实现一种通用型室内智能巡检机器人技术应用的研究

黄炜昭

实现一种通用型室内智能巡检机器人技术应用的研究

黄炜昭

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

研究了一种通用型智能巡检机器人，通过定位导航与视觉识别技术，可以自主规划变电站内巡检作业路径。机器人搭载图像采集模块、红外采集模块、可见光采集模块与噪声采集模块，具有现场采集图像信息、信号故障自动识别、故障报警、区域温度报警、趋势分析及报警、自动生成巡检报告功能，可以满足不同变电站内自动化巡检设备的需求。

智能巡检机器人；变电站巡检；软硬件设计；技术应用

1 引言

随着时代的进步和科技的发展，现代社会是一个智能化、信息化的时代，人工智能技术已经取得了不错的成绩，智能化、机械化的机器代替烦琐的人力劳动已经逐步变成现实。机器人巡检的灵活性以及智能性，能弥补人工巡检存在的安全隐患以及效率和精度的不足，同时通过云端的大数据平台，能够实时上传设备运行数据，这种智能巡检方式不仅能节省大量的人力物力，使变电站室内设备巡检工作更加高效、科学、合理，也能在工作人员无法进入的地形中进行工作，有效地降低人工成本和维护成本。引入变电站室内设备智能巡检机器人，是更好适应时代的发展和满足未来社会需求的必要手段。

2 智能巡检机器人设计需求分析

智能巡检机器人具有广泛的应用前景，国内外许多从业人员都对巡检机器人的整体结构及软硬件设计做了大量的研究工作，智能巡检机器人的主要组成部分是激光传感器、智能云台、四驱动底盘、可见光摄像机、红外线热像仪以及其他部件。加拿大魁北克水电站研制的巡检机器人搭载红外热像仪、可见光图像采集系统，可实现对机器人的远程监控和实时控制；国家电网启用了轨道式室内智能巡检机器人，实现了不同站巡视模式，可将巡检效率提升到原先的5～7倍以上。虽然智能巡检机器人的巡检工作效率提升了，但是仍不能做到完美执行，其本身还具有一定的缺点，如灵活度不够、无法统一接口标准等。更重要的是，轨道式机器人对室内改造较大，考虑到安全性，不易推行使用。

3 巡检机器人硬件的模块化设计

巡视机器人基于对伺服电机控制实现小车本体移动操作，依照设备情况，配合操作手臂及传感器进行功能检测。按照变电站巡视要求，巡视机器人硬件部分设计主要包括驱动单元、导航单元、定位单元、传感单元、供电单元、控制单元和通信单元，各单元包含的部件如图1所示。

图1 巡检机器人硬件模块设计图

巡检机器人移动车身为4轮驱动控制，分别由4个直流无刷电机驱动，驱动模块通过工业级高速总线传输信号。

传感单元包括工业级高清晰彩色摄像机、非致冷焦平面红外线热像仪、室外全方位数字云台、局部放电监测、气体感知测量，实现原人工巡检中查看表计、触头温度、变压器声音等业务功能。红外线诊断可以自动识别室内设备的异常发热情况，并做到及时预警。

导航单元由传感子系统、多传感器信息融合与机器人位置解算子系统、信息冗余与导航自诊断子系统构成。通过多种技术获知机器人的精确定位信息，并通过最优路径规划算法和精确轨迹规划算法自主行走到目标位置。在机器人首次进入巡检环境时，将通过激光雷达对周边环境进行扫描，即利用激光导航技术构建周边环境地图，并采用传感器数据的冗余与交叉诊断技术，对受到干扰的信号进行隔离，进而保证机器人导航的可靠性，另外通过智能系统的辅助，巡检机器人可以按照任务要求自主规划最佳路径，极大提高了工作效率。

供电单元采用铅酸电池，根据连续运行时间的设计指标，通过理论分析设备的耗能状况及实测各设备的耗电量并留有一定余量，根据电池厂家提供的放电曲线及相对应的尺寸选取电池容量，最后经过测试验证以测得智能巡检机器人的实际连续运行时间。充电方式设计为自主充电，配合路径导航导航系统，在机器人活动区域设置充电接口，根据路径规划算法在电池电量接近不足时，优先规划充电路径，保障机器人独立自主运行。

4 巡检机器人软件体系结构设计

4.1 实时数据库的搭建

变电站巡检机器人会采集、整理各种形式的数据信息，如文字信息、音频信息等。需要搭建一个可以并行传送多类数据的复杂通信软件系统。将智能巡检机器人采集的信息传送到分析监测系统中，并且实现彼此间的信息共享，保证采集的数据信息的时效性和准确性。

4.2 集群化网络控制方案

智能巡检机器人的后台系统包括数据采集层、云端处理层和管理展示层。机器人采集的数据需要传输到云端处理层，再传输到管理展示层。云端处理层会对连接到电脑终端的机器人实现远程控制，当同时有多个机器人的终端连接到同一站点时，可以采用星型连接的方式，对机器人进行统一管理和控制。

本地端布置在变电站内，可通过远程桌面直接进入智能巡检机器人本体软件进行控制，也可采用TCP/IP协议通过工业无线网络进行双向数据交互，本地监控后台将分析并存储本厂站的所有巡检数据，具备实时监控、实时控制、巡检报表、历史数据等四大子系统。

实时监控主要功能是将机器人当前工作位置、巡检路线、带巡检设备清单、巡检过程中实时的高清和红外视频以及高清与红外融合视频、巡检过程中实时的巡检结果等信息综合反馈到远程监控后台上，供工作人员查看。实现操作人员在运维站就能查询到各分站的任务安排以及历史数据等信息。

实时控制主要作用是编辑巡检任务、制定巡检计划、请求并下发常规巡检任务。并且可以在远端控制某个分站的机器人执行巡检任务。通过该功能拓展，巡检机器人将完全覆盖室内、室外所有设备区域，真正做到替代人工完成设备巡视任务。

巡检报表主要作用是用于在一次计划巡检作业完成时，自动生成文字报表，报表内容将包括巡检时间、地点执行机器人标号巡检设备清单、巡检问题反馈、设备隐患缺陷预警、阈值比较分析、常见错误分析等，并给出相应风险评级与维护建议。

通过对后台数据库的可视化查看，方便工作人员对往期巡检产生的原始视频、文字等数据快速查验。

5 巡检机器人变电站内实际运行情况

某500 kV变电站配置1台巡检机器人，分三个区域巡视。500 kV区全任务巡检约4 h，220 kV区任务巡检约2 h，主变及35 kV区任务巡检约2 h。每周一、周四启动500 kV红外检测任务；每周二、五、周日启动220 kV红外检测任务；每周三、周六启动主变及35 kV红外检测任务，所有任务均在5点启动，巡检任务执行结束后，机器人返回充电室自行充电。如机器人接收到基站发出的特殊任务命令，将停止充电或正进行的巡检任务，根据智能机器人所处位置，计算出最佳路径并直接行驶到指令设备的预定观测位置进行检测。设备位置识别成功率达99%以上。

6 结论

本文设计并分析了变电站智能巡检机器人的系统结构和软硬件设计。该机器人携带红外线热像仪和可见光摄像机检测装置，通过导航和设备定位，可以按最优路径对变电站室内设备进行自主巡视，满足了在不同变电站环境下智能巡检的需要。

［1］鲁守银，钱庆林，张斌.变电站设备巡检机器人的研制［J］.电力系统自动化，2006（13）：94-98.

［2］周立辉，张永生，孙勇.智能变电站巡检机器人研制及应用［J］.电力系统自动化，2011，35（19）：85-88.

［3］矫德余.基于嵌入式系统的智能巡检机器人研制［D］.青岛：中国石油大学（华东），2010.

［4］智迪，姚辰，李小凡.一种变电站轨道式智能巡检机器人：中国，CN201110091997.2［P］.2012-10-17.

TM63

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.067

2095－6835（2019）20－0148－02

黄炜昭（1981—），男，福建泉州人，硕士，高级工程师，主要从事高压电力设备管理、电网运维智能化方向的工作。

〔编辑：严丽琴〕