室内变电站设备巡检机器人关键技术研究与应用

孙显鹤 郭小凯

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海519000）

0 引言

随着机器人技术的发展，利用携带检测设备与机械臂的室内机器人巡检平台来替代人工进行室内巡检成为了可能[1]。本文在现有技术的基础上，对现有室外巡检机器人进行改造，使其能够适应室内变电站的巡检工作。

1 关键技术研究

原有巡检机器人针对室外设备区巡检需要进行设计，为适应室内巡检任务，本文将多轴联动机械臂放置到了巡检机器人本体之上。在进入室内时，通过机械臂对巡检数据进行采集，使得巡检机器人在室内空间实现最大限度的目标覆盖及数据采集。通过后台软件功能的开发，实现对不同巡检任务的拓展兼容。

由于要实现机械臂在复杂工作空间中的无死角覆盖，就必须让机器人对检测场景拥有感知能力，通过视觉反馈调整机械臂末端姿态以及接触力等方式，实现对设备的在线定位检测功能。

为保证巡检机器人在作业过程中能够精确定位[2]，通过激光导航技术进行导航。针对某些关键位置的准确停靠，特别是在长距离路径、局放监测、摆渡等过程中，对精确定位要求特别高的位置，采用射频标签识别（RFID）辅助定位。

2 室内巡检机器人导航技术与视觉定位检测技术

针对上述关键技术，本文主要阐述其中的室内机器人导航方法与视觉定位检测技术。

2.1 机器人导航技术

目前常见的定位算法有三边测量法和三角测量法，其中三角测量法的实施过程较为简单，应用较广泛。

室内巡检机器人导航控制原理如图1所示，图中ΔS和Δθ为当前运行路径的位置偏差和角度偏差。激光定位传感器预先存储环境中所有路标在全局坐标系下的坐标值，机器人导航时，定位传感器自动将检测到的路标与存储的路标匹配，进而计算得到机器人位置与航行信息。

图1 巡检机器人导航控制原理

巡检机器人导航过程中位置与航向偏差如图2所示，传感器坐标系中的x轴与机器人纵轴重合，这样激光定位得到的坐标和方向即为机器人在全局坐标系下的位置（x，y）和航向θ。

图2 巡检机器人位置及航向偏差

2.2 视觉定位与检测技术

由于室内巡检机器人工作空间有限，本文通过将多功能工具盘安装到多轴联动机械臂的末端执行器之上，从而使得巡检机器人能够更好地利用有限的工作空间。因此，要求巡检机器人能够对检测目标进行空间感知，并将感知结果反馈回多轴联动机械臂，机械臂根据视觉反馈结果做出相应的动作，让末端工具盘移动到检测位置，完成对目标的检测。

本文采用了Drost-PPF[3]算法来完成空间物体对定位的感知，该算法分离线训练和在线识别两个过程，采用了点对特征来描述点云数据的几何关系，离线训练的过程中，通过输入模型的点对特征训练匹配数据的特征描述器，而在线识别的过程中，利用模型特征描述器快速识别场景与模型的相似点对，最后通过三维霍夫投票获得检测物体在机器人坐标系中的位姿。利用视觉反馈的信息，让机械臂末端工具盘到达检测位置对目标物体进行检测。

对于不同的检测目标，只需要切换不同的模型就能完成对不同物体的检测定位，扩展了室内巡检机器人的检测功能。

3 系统方案

本文将室内巡检机器人的关键技术进行了整合，并建立了一套完整、有效的室内变电站自动化巡检流程与相关办法。通过轨道悬挂机器人来完成主要巡检作业任务，无轨激光导航地面机器人配合轨道机器人，对轨道机器人的巡检死角进行检查，通过智能巡检机器人平台软件，对两种机器人的日常巡检结果进行自动汇总、自动分析，实现趋势预判的功能。系统总框图如图3所示。

为了更好地适应室内巡检任务，无轨激光导航机器人采用蓄电池直接进行供电，并在相应巡检区域配置供电点，通过机器人智能电量监控功能，实现电池电量的自动补给。轨道式机器人采用蓄电池和滑触线相结合的方式进行供电，提高了巡检机器人系统的抗风险能力。

图3 室内巡检机器人系统总框图

4 结语

本文所示室内巡检机器人系统通过对现有室外巡检机器人进行改造来实现，可有效提高室内巡检维护效率，降低维护成本，提高作业安全性。室内自动巡检系统可替代人工完成室内变电站的巡检工作，从而减轻巡检人员的工作强度，降低企业的人力资源投入成本。