摘要：隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺作為其中的重要組成部分，已經(jīng)在各個領(lǐng)域取得了顯著成果，為電力巡檢工作的自動化和智能化提供了新的可能性。基于機(jī)器視覺，設(shè)計了一款電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的自動化巡檢和數(shù)據(jù)分析，從而提高巡檢效率、降低成本，保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；電力巡檢；機(jī)器人系統(tǒng)；自動化

中圖分類號：TP242；TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著變電站規(guī)模的日益壯大，如何保證其平穩(wěn)運(yùn)行面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時，也使得巡檢工作的執(zhí)行變得愈發(fā)困難?，F(xiàn)階段的變電站主要依賴于人工巡檢，但這常常導(dǎo)致誤檢和漏檢等問題的發(fā)生，進(jìn)而可能造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。此外，還有一部分變電站采用了遠(yuǎn)程監(jiān)視技術(shù)作為巡檢方式，然而在此過程中往往會出現(xiàn)一些監(jiān)控盲點(diǎn)，并且由于遠(yuǎn)程監(jiān)視受到通信帶寬的制約，因此難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的普及應(yīng)用。

1 機(jī)器視覺原理

機(jī)器視覺主要是基于收集、處理和解讀圖像信息，以達(dá)成對特定對象的辨識、解析和理解。在實(shí)際實(shí)施機(jī)器視覺的過程中，主要涵蓋了三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括圖像捕捉、圖像處理和圖像辨識。①圖像捕捉是指利用攝像頭等設(shè)備，獲取目標(biāo)物體的圖像信息，并將這些圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號；②圖像處理則是針對圖像進(jìn)行預(yù)先處理、強(qiáng)化、壓縮等一系列操作，以期能更有效地進(jìn)行后續(xù)的圖像辨識與解析工作；③圖像辨識則是借助計算機(jī)算法，從圖像中抽取特征并進(jìn)行分類，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的精確識別與深入分析。借助于機(jī)器視覺系統(tǒng)，研究人員可以實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備與線路的自動化識別、檢測與分析，對電力設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與預(yù)警，進(jìn)而提高電力運(yùn)維的效率與穩(wěn)定性[1]。

2 機(jī)器視覺在電力巡檢中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電力巡檢方式通常需要大量的人力、物力，而且存在巡檢過程中的盲區(qū)和安全隱患。機(jī)器視覺通過攝像頭獲取實(shí)時圖像或視頻，對電力設(shè)備進(jìn)行自動識別、分析和評估，大大提高了巡檢效率和準(zhǔn)確性。首先，機(jī)器視覺在電力巡檢中可以實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的自動識別。傳統(tǒng)的巡檢方式需要巡檢人員逐一目測，存在漏檢和誤檢的情況，而機(jī)器視覺可以通過圖像處理算法實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的自動識別，識別準(zhǔn)確率高，能夠快速找到電力設(shè)備的位置。其次，機(jī)器視覺可以實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的狀態(tài)評估。通過對電力設(shè)備的圖像進(jìn)行分析，可以實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況并及時報警。例如，溫濕度傳感器和溫振變送器可以檢測設(shè)備的溫度、濕度、震動等參數(shù)，判斷設(shè)備是否存在故障風(fēng)險，為運(yùn)維人員提供及時的參考。另外，機(jī)器視覺在電力巡檢中還可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備周圍環(huán)境的監(jiān)測。電力設(shè)備往往安裝在復(fù)雜的環(huán)境中，存在雜草覆蓋、異物堆積等情況，這些都可能影響設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 充電房模塊設(shè)計

在充電房模塊的設(shè)計中，首要任務(wù)便是將充電房打造成為機(jī)器人的自動充電站點(diǎn)。為了能夠構(gòu)建一個設(shè)施齊全的充電房，選擇設(shè)備區(qū)域的中心地帶作為理想的建設(shè)場所，以便讓巡檢機(jī)器人能夠隨時隨地得到充足的電力補(bǔ)給，從而有效規(guī)避機(jī)器人因長時間工作而導(dǎo)致電量耗盡的潛在風(fēng)險。此外，為了便于鋪設(shè)電線電纜，在充電房的底部鋪設(shè)了一層厚實(shí)的水泥地面，以防止可能出現(xiàn)的地面下沉。標(biāo)準(zhǔn)地基的尺寸為3.0 m×3.0 m（長×寬），在底部增加了10 cm的墊層，并設(shè)置了排水孔，確保充電房內(nèi)不會出現(xiàn)積水的情況。充電房的建設(shè)工作完成之后，通過接地線將其與接地體或者附近的電纜溝緊密相連，以防止高壓帶電設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)電[3]。

3.2 本體機(jī)械模塊設(shè)計

在制作機(jī)器人本體機(jī)械模塊的過程中，對驅(qū)動系統(tǒng)單元、本體單元以及電源單元等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都進(jìn)行了周密的規(guī)劃和專業(yè)的設(shè)計。驅(qū)動系統(tǒng)單元選擇靈活、可靠的電動機(jī)來驅(qū)動，主要采用輪轂電機(jī)這一創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密的驅(qū)動功能。為滿足機(jī)器人巡檢作業(yè)的獨(dú)特需求，選擇一種應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)的電動車輪轂電機(jī)，并且根據(jù)實(shí)際工況對其尺寸參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以確保其達(dá)到最佳性能。DMK28-DEC2838微型轉(zhuǎn)向電機(jī)具有出色的性能表現(xiàn)，以及低噪聲和高扭矩兩大優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過嚴(yán)格的動平衡校正后，其能夠穩(wěn)定運(yùn)行且不會產(chǎn)生任何振動現(xiàn)象，并對電機(jī)外表面進(jìn)行電鍍處理，防止生銹以及其他可能的污染問題。

設(shè)計轉(zhuǎn)向電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程主要通過選取合適的編碼器、聯(lián)軸器和減速器等關(guān)鍵零部件，將其產(chǎn)生的驅(qū)動力有效傳遞至輪叉部位，然后與機(jī)器人的力矩輸出軸進(jìn)行緊密銜接。設(shè)計電機(jī)支撐板，以確保轉(zhuǎn)向電機(jī)能夠穩(wěn)定地安裝在連接架上。輪轂電機(jī)固定于輪叉上，并且憑借連接支架在機(jī)器人車體上固定整個運(yùn)動機(jī)構(gòu)。采用以上固定方式，并精確控制轉(zhuǎn)向電機(jī)，就能實(shí)現(xiàn)對車輪轉(zhuǎn)角的精確定制，還可以利用編碼器將車輪轉(zhuǎn)向角的相關(guān)信息反饋給控制單元。通過控制轉(zhuǎn)向電機(jī)和輪轂電機(jī)，機(jī)器人能夠達(dá)到靈活、迅速的移動效果。本文所選的編碼器為12位編碼器，型號為EAC90P15BS6XPCR-4096；聯(lián)軸器采用了鼓形齒式聯(lián)軸器，型號為GICL-23；減速器選擇了輕載模塊化減速器，型號為H/B36。

為確保數(shù)據(jù)交互和信息采集等功能的順利實(shí)現(xiàn)，整合了兩大核心組成部分：雙視云臺和移動載體。雙視云臺主要采用了先進(jìn)的非接觸式監(jiān)測技術(shù)，即雙視紅外監(jiān)測設(shè)備。該設(shè)備具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，在預(yù)先設(shè)定的位置上高效獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；通過在機(jī)體上安裝無線通信設(shè)備，可以實(shí)時監(jiān)控輸變設(shè)備的運(yùn)行狀況。移動載體主要職責(zé)是搭載導(dǎo)航設(shè)備與可視設(shè)備，使機(jī)器人能夠在預(yù)設(shè)的路徑和限定范圍內(nèi)自由、靈活地運(yùn)動[4]。

電源能實(shí)現(xiàn)包括自檢報警、實(shí)時監(jiān)測電源使用情況以及對電源狀況的精確檢測等功能。為滿足需求，構(gòu)造了兩大重要模塊，分別為本體承載電源模塊和電源管理模塊。其中，電源管理模塊的主要職責(zé)是時刻監(jiān)控機(jī)器人的剩余電量，一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)器人電量即將耗盡，該模塊會立刻發(fā)出警示信號，同時啟動自動充電程序。此時，機(jī)器人能夠自主地搜索并尋找周圍的充電設(shè)備，以進(jìn)行高效便捷的充電操作。此外，電源管理模塊所選用的芯片型號為TC1185-5.0VCT713，電源管理模塊電路如圖1所示。

4 系統(tǒng)自動化設(shè)計

4.1 自動路徑規(guī)劃

通過自動路徑規(guī)劃，機(jī)器人可以在復(fù)雜的電力設(shè)備環(huán)境中有效地規(guī)劃最佳巡檢路徑，以確保電力設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。在電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，需要考慮電力設(shè)備的復(fù)雜性和空間限制等因素，因此需要選擇適合對應(yīng)場景的路徑規(guī)劃算法。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的巡檢任務(wù)和場景特點(diǎn)選擇不同算法，以保證機(jī)器人能夠高效地完成巡檢任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，路徑規(guī)劃算法需要與地圖數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合，以獲取準(zhǔn)確的環(huán)境信息和實(shí)時的位置數(shù)據(jù)。通過不斷地優(yōu)化策略，使機(jī)器人在規(guī)劃路徑時更加智能和高效[5]。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制

遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的實(shí)時監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，從而提高系統(tǒng)的效率和安全性。在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，操作人員可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時查看機(jī)器人的位置、狀態(tài)和運(yùn)行情況，以及傳感器采集的數(shù)據(jù)，從而及時發(fā)現(xiàn)問題并做出相應(yīng)處理。在遠(yuǎn)程控制方面，操作人員可以通過遠(yuǎn)程控制臺對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如遙控機(jī)器人的移動、打開關(guān)閉設(shè)備、調(diào)整傳感器參數(shù)等。在電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制的實(shí)現(xiàn)主要依賴于通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)。通信技術(shù)包括有線通信和無線通信兩種方式，有線通信通常采用以太網(wǎng)或者串口連接；無線通信通常采用Wi-Fi、藍(lán)牙或者4G/5G等無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。通過這些通信方式，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心的數(shù)據(jù)傳輸和命令交互。軟件系統(tǒng)方面，需要設(shè)計一個可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制界面，使操作人員可以直觀地監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)、獲取數(shù)據(jù)并下發(fā)指令。遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制的實(shí)現(xiàn)需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時性和安全性。在設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制系統(tǒng)時，需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和帶寬要求，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

本文探討了一種以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的全自動設(shè)計方案，深度挖掘并發(fā)揮機(jī)器視覺在電力巡檢領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢。本設(shè)計涵蓋了系統(tǒng)整體構(gòu)架、傳感器選用及集成、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的實(shí)際運(yùn)用等多個層面，最終成功實(shí)現(xiàn)了自動路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)分析與報表生成以及遠(yuǎn)程監(jiān)控與操控等多樣化的功能。在經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗驗證與高效的性能評估之后，此系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的性能，極大地提升了電力巡檢工作的效率與精確度，為電力產(chǎn)業(yè)向智能化方向的轉(zhuǎn)型升級提供了有力的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉勝峰，楊學(xué)成，王子俊.基于機(jī)器視覺的核電廠巡檢機(jī)器人冷卻設(shè)備水跡檢測方法[J].智能物聯(lián)技術(shù)，2024，56（2）：122-125.

[2] 黃松濤.基于機(jī)器視覺的電力巡檢機(jī)器人自動化系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2024，43（1）：35-38，43.

[3] 黃嘉東，廖俊蓉.電力機(jī)房智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（15）：179-181.

[4] 王浚哲.基于計算機(jī)視覺的巡檢機(jī)器人模擬儀表示數(shù)識別研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[5] 楊權(quán)，樊紹勝. 基于圖像預(yù)處理和語義分割的電力巡檢機(jī)器人視覺導(dǎo)航方法[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2023，38（6）：248-258.