發(fā)電廠智能巡檢機器人導航技術(shù)研究及應用

胡 罡，王進科，賴小燕，劉萬盛，楊志明

（廣東大唐國際肇慶熱電有限責任公司，廣東肇慶 526106）

1 機器人導航技術(shù)概述

1.1 機器人本體

機器人運動控制系統(tǒng)由運動矢量控制器、電機驅(qū)動器、電機、減速機、車輪、超聲波避障裝置模塊、手動操作或電動遙控開關(guān)裝置模塊、狀態(tài)指示燈單元等控制單元組成。該系統(tǒng)可以直接實現(xiàn)監(jiān)控設備用于各種環(huán)境監(jiān)控功能、各種后臺功能系統(tǒng)和遠程控制平臺等各類功能軟件系統(tǒng)的直接相互聯(lián)機通訊，分別接收實時數(shù)據(jù)和遠程定時同步上傳數(shù)據(jù)以及各種云臺狀態(tài)信息。

1.2 工作條件

智能巡檢機器人可在室內(nèi)與室外環(huán)境中工作，周圍環(huán)境溫度需要低于50 ℃，如果超過該條件需要聯(lián)系供應商來判斷是否可用。機器人的外觀應該有絕緣和防腐涂層，避免發(fā)電廠設備的電磁干擾，同時機器人內(nèi)部各功能區(qū)的連接應該有序，便于后續(xù)的檢查與維護工作。

1.3 電池系統(tǒng)

電源狀態(tài)管理自動化系統(tǒng)（BMS）是集電力數(shù)據(jù)信息采集、狀態(tài)自動估計、充放回電保護功能和鋰離子電池組的平衡和控制保護于一體，是智能供電監(jiān)控系統(tǒng)中的主要核心設備。機器人可以持續(xù)在鋰離子電池的有限使用壽命期內(nèi)可靠穩(wěn)定地繼續(xù)工作。一次快速充電即可續(xù)航在6 h 及以上，機器人平臺電池2 h左右即可充滿電，充放電循環(huán)2 000次以上。除了排除光線、拍攝角度等影響因素外，抄表數(shù)據(jù)的準確率至少要達到98%，智能巡檢機器人的平均無故障工作時間至少要達到2 000 h。機器壽命5～8 a，電池壽命2～3 a，電機壽命8～10 a。隨附備用電池、輪胎、過濾器和工作套件。

1.4 充電系統(tǒng)

充電柜和機器人充電底座分別用于機器人的手動充電和自動充電，無線遙控通信設備則采用了與機器人本地遠程監(jiān)控系統(tǒng)后臺接口相同型號的無線網(wǎng)架橋結(jié)構(gòu)和天線。當機器人需要電池補充額外電力時，會被自動移動到機器人指定區(qū)域的固定充電單元室，車載專用充電連接器將直接與機器人固定的充電單元電芯連接后進行充電。充電動作完成后，機器人系統(tǒng)會瞬間自動停止充電，進入自動待機模式或恢復正常運行狀態(tài)。

1.5 運動與云臺系統(tǒng)

智能巡檢機器人有多種基本運行模式，運動的方式是車輪帶動，每兩次之間的運動軌跡導航誤差需要嚴格控制在15 mm 左右。巡檢機器人在行進過程中可以做到前進直行、倒退、轉(zhuǎn)向、制動剎車等多種基本模式，正常情況下平面直行的速度大于4 m/s。為了適應發(fā)電廠中部分窄小空間，轉(zhuǎn)向過程必須實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，同時巡檢機器人應該配備減震系統(tǒng)，提高在行駛過程中跨越障礙物的能力與云臺平穩(wěn)運行的能力，同時運動系統(tǒng)對遙控的響應應該快速即時。

監(jiān)控云臺應該能夠?qū)崿F(xiàn)多角度的旋轉(zhuǎn)，同時為了加強監(jiān)控效果，旋轉(zhuǎn)的角度在控制端應該任意可調(diào)節(jié)。云臺擁有預設置監(jiān)控點的功能，到達指定地點后自動調(diào)整攝像機角度實現(xiàn)監(jiān)控，這一功能也可后續(xù)刪除或添加。云臺應該有自動調(diào)整誤差的功能，判斷拍攝的目標是否存在遮擋以及遮擋的面積占總視野面積的比例，并自動做出角度調(diào)整，確保拍攝的畫面不受到遮擋影響。

1.6 網(wǎng)絡功能

智能遠程巡檢機器人的數(shù)據(jù)必須能同時實現(xiàn)與遠程監(jiān)控和后臺數(shù)據(jù)庫之間交互，數(shù)據(jù)信息實時交互所涉及到的實時信息內(nèi)容必須包括檢測數(shù)據(jù)和遠程巡檢機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)[2]。巡檢機器人要能夠長時間連續(xù)準確實時地自動接收到來自于本地或者遠程云臺監(jiān)控報警系統(tǒng)所發(fā)出來的各種智能云臺控制與報警檢測指令，同時實現(xiàn)智能機器人云臺的高速旋轉(zhuǎn)、身體的快速上下移動、自動實現(xiàn)無線充電報警功能和智能設備狀態(tài)信息檢測并報告功能等的一系列安全功能。檢測到故障問題報警并會及時生成狀態(tài)信息報表定期予以上報。

機器人配有高清型紅外可見光成像相機、紅外熱顯像測量儀器和便攜式紅外聲學傳感器，可同時自動地實現(xiàn)測量儀器指針的位置，實時識別、關(guān)節(jié)溫度監(jiān)測及測量設備的內(nèi)部環(huán)境溫度變化實時狀態(tài)檢測、設備內(nèi)部振動或異響報警狀態(tài)檢測的功能實現(xiàn)等多個檢測功能。智能云臺系統(tǒng)可安裝固定于巡檢機器人上面的可移動的工作平臺的最上方，用于可以自動攜帶的三個可見光、紅外探測器陣列和另一個紅外聲學傳感器，可用于手動控制其方位角的調(diào)整和俯仰角的自動旋轉(zhuǎn)。

1.7 無線傳輸系統(tǒng)

機器人將通過無線網(wǎng)傳感橋與機器人本地遠程監(jiān)控設備后臺終端實現(xiàn)機器人雙向和實時信息傳輸交互，信息的交互主要內(nèi)容應包括監(jiān)控機器人身體狀態(tài)圖像和遠程被監(jiān)視檢測機器人設備內(nèi)的視頻圖像、語音內(nèi)容和圖像顯示信息數(shù)據(jù)，所有交互信息內(nèi)容都被本地設備的實時監(jiān)控機器人保存記錄在系統(tǒng)后臺[3]。

智能巡檢機器人的最大安全遙控距離必須至少為1 000 m，并且操作必須可靠。當兩個以上智能巡檢機器人同時在同一個發(fā)電廠現(xiàn)場工作巡查時，控制信號也不能出現(xiàn)相互交叉干擾。監(jiān)控終端后臺服務器必須具備能夠連續(xù)可靠快速地自動接收由智能巡檢系統(tǒng)機器人所實時監(jiān)控采集得到的視頻圖像、聲音、數(shù)據(jù)資料等各類信息。控制回路和控制傳輸單元信號輸出必須具有較良好可靠的反穿墻保護性能要求和相對良好可靠的抗干擾測試能力。

1.8 本地監(jiān)控

實時監(jiān)控界面主要用于查看機器人當前位置、巡檢路徑、當前巡檢作業(yè)進度、被檢設備信息、實時高清視頻、紅外圖像、檢測過程中的實時檢測結(jié)果、實時環(huán)境、機器人身體狀態(tài)等信息。紅外攝像機實時顯示巡檢機器人拍攝的圖像。機器人本體信息顯示主要項目包括顯示機器人本體內(nèi)部的電池電量、內(nèi)部溫度、當前速度、報警信息、充電狀態(tài)、當前可見光相機變焦、云臺水平角度和云臺垂直角度。巡檢信息實時顯示當前巡檢任務的巡檢進度和檢測到的不良設備數(shù)量，實時顯示設備的巡檢時間、設備名稱、巡檢類型、巡檢結(jié)果等檢測結(jié)果。

2 電磁射頻識別組合導航

電磁導航技術(shù)通常被與射頻身份識別裝置（RFID）等結(jié)合起來使用，以代替在地面建筑物上安裝的磁軌[4]。這條感應軌道里包含有多條感應引導的電纜，每條感應引導的電纜里面都分別承載一個不同電流頻率方向的感應電流，機器人需要通過這種感應通道來實時檢測路線信息。通過運動伺服控制裝置可以調(diào)節(jié)到機器人的左右轉(zhuǎn)向輪間的差速，使機器人沿磁軌前行。機器人在應該做停止點檢查之前的重心位置偏差通常可由前后兩個RFID 標簽進行控制，第一個標簽上是一個減速停止點，包含兩個停止點間的距離信息，多踏步式減速停車方法會確保機器人一直處于一個較低位置。到達正確的停止點時，速度自動停止，此時機器人可以檢測到停止點標簽。電磁定位搜索儀的技術(shù)優(yōu)點之一是保證巡檢時機器人的運動位置準確，抗電磁場干擾保護功能比較強。

3 激光導航

激光位置導航技術(shù)通過直接使用計算機視覺傳感器實時捕捉目標道路圖像，通過計算機圖像特征識別等技術(shù)手段將道路特征點直接提取應用到每個路標信息中，并可以計算得出每個路標點在全局坐標系中相應的位置坐標值，為實現(xiàn)激光定位導航應用提供奠定了信息基礎(chǔ)。機器人配備的激光傳感器會在巡視范圍內(nèi)根據(jù)每次目標掃描來獲取所檢測到位置的3個路標與激光傳感器之間對應的角度。當機器人檢測定位到上述3個導航路標時，可以立即通過迭代式計算來得到一個全局坐標系，并會結(jié)合預先設定好的導航目標路線數(shù)據(jù)，計算分析出目標機器人對預先設定目標路線的相對位置偏差和相對行進路徑方向偏差，左右速度調(diào)整車輪以重新確定路線。

4 視覺導航

機器人圖像是機器視覺理論探索實踐的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過自動組裝好的車載攝像頭自動捕捉周圍路面圖像和周邊環(huán)境中的機器人局部圖像，并同時利用計算機圖像快速處理的技術(shù)手段進行機器人圖像特征的識別、距離的估計分析等。收集、預處理、壓縮機器人首次運行動作時被拍攝得到的機器人圖像，與計算機之前已存儲下的機器人圖像資料進行分析比較，并據(jù)此通過一系列的算法自動計算得出機器人圖像的當前位置。分析提高了地面搜索的速度以達到減少一些不那么必要的信息，由于僅能通過分析每一張圖像提供的信息來確定障礙物大小和巡檢機器人行駛的速度，存在有較大范圍的誤差，因此分析實際上已經(jīng)使用了多相機導航。

視覺導航系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點主要是視覺導航系統(tǒng)定位測速精度高，信號目標檢測覆蓋范圍更廣，缺點則是現(xiàn)有的視覺導航定位技術(shù)都不能做到有效地快速匹配目標圖像的處理速度、范圍和物體移動的速度，導致操作有一定的延遲。復雜的操作環(huán)境下不能進行很好有效的適應，缺乏實時性能優(yōu)化和可魯棒性。

5 GPS導航

GPS 導航的基本原理是利用 GPS 衛(wèi)星和目標之間的距離，采用三邊測量法對被測物體的位置及速度進行計算，必須使用三個以上的 GPS 衛(wèi)星進行定位。

GPS 導航技術(shù)包括三大類：DPS 導航、DGPS/DR 聯(lián)合導航、GPS/慣性導航。高精度DPS 導航系統(tǒng)的基本原理是，先建立差分 GPS 基準站，在基準站建成后，就可以得到精確的三維坐標，再根據(jù)參考點的坐標進行計算，再將其傳送到受測點，從而使 GPS 的定位精度得到進一步的提高。差分 GPS 有位置差分、偽距差分、相位差分三種。DGPS/DR 組合導航技術(shù)是在目標突然丟失 GPS 信號時，利用 DR進行定位的一種傳統(tǒng)方法[7]。其基本原理是利用慣性導引裝置，以目標的當前位置坐標為基礎(chǔ)，利用慣性導引裝置測得目標的運動速度及航向角度，從而計算出目標的下一次定位。這種技術(shù)會隨時間推移而造成測量準確率的降低，DR 導航不能長期單獨使用，只能用作短期的輔助定位。GPS/慣性導航技術(shù)是基于牛頓力學原理的，利用加速度傳感器和陀螺測量目標在慣性參照系中的速度、旋轉(zhuǎn)角速度，并將其轉(zhuǎn)換為導航坐標系，獲得目標的速度、偏航角和姿態(tài)。慣性導航系統(tǒng)不與外界進行光、電交換，不向外界發(fā)射電磁波，因此它具有很好的隱蔽性和抗干擾能力。但是，由于導航信息是由積分產(chǎn)生的，所以它的定位誤差會隨時間增加而增大，使其無法長期獨立運行，并且必須進行初始化，所以其成本也相對較高。GPS 導航系統(tǒng)的先決條件是 GPS 必須具有穩(wěn)定的 GPS 信號，但是在電力系統(tǒng)的強烈電磁環(huán)境下，室內(nèi)或鋼結(jié)構(gòu)中，GPS 信號會受到很大的削弱，從而對機器人的定位和導航造成很大的影響。這種方法僅適用于戶外作業(yè)的機器人。

6 超聲波導航

超聲波是傳播頻率范圍為20 kHz 左右或頻率更高的一種聲波，傳播時路徑沿著直線進行傳播，遇到一些固體時又會自動反射回來。超聲波傳感器的測角分辨率也較差，但檢測超聲波速度很快，靈敏度也高，距離分辨率亦高。在很多實際導航應用環(huán)境中，超聲波多普勒傳感定位器具有了一定技術(shù)的使用局限性，通常無法與許多其他常規(guī)導航工作方式緊密結(jié)合使用，以確保實現(xiàn)導航精準及有效避免故障。

7 SLAM導航

SLAM 定位導航就是指導航機器人能在一種完全未知的地理環(huán)境系統(tǒng)中，通過定位、建站圖、SLAM算法來進行導航路徑的規(guī)劃，實現(xiàn)自主的定位與導航，上面提到過的激光定位導航系統(tǒng)和計算機視覺輔助導航技術(shù)都是一種SLAM。

8 結(jié)束語

目前電廠的巡檢機器人在發(fā)電廠室內(nèi)現(xiàn)場和室外現(xiàn)場都已有廣泛使用，因此今后大部分場合可以直接使用電子導航系統(tǒng)和紅外激光導航裝置來滿足自動化巡檢任務的需要。隨著對導航系統(tǒng)定位跟蹤精度要求技術(shù)的逐漸提高，視覺導航也將逐步成為未來導航新技術(shù)應用的主流發(fā)展方向，隨著新一代計算機視覺理論方法和導航算法體系的持續(xù)進步和成熟，以及自然語言處理能力的進一步提高，實時性要求和魯棒性需要得到全面解決，進而視覺導航等導航新技術(shù)或?qū)⒄嬲蔀槲磥碜詣友矙z機器人的一項主要輔助導航方式。