关键词：机器人；自动巡检；工作原理；应用研究
1引言
变电站设备巡检是保证变电站安全运行，提高供电可靠性的一项基础工作，随着变电站自动化水平的提高以及无人值守的普及，变电设备运行可靠性面临更加严峻的考验，变电站巡检受到了更大的重视。目前国内变电站均采用传统的人工巡视方式，由于受巡视人员劳动强度、业务水平、责任心和精神状态等诸多因素的制约，漏检、误检情况时有发生，造成重大经济损失，根据中国电力科学院2015年电网运行统计报告，变电设备漏检、误检造成的经济损失达到每年26亿元以上，由此可见，人工巡视已经越来越满足不了现代化变电站安全运行的要求，机器人代替人工巡视将是智能电网发展的必然趋势。
变电站智能巡检机器人主要应用于室外变电站，代替运行人员进行巡视检查，机器人可以携带红外热像仪、可见光CCD、拾音器等检测与传感装置，以自主和遥控方式，24小时、全天候地完成高压变电设备的巡测，及时发现异物、损伤、发热、漏油等内、外部机械或电气异常，准确提供变电设备事故隐患和故障先兆诊断分析的有关数据，大大提高变电站安全运行可靠性。
我国2009年提出建设坚强智能电网的规划与目标，计划到2020年，基本形成以特高压为核心，电网信息化、自动化、互动化水平明显提升的坚强国家电网，满足可再生能源大规模接入和输送需要。智能化变电站是智能电网建设的重要内容，而智能化变电站建设的首要任务在于准确获取变电设备的状态信息，巡检机器人是活动的信息获取平台，与在变电设备上安装固定的状态测量装置相比，智能巡检机器人具有无与伦比的价格优势和强大的推广应用能力。
本课题旨在研究开发变电站高性能智能巡检机器人，提高复杂环境下变电设备状态巡检的智能化水平，提高巡检质量，对促进变电站安全稳定运行，提高供电可靠性具有重要意义，应用前景广阔。
2变电站设备巡检机器人系统构成
2.1系统简介
变电站设备巡检机器人基于自主导航、精确定位、自动充电的室外全天候移动平台，集成可见光、红外、声音等传感器；基于磁轨迹和路面特殊布置的无线射频识别（ＲＦＩＤ）标签，实现巡检机器人的最优路径规划和双向行走，将被检测设备的视频、声音和红外测温数据通过无线网络传输到监控室；巡检后台系统通过设备图像处理和式识别等技术，结合设备图像红外专家库，实现对设备热缺陷、分合状态、外观异常的判别，以及仪表读数、油位计位置的识别；并配合智能变电站顺控操作系统实现被控设备状态的自动校核。
2.2系统总体结构
设备巡检机器人系统设计为网络分布式架构，如图１所示。系统分为３层：基站层、通信层和终端层。基站层由监控后台组成，是整个巡检系统的数据接收、处理与展示中心，由数据库（模型库、历史库、实时库）、模型配置、设备接口（机器人通信接口、红外热像仪接口、远程控制接口等）、数据处理（实时数据处理、事项报警服务、日志服务等）、视图展示（视频视图、电子地图、事项查看等）等模块组成。基站层通过图像处理和模式识别等技术，实现设备缺陷的自动识别和报警。
在巡检机器人监控主站由运行人员下发巡视任务或者由基站系统自动下发巡视任务，来启动巡检机器人进行工作；巡检机器人通过局部规划移动到巡视任务中的停靠点，并且在停靠点停车；向基站系统发送到达停靠点的信息，根据配置文件中停靠点的信息下发预先设置的巡视命令，巡检机器人通过移动云台对巡视设备进行精确定位，从而进行设备的可见光和红外成像检测；巡检机器人及时保存并上传所巡视设备的可见光图像和红外图像，如果发现检测设备温度超过预定的最高温度则向运行人员发出警报；机器人检测完毕后，基站向巡检机器人下发此停靠点巡视完毕的指令。
2.3系统的硬件构成
机器人本体系统是整个巡检机器人系统的移动载体和信息采集控制载体，主要包括两大模块：机器人本体模块和控制检测模块，主要完成机器人的运动控制、图像处理、红外采集、可见光采集、电机驱动控制、云台控制、移动定位、网络通信等功能，体现了多传感器信息融合技术在巡检机器人领域中得到的广泛应用。机器人本体控制程序是基于WINCE嵌入式实时多任务的操作系统，采用C++面向对象编程语言开发设计，主要负责采集定位信息的采集与处理，根据监控主站的控制命令，控制机器人的运动，并上传机器人的状态信息和传感器的数据。
2.3.1机械部分
巡检机器人本体的机械部分由驱动机构、底盘、充电机构和外壳等几部分组成，使其能在轨道上平稳运行。
1)驱动机构
机器人的驱动机构实现了机器人的移动和定位。机器人的驱动机构为轮式结构，前面的两轮为驱动轮，由一个电机驱动；后面的两轮为随动轮。该方案结构简单，易加工，四轮内侧分别突出2cm，在限速的情况下转弯性能好，没有侧滑。并且适应性强，便于机器人控制系统的设计。
2)底盘
底盘是一个具有承载力的钢板，底部有开口，安装风扇后，解决了高温环境下的散热问题。
3)充电机构
为了实现巡检机器人的自主充电，可靠运行，便于控制的目的，采用一个直流电机驱动齿条做前后往复运动，齿条带动充电电极进行运动，与安位于机器人停靠小屋内的离地面有一定高度的充电极板进行接触、从而充电。为了解决在高温、高湿环境下充电机构关键部件的氧化、腐烛等问题，充电插片和充电极板都采用了铁合金的材料。
4)外壳
巡检机器人的外壳造型设计所依据的原则是：满足功能的需求、符合人机关系的原理、贯彻有关行业和国家的标准、以实现功能为主兼顾结构的要求，表现形体美和工艺美，设计创新具有自主产权。要求机器人的外壳防护等级不低于
IP53。机器人采用轮式驱动方式，两驱动轮在前，随动轮在后的结构，其内部安装有硬件、信号发射与接收等部件，为了便于外壳的拆装和维护，机器人的造型分为了三个部分：前部为装饰面板，可以从前面取下；中间为主壳体，用于安装保护内部的各种部件；后面为后壳体，可以自后部拆下，以便于内部部件的安装和维护。
2.3.2控制模块
机器人本体的控制系统可以分为四个模块：工控机控模块、电源管理模块、云台检测模块和运动控制模块。
1)工控机控模块
工控机控模块由主CPU控制系统、继电器控制组和散热器组控制系统组成。主CPU控制系统是机器人中枢神经控制器，控制协调机器人各个子系统，与上位机各项数据交换，完成相应功能，实现智能巡检；继电器控制组用来接收主CPU控制系统发出的控制命令，协调各个系统完成控制任务，实现控制功能；散热器组控制系统从而监控机器人内部各系统工作温度，达到触发条件时启动散热设备，保证各系统正常工作温度。
2 )电源管理模块
电源管理模块由高容量高功率聚合物锂电池组、电池电量监控系统、智能充电控制设备和锂电池充电接入设备组成。电源管理模块用来实现电池的充放电控制，电池的电压，电流和电量的采集和电池的保护功能，同时为其他各个模块提供电源，是整个机器人系统的心脏部分。在系统中电源管理模块主要实现如下功能：
（1）采用聚合物锂电池高功率高容量，为机器人各个系统提供能源保证；
（2）监控电池组电量，估算电量是否满足巡检任务，电量不足无法完成巡检任务时，告知主控CPU控制系统需要充电；
（3）监测锂电池组是否充电完成，若完成充电断开电池与充电器连接，具备快
速充电、涓流充电等功能；
（4）锂电池充电接入设备与锂电池充电器物理连接，并完成智能充电控制系统
相应控制动作。
3)运动控制模块
运动控制模块包括大功率高速直流电机、电机驱动控制系统、行程定位自适应编码、解码控制系统以及行程探测编码设备。电机驱动控制系统接收主CPU
控制指令，驱动电机变速运行，实现机器人快速启动、稳速行进、慢速停止等功能；大功率高速直流电机为机器人提供所需的牵引能力，保证机器人各项行进运行；行程定位自适应编码、解码控制系统则用来监控机器人行进路程，接收行程探测编码设备发来的不同巡检点的编码标识，校检编码标识，若出现误码，改变编码规则，同时将解码后的巡检点位置标识发送至主控CPU控制系统；行程探测编码设备按照行程定位自适应编码、解码控制系统发来的编码规则对不同巡检点的位置进行编码，探测到相应巡检位置时，将位置编发发送至行程定位自适应编码、解码控制系统。
4)云台检测模块
巡检机器人检测功能的实现主要是由检测模块完成的。云台检测系统采用双通道，可见光通道和红外通道，可见光通道用于监测电气设备视频监控可视化情况，红外通道用于监测电气设备发热所形成的热温度图像。本系统的核心器件是普通CCD和红外CCD，为了使它们所观测到的空间区域尽可能一致，把2个CCD摄像头左右平行紧凑放置于防护罩内使之结合成一体机，多方位旋转控制是用云台来完成的。红外辐射和可见光经过各自光学系统的收集及处理，分别进入红外CCD和可见光CCD，将光信号转换成视频信号。然后，用图像采集卡进行采集、压缩，经A/D转换后变成数字视频信号，然后进入计算机进行显示和处理。客户端从计算机的RS-232串口发出控制命令，经串口转换器变成符合RS-485标准的命令，利用解码器对CCD和云台进行控制。
2.4系统软件构成
系统总体软件按功能可以划分为四个模块：人机交互界面、控制模块、图像监测模块、信息管理模块。考虑到系统各项功能、组成结构、后期扩充性要求和开发环境的方便程度，本系统的软件开发采用面向对象的模块化程序设计方法，以现在通用的Windows操作系统作为运行平台，选择MicrosoftVisualC++作为开发工具。开发出了客户端软件界面和服务器端程序。
(1)人机交互界面：是系统最上层，是用户操作界面管理的核心，操作员通过按钮对软件界面系统进行各项操作，由于它是最顶层，所以相应地调用下层功能模块以实现操作指令。
(2)控制模块：利用解码器可分别实现对云台的上下左右移动和对可见光(红外)CCD光圈大小调整、镜头伸缩调整等。实现对前端CCD的控制和机器人各功能传输控制。
(3)图像监测模块：是分别对红外温度图像和可见光图像的监测，包括图像信息的采集、保存，红外温度图像显示、可见光图像显示、红外图像与可见光图像的匹配处理、匹配后合成图像的显示和显示窗口的切换等。并且，可随时对图像数据库中保存的图像进行查询。
(4)信息管理模块：客户端用户进行登录、管理、查询。完成系统参数设置、系统配置和代理服务等功能，并提供常见材料发射率的查询等。
3系统应用案例
3.1系统应用方案设计
巡检机器人的巡视内容为围绕设备区内设备进行巡视，检测停靠点处设备的温度、如果超过预设阀值温度则进行记录并报警。其巡视任务是可以由手动或自动定时下发巡视任务。
(1)在基站运行人员选择关注的设备下发相应的巡视任务或者自动下发的巡视任务启动巡检机器人进行巡视。
(2)巡检机器人通过局部规划移动到关注设备的停靠点，并停车。
(3)巡检机器人向基站发送到达停靠点的信息，基站根据停靠点的信息做预先设定好的巡视内容，控制移动云台进行可见光抓图和红外检测。
(4)记录设备的可见光图像和红外图像，如果发现温度超过预定的最高温度则向运行人员报警。
(5)检测完毕，向巡检机器人下发停靠点巡视完毕指令。
经设计，如图3所示为我们所研发的变电站巡检机器人实体。
3.2巡检过程及信息记录
本系统分别以红外图像和可见光图像二个通道为基础，在软件界面上分别显示，利用各种图像处理方法进行图像增强和去噪处理，然后对两幅图像进行图像配准和图像融合得到一个新图像，这个新图像上既显示正常的可见光信息，又在可见光图像上显示出各测量点的温度值。也可以选取相应点进行详细查询。可以通过在数据库内预先设置报警温度值，当对应位置的温度和温升高于预设值时，报警灯将闪烁并报警，将温度值自动存储。本系统还可以与变电站其它区域的视频系统进行兼容，既可以对设备进行又可以达到防盗、防抢作用。
参考文献
[1]鲁守银,苏建军.机器人在变电站设备巡检中的应用[J].机器人技术与应用,2007,5(1):33-36
[2]矫德余.基于嵌入式系统的智能巡检机器人研制[D].中国石油大学(华东),2010
[3]肖鹏,王海鹏,曹雷等.变电站智能巡检机器人云台控制系统设计[J].制造业自动化,2012,34(1):105-108
[4]王建元,陈永辉.基于图论的电力巡检机器人智能寻迹方案[J].电力系统自动
化,2011,35(19):85-88
论文作者:刘园媛
论文发表刊物:《科技中国》2018年6期
论文发表时间:2018/8/10
标签：机器人论文; 变电站论文; 可见光论文; 设备论文; 图像论文; 系统论文; 模块论文; 《科技中国》2018年6期论文;