未消除的缺陷或隱患，需要定期跟蹤巡檢時(shí)。故障巡檢計(jì)劃應(yīng)根據(jù)具體巡檢任務(wù)和巡檢目的制訂?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不利于巡檢工作繼續(xù)開(kāi)展或機(jī)器人行為異常，應(yīng)立即中止巡檢。

五、實(shí)例分析

本文針對(duì)220kV某變電站開(kāi)展了機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用。

（一）機(jī)器人巡檢系統(tǒng)路徑設(shè)置

1、錄制地圖

首先要對(duì)變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，確定原點(diǎn)和路線(xiàn)。在某些較大的站，如500kV站，機(jī)器人電量可能支撐不了地圖錄制完成，通常需要分區(qū)域錄制。分區(qū)域錄制時(shí)，需要確定原點(diǎn)坐標(biāo)（首次錄制時(shí)的機(jī)器人起點(diǎn)），每個(gè)區(qū)域均從這個(gè)點(diǎn)啟動(dòng)錄制。如圖1所示，將該站分為3個(gè)區(qū)域，原點(diǎn)在三區(qū)域交匯處。

圖1 大型變電站原點(diǎn)確定方法

為了方便后期制作路徑，盡量保證機(jī)器人走過(guò)所有需要巡檢的路線(xiàn)，盡量在區(qū)域內(nèi)有路徑閉環(huán)。其閉環(huán)的解釋如圖2所示：

圖2 閉合路徑掃描示意圖

機(jī)器人以路徑1-2-3-4掃描云龍東線(xiàn)，這就是一個(gè)閉環(huán)。掃描云龍西線(xiàn)時(shí)，緊接著云龍東線(xiàn)掃描路徑以1-5-6-7-2，同理龍團(tuán)一線(xiàn)以路徑5-8-9-10-6。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在小范圍內(nèi)需要掃回起始點(diǎn)。至于以哪種路徑方式可以靈活選擇，掃圖時(shí)機(jī)器人可以前進(jìn)/后退進(jìn)行，但操作者不能遮擋激光（操作者需在機(jī)器人前方操作）。

使用平板軟件連接機(jī)器人，將機(jī)器人放在原點(diǎn)處（在錄制地圖前，先標(biāo)記車(chē)頭朝向），用運(yùn)動(dòng)按鍵控制機(jī)器人按照勘察好的路線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在錄圖過(guò)程中需要關(guān)注機(jī)器人是否處于開(kāi)啟錄制狀態(tài)，如果錄制狀態(tài)被異常關(guān)閉，需要將機(jī)器人移動(dòng)至關(guān)閉時(shí)刻的那個(gè)點(diǎn)，并重新開(kāi)啟錄制功能。

2、制作路徑

在實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中，變電站面積較大，需要巡檢的路徑也很長(zhǎng)，在機(jī)器人0.5m/s的運(yùn)動(dòng)速度下，很可能掃描時(shí)間超長(zhǎng)，增加調(diào)試人員在戶(hù)外的時(shí)間。所以，我們可以采取分區(qū)域的方式來(lái)進(jìn)行掃圖，以減少一次錄圖的文件大小，降低出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。同時(shí)，也可以分時(shí)間，分進(jìn)度等靈活進(jìn)行調(diào)試。分區(qū)域掃圖需要確定掃圖的開(kāi)始點(diǎn)（即原點(diǎn)）。原點(diǎn)的位置宜選擇所有分區(qū)的中心位置，以便以最小的路程到達(dá)需要掃描的區(qū)域，節(jié)省時(shí)間。

掃描地圖需要把機(jī)器人將要巡檢的路線(xiàn)全部掃描一次，并且因激光定位的特殊性，最好能夠圍繞設(shè)備轉(zhuǎn)一圈形成閉環(huán)，以保證掃描的全面性。同時(shí)，在開(kāi)始錄制地圖前，規(guī)劃好路徑，以減少走重復(fù)路的情況，減少調(diào)試時(shí)間。

以主變區(qū)域?yàn)槔谱髀窂剑鐖D3所示。

圖3 主變路徑制作

如果遇到無(wú)法形成閉環(huán)的情況（斷頭路），到達(dá)路徑端點(diǎn)后，將機(jī)器人調(diào)頭，換一個(gè)方向?qū)C(jī)器人退出該路徑。

制作方法：

加載地圖：

打開(kāi)《DrawPathTool.exe》軟件，通過(guò)“文件-打開(kāi)”選擇《navigation.yaml》文件，軟件將呈現(xiàn)掃描的地圖。

參考路徑：

通過(guò)“文件-加載參考路徑”選擇《navigation.path》文件，軟件將呈現(xiàn)掃圖時(shí)機(jī)器人運(yùn)行的軌跡。如圖4虛線(xiàn)所示：

圖4 參考路徑

圖4中圓圈為原點(diǎn)，箭頭為方向。

基本路徑：

點(diǎn)擊“繪制”功能，在地圖上點(diǎn)擊左鍵確認(rèn)路徑端點(diǎn)，移動(dòng)鼠標(biāo)確認(rèn)路徑長(zhǎng)度和角度，點(diǎn)擊右鍵取消路徑操作。此時(shí)可以參考原始軌跡，如圖5所示：

圖5 基本路徑1

在繪制地圖時(shí)，需要注意機(jī)器人起點(diǎn)位置必須由原點(diǎn)位置開(kāi)始，第一條由原點(diǎn)開(kāi)始的路徑最好以原點(diǎn)車(chē)頭方向?yàn)槁窂竭\(yùn)動(dòng)方向。

如果路徑需要做微小調(diào)整時(shí)，可以點(diǎn)擊“編輯”，左鍵按住端點(diǎn)（圓圈），使用鍵盤(pán)上、下、左、右鍵可以實(shí)現(xiàn)路徑一次5cm移動(dòng)。

在交叉路口處，可使用“增加點(diǎn)”來(lái)實(shí)現(xiàn)交叉繪制，如圖6所示：

圖6 基本路徑2

在彎道，需要保證半徑在1m以上，且彎道上不能執(zhí)行runto命令。如圖7所示：

圖7 基本路徑3

在某些有縫隙的蓋板路中，機(jī)器人運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生探溝報(bào)警，這種情況需要通過(guò)調(diào)整路徑來(lái)規(guī)避，在該處路徑設(shè)置成曲線(xiàn)路徑，使機(jī)器人探溝光束不會(huì)持續(xù)照射到蓋板路縫隙中。

3、路徑驗(yàn)證

在完成地圖下發(fā)后，將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至零點(diǎn)位置，通過(guò)CLI發(fā)送clear pos命令后，復(fù)位機(jī)器人位置，開(kāi)始地圖驗(yàn)證。地圖驗(yàn)證是驗(yàn)證機(jī)器人在巡線(xiàn)路徑時(shí)，是否按照實(shí)際需要行走。如果出現(xiàn)偏差，根據(jù)偏差情況對(duì)路徑端點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

如圖8中設(shè)置路徑為紅色，但機(jī)器人實(shí)際走的路徑為黃色：

圖8 路徑驗(yàn)證

此時(shí)實(shí)際路徑相對(duì)于規(guī)劃路徑向右偏差15cm，故此時(shí)我們需要將路徑向左調(diào)整15cm，調(diào)整后下發(fā)給機(jī)器人。

此時(shí)只需要點(diǎn)擊單獨(dú)下發(fā)路徑到機(jī)器人即可，以避免機(jī)器人重啟，耽誤調(diào)試時(shí)間。下發(fā)后，再次驗(yàn)證機(jī)器人是否按照設(shè)置路徑行走。并且同時(shí)下發(fā)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

如果機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的位置發(fā)生偏移，則只需調(diào)整轉(zhuǎn)彎點(diǎn)端點(diǎn)的位置即可。

機(jī)器人在諸如坡道、凹凸路面等路面運(yùn)行時(shí)，過(guò)快的運(yùn)行速度可能損壞機(jī)器人，所以需要限制機(jī)器人運(yùn)行速度。在“激光機(jī)器人地圖錄入工具”選擇“繪制功能區(qū)域-減速區(qū)域”繪制，確定地圖中需要設(shè)置減速區(qū)域的位置，并繪制減速區(qū)域，所畫(huà)區(qū)域一定要覆蓋所有需要減速的位置。常規(guī)減速區(qū)域設(shè)置中，區(qū)域?qū)挾葹?m（在路徑兩側(cè)平均發(fā)分配）。如果路徑為弧形，區(qū)域可適當(dāng)放寬。

總結(jié)

變電站用機(jī)器人和人工搭配巡視，具有很大的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠更加精確的對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，還能夠彌補(bǔ)人工巡視帶來(lái)的不足，也會(huì)越來(lái)越適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展需求，應(yīng)用前景和發(fā)展空間是非常廣闊的，值得各大電網(wǎng)公司推廣使用。