實現一種通用型室內智能巡檢機器人技術應用的研究

黃煒昭

實現一種通用型室內智能巡檢機器人技術應用的研究

黃煒昭

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

研究了一種通用型智能巡檢機器人，通過定位導航與視覺識別技術，可以自主規劃變電站內巡檢作業路徑。機器人搭載圖像采集模塊、紅外采集模塊、可見光采集模塊與噪聲采集模塊，具有現場采集圖像信息、信號故障自動識別、故障報警、區域溫度報警、趨勢分析及報警、自動生成巡檢報告功能，可以滿足不同變電站內自動化巡檢設備的需求。

智能巡檢機器人；變電站巡檢；軟硬件設計；技術應用

1 引言

隨著時代的進步和科技的發展，現代社會是一個智能化、信息化的時代，人工智能技術已經取得了不錯的成績，智能化、機械化的機器代替煩瑣的人力勞動已經逐步變成現實。機器人巡檢的靈活性以及智能性，能彌補人工巡檢存在的安全隱患以及效率和精度的不足，同時通過云端的大數據平臺，能夠實時上傳設備運行數據，這種智能巡檢方式不僅能節省大量的人力物力，使變電站室內設備巡檢工作更加高效、科學、合理，也能在工作人員無法進入的地形中進行工作，有效地降低人工成本和維護成本。引入變電站室內設備智能巡檢機器人，是更好適應時代的發展和滿足未來社會需求的必要手段。

2 智能巡檢機器人設計需求分析

智能巡檢機器人具有廣泛的應用前景，國內外許多從業人員都對巡檢機器人的整體結構及軟硬件設計做了大量的研究工作，智能巡檢機器人的主要組成部分是激光傳感器、智能云臺、四驅動底盤、可見光攝像機、紅外線熱像儀以及其他部件。加拿大魁北克水電站研制的巡檢機器人搭載紅外熱像儀、可見光圖像采集系統，可實現對機器人的遠程監控和實時控制；國家電網啟用了軌道式室內智能巡檢機器人，實現了不同站巡視模式，可將巡檢效率提升到原先的5～7倍以上。雖然智能巡檢機器人的巡檢工作效率提升了，但是仍不能做到完美執行，其本身還具有一定的缺點，如靈活度不夠、無法統一接口標準等。更重要的是，軌道式機器人對室內改造較大，考慮到安全性，不易推行使用。

3 巡檢機器人硬件的模塊化設計

巡視機器人基于對伺服電機控制實現小車本體移動操作，依照設備情況，配合操作手臂及傳感器進行功能檢測。按照變電站巡視要求，巡視機器人硬件部分設計主要包括驅動單元、導航單元、定位單元、傳感單元、供電單元、控制單元和通信單元，各單元包含的部件如圖1所示。

圖1 巡檢機器人硬件模塊設計圖

巡檢機器人移動車身為4輪驅動控制，分別由4個直流無刷電機驅動，驅動模塊通過工業級高速總線傳輸信號。

傳感單元包括工業級高清晰彩色攝像機、非致冷焦平面紅外線熱像儀、室外全方位數字云臺、局部放電監測、氣體感知測量，實現原人工巡檢中查看表計、觸頭溫度、變壓器聲音等業務功能。紅外線診斷可以自動識別室內設備的異常發熱情況，并做到及時預警。

導航單元由傳感子系統、多傳感器信息融合與機器人位置解算子系統、信息冗余與導航自診斷子系統構成。通過多種技術獲知機器人的精確定位信息，并通過最優路徑規劃算法和精確軌跡規劃算法自主行走到目標位置。在機器人首次進入巡檢環境時，將通過激光雷達對周邊環境進行掃描，即利用激光導航技術構建周邊環境地圖，并采用傳感器數據的冗余與交叉診斷技術，對受到干擾的信號進行隔離，進而保證機器人導航的可靠性，另外通過智能系統的輔助，巡檢機器人可以按照任務要求自主規劃最佳路徑，極大提高了工作效率。

供電單元采用鉛酸電池，根據連續運行時間的設計指標，通過理論分析設備的耗能狀況及實測各設備的耗電量并留有一定余量，根據電池廠家提供的放電曲線及相對應的尺寸選取電池容量，最后經過測試驗證以測得智能巡檢機器人的實際連續運行時間。充電方式設計為自主充電，配合路徑導航導航系統，在機器人活動區域設置充電接口，根據路徑規劃算法在電池電量接近不足時，優先規劃充電路徑，保障機器人獨立自主運行。

4 巡檢機器人軟件體系結構設計

4.1 實時數據庫的搭建

變電站巡檢機器人會采集、整理各種形式的數據信息，如文字信息、音頻信息等。需要搭建一個可以并行傳送多類數據的復雜通信軟件系統。將智能巡檢機器人采集的信息傳送到分析監測系統中，并且實現彼此間的信息共享，保證采集的數據信息的時效性和準確性。

4.2 集群化網絡控制方案

智能巡檢機器人的后臺系統包括數據采集層、云端處理層和管理展示層。機器人采集的數據需要傳輸到云端處理層，再傳輸到管理展示層。云端處理層會對連接到電腦終端的機器人實現遠程控制，當同時有多個機器人的終端連接到同一站點時，可以采用星型連接的方式，對機器人進行統一管理和控制。

本地端布置在變電站內，可通過遠程桌面直接進入智能巡檢機器人本體軟件進行控制，也可采用TCP/IP協議通過工業無線網絡進行雙向數據交互，本地監控后臺將分析并存儲本廠站的所有巡檢數據，具備實時監控、實時控制、巡檢報表、歷史數據等四大子系統。

實時監控主要功能是將機器人當前工作位置、巡檢路線、帶巡檢設備清單、巡檢過程中實時的高清和紅外視頻以及高清與紅外融合視頻、巡檢過程中實時的巡檢結果等信息綜合反饋到遠程監控后臺上，供工作人員查看。實現操作人員在運維站就能查詢到各分站的任務安排以及歷史數據等信息。

實時控制主要作用是編輯巡檢任務、制定巡檢計劃、請求并下發常規巡檢任務。并且可以在遠端控制某個分站的機器人執行巡檢任務。通過該功能拓展，巡檢機器人將完全覆蓋室內、室外所有設備區域，真正做到替代人工完成設備巡視任務。

巡檢報表主要作用是用于在一次計劃巡檢作業完成時，自動生成文字報表，報表內容將包括巡檢時間、地點執行機器人標號巡檢設備清單、巡檢問題反饋、設備隱患缺陷預警、閾值比較分析、常見錯誤分析等，并給出相應風險評級與維護建議。

通過對后臺數據庫的可視化查看，方便工作人員對往期巡檢產生的原始視頻、文字等數據快速查驗。

5 巡檢機器人變電站內實際運行情況

某500 kV變電站配置1臺巡檢機器人，分三個區域巡視。500 kV區全任務巡檢約4 h，220 kV區任務巡檢約2 h，主變及35 kV區任務巡檢約2 h。每周一、周四啟動500 kV紅外檢測任務；每周二、五、周日啟動220 kV紅外檢測任務；每周三、周六啟動主變及35 kV紅外檢測任務，所有任務均在5點啟動，巡檢任務執行結束后，機器人返回充電室自行充電。如機器人接收到基站發出的特殊任務命令，將停止充電或正進行的巡檢任務，根據智能機器人所處位置，計算出最佳路徑并直接行駛到指令設備的預定觀測位置進行檢測。設備位置識別成功率達99%以上。

6 結論

本文設計并分析了變電站智能巡檢機器人的系統結構和軟硬件設計。該機器人攜帶紅外線熱像儀和可見光攝像機檢測裝置，通過導航和設備定位，可以按最優路徑對變電站室內設備進行自主巡視，滿足了在不同變電站環境下智能巡檢的需要。

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TM63

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.067

2095－6835（2019）20－0148－02

黃煒昭（1981—），男，福建泉州人，碩士，高級工程師，主要從事高壓電力設備管理、電網運維智能化方向的工作。

〔編輯：嚴麗琴〕