智能巡檢四足機器人打造智慧燃機電廠的方法研究

馮庭有，蔡承偉，劉希念，肖晨宇，田際

[摘? ? 要]文章圍繞智能巡檢四組機器人的特性進行了分析。以此為基礎，就智能巡檢四足機器人應用于燃機電廠智能巡檢四組機器人應用于現代智慧燃機電廠的功能要求和性能要求、智能機器人360°視頻環視監控系統的構建要求、Sim2Real智能燃機電廠巡檢仿真驗證平臺的建立加以闡述，以供參考。

[關鍵詞]智能巡檢四足機器人;智慧燃機電廠;關節自由度

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–02

Research on the Method of Intelligent Inspection Four-Legged

Robot to Build A Smart Gas Turbine Power Plant

Feng Ting-you，Cai Cheng-wei，Liu Xi-nian，Xiao Chen-yu，Tian Ji

[Abstract]This article analyzes the characteristics of four groups of intelligent inspection robots. On this basis， the application of intelligent inspection quadruped robots to gas turbine power plants， the functional requirements and performance requirements of the four groups of robots used in modern intelligent gas turbine power plants， the construction requirements of the intelligent robot 360° video surround view monitoring system， Sim2Real The establishment of the patrol inspection simulation verification platform for intelligent gas turbine power plants is explained for reference.

[Keywords]intelligent inspection quadruped robot; intelligent gas turbine power plant; joint freedom

燃機電廠是指對環境危害小、整體發電循環作業效率高，在同能條件下投資較少的新型火力發電廠。盡管環保性能更強、發電效率更高，但燃機電廠的機組設備在規模方面，與常規火力發電廠相比并無明顯區別。故，在日常巡檢機組設備是否發生故障時，即使已經做好了諸多安全準備工作，但只要有人工作業，安全事故發生率在理論上便不可能降為零。基于此，基于智能巡檢四足機器人打造智慧燃機電廠具備可行性，值得探討。

1 智能巡檢四足機器人特性分析

（1）智能巡檢四足機器人的主要特性為：①具有能夠靈活伸縮，能夠自由旋轉的（一般設有五個“自由度”）機械臂。②搭載視頻傳感器、紅外測溫儀、氣體檢測傳感器的設備，能夠將巡檢區域的實時景象、溫度、氣味相關參數實時收集，經過清洗、分析、重組、整理后，形成三維環境模型以及地形概率地圖，進而使機器人具備導航規劃、自主避障等功能。③運維人員只需身處控制中心，向機器人發送各項指令，即可使機器人按照預定的線路對目標區域進行全面、自動巡檢，也可以根據現場出現的突然發情況，臨時改變巡檢路線。

（2）智能巡檢四足機器人裝載強壯的“軀干”，四肢十分矯健（通過設置在肩膀、關節等處的齒輪、軸承等，經由內部智能系統的程序控制算法，可使該智能巡檢四足機器人的“四肢”如同真正的生物一樣，實現大幅度、大范圍旋轉、移動。但相較于真正生物四肢活動的局限性，如在特定的角度下，肢體無法繼續移動，該機器人的靈活程度更高，完全沒有死角，故無須擔心四肢伸展方向受限問題）、嗅覺敏銳（在機器人“頭部”設有多種傳感器，可對多種氣味進行精確辨別）、頭腦聰明（配備智能處理器，可根據目標巡檢區域可能發生的各類事件，將相關信息存儲在內置的存儲器中）。不僅如此，智能機器人還配備向外發射探測波的設備，可對掃描區域前后左右一段范圍內進行實時探測，當發現區域內出現的某種情況與存儲器中預設的某種情況相符合時，便會啟動預定方案，采用最佳方案處理當前情況，可盡量避免機器人本身受到傷損）。該智能巡檢四足機器人對隧道內的高壓電纜、通道等情況能夠進行綜合判斷，并實現人機遠程交互、數據挖掘分析等全智能化運檢管控功能。

2 基于智能巡檢四足機器人打造現代智慧燃機電廠的要點梳理

2.1 智能巡檢四組機器人應用于現代智慧燃機電廠的功能要求和性能要求

（1）四足機器人的功能要求：①具有較強的地形適應能力，較強的越障、爬坡能力。不僅能夠在平坦的地面上行走，還要求能爬越斜坡，上下樓梯。②機器人結構緊湊，重量輕。盡量減小機器人整體尺寸，滿足輕量化設計，提高巡檢機器人的機動性能。③負載能力強，車體能夠搭載多種傳感器。巡檢機器人需要搭載熱像儀、攝像頭、激光雷達等多種傳感器設備，以實現現場環境信息的采集。④具有較高的可靠性，巡檢機器人必須具有防水、防塵能力。⑤可實現巡檢機器人遠程遙控，并在無人環境下可以實現自主導航和自主避障功能。

（2）四足機器人的具體性能要求：①爬45°樓梯，35 cm臺階，30°斜坡，30 cm間隔，高度60 cm空間行走;②自帶6個深度攝像頭，可以實現周圍環境感知;③IP67防護等級，可以防塵防水;④最大負載能力不小于15 kg;⑤水平地面上的最大速度1.6 m/s;⑥行走、跳躍、奔跑等高性能步態;⑦續航時間不少于2 h;⑧電量從低于5 %到100 %滿電的充電時長不超過2 h。

2.2 智能機器人360°視頻環視監控系統的構建要求

（1）由于燃機電廠內部存在多個車間且總面積較大，由此據定了一個智能巡檢四足機器人應用的前置條件——機器人必須在精準定位導航系統的指導下活動，一旦移動軌跡偏離了正常范圍，不僅無法完成巡檢任務，還會造成損失。此外，機器人本體沿著指定路線行進時，還需要考慮到機器人驅動電機間性能的差異性以及在行進過程出現的總偏差。

在執行巡檢任務時，機器人還要能夠在監測點以及特殊位置處實現定位，從而能夠比較準確地在監測點停止并對設備進行檢測。燃機電廠需要進行24 h全場景監控，故使用四足機器人進行巡檢作業時，務必保證機器人具備360°視頻環視監控功能。

機器人實時拍攝的照片、視頻可以達到“高清”標準，且能夠對車間各個位置進行實時監測，甚至完成對各個儀表數值的精準讀取，并做到場景全覆蓋，無監控死角，能夠隨時播放現場情況。具體而言：①機器人應該實時傳輸視頻圖像，實時監控車間環境，并支持視頻的播放、停止、重啟、抓圖、開始錄像、停止錄像、全屏顯示等功能。②機器人需要對整個車間如頭頂的管道、地面設備、四周管道等進行多方位監控，做到場景全覆蓋，無死角。進行檢測，并將視頻實時上傳至遠程智能巡檢管理平臺。③燃機電廠中大型設備較多，且具有一定的危險性，即使智能巡檢四足機器人性能良好，也總有無法到達的位置，因此，技術人員需要對廠區內進行全面巡查，在機器人無法到達之處設置固定攝像頭，用于補充檢查。

（2）為了使360°視頻環視監控功能得到更加良好的運用，需應用2D無軌定位導航系統。如圖1所示，為2D無軌定位導航顯示模式下的燃機電廠平面圖。巡檢路線涵蓋：起點——機組汽機本體區域——機組燃機罩殼區域——機組高壓給水泵變頻器室——機組閉冷水泵變頻器室——機組燃機潤滑油區域——機組燃機密封油、氫氣區域——機組燃機勵磁小間——機組汽機勵磁小間——機組汽機潤滑油區域——機組汽機EH油區域——機組凝汽器抽真空區域——機組高、中壓給水泵區域——機組柴油機房——機組高、中、低壓汽包區域——機組循環水泵房區域——循泵房配電間——循環水泵變頻器室——終點。

2.3 Sim2Real智能燃機電廠巡檢仿真驗證平臺的建立

將燃機電廠整個廠區建設成一個虛擬模型，且以智能巡檢四足機器人的視角作為“中心移動點”，在控制中心的計算機顯示屏中會實時顯示經過虛擬化處理后的現場鏡像以及現場實物景象。虛擬景象，如圖2所示。對Sim2Real仿真驗證平臺的具體要求為：

（1）虛擬的環境中除了智能巡檢四足機器人外，還應注意對燃機電廠內部其他設備進行“虛擬化作業”，且機器人的行進路徑同樣應該明確標出，如圖2所示。

（2）在全天候的虛擬環境中，四足機器人的導航、定位、路徑規劃等可通過虛擬圖進行遠程控制。如圖2中的兩個“圓圈”實際上是技術人員在控制端虛擬場景中，用鼠標點擊的位置。均表明機器人應該前往對應的區域進行再次檢查（顏色有區別表明具體地點存在功能行的差異，一種顏色是行進路線，表明該處沒有其他物體;另一種顏色指代該處有障礙物，機器人無法行進至此）。不僅如此，虛擬場景中還有一個特性，即不同物質之間的區分十分明顯，如圖2中位于右側的罐狀設備的下方有紅色標注的物體，這些與設備顏色不同的物體可能是管道開關，也可能是儀表。進行如此設計的目的在于：基于不同的顏色，燃機電廠中各個設備的重點區域、關鍵位置均被清晰標出，有助于控制智能機器人迅速前往查看。不僅如此，技術人員在操縱和監控的過程中，可同時對虛擬場景和現實場景進行對比查看，可進一步提高巡檢效率及質量，避免遺漏。

（3）需對巡檢路線和巡檢點位進行模擬驗證，點位的結果會直接傳輸到智能機器人的硬件系統中。

（4）Sim2Real仿真驗證平臺支持域隨機化;支持CAD、URDF等多種文件格式導入;支持光線和路徑追蹤渲染器，具有高層次物流逼真度和功能逼真度;可擴展性強，能夠包含智能巡檢四足機器人在內的多種類型機器人，且傳感器和驅動模塊均可靈活導入，并提供模塊話的標準接口來支持第三方軟件開發，如圖1所示。

3 結束語

智能巡檢四足機器人應用于現代智慧燃機電廠時，主要工作在于，替代人接近一些危險或特殊區域，從而實時完成數據信息的收集于傳迪。而在此過程中，機器人本身的“行走”是否處于穩定狀態至關重要。因此，必須同時對燃機電廠的基礎信息進行全面了解，對機器人的行走自由度等參數是否處于正常狀態進行判定，從而實現操控智能巡檢四足機器人檢查燃機電廠運行情況的目的。

參考文獻

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