摘要：随着国家的发展，机器人技术的广泛应用，利用携带检测设备与机械臂的室内机器人巡检平台来替代人工进行室内巡检成为了可能。
关键词：室内；变电站设备；巡检机器人；关键技术研究；应用
引言
变电站是输电网的枢纽，变电站设备巡检是有效保证变电站安全运行、提高供电可靠性的一项基础性工作。传统的巡检方式为人工巡检，巡检工人在现场对设备巡检时，主要通过看、触、听、嗅等感官来检查变电站设备是否出现漏油、裂痕、异常声响等，从而判断设备的运行状况。这就要求巡检工人有着丰富的经验和较高的技术水平。而绝大多数故障的表象均为温度异常，巡检工人通过手持式红外热像仪获取设备的温度场分布信息，对变电设备运行状态作出评估。这种巡检方式的效果经常受到天气等恶劣环境的影响，并且缺乏实时的故障分析和系统分析的能力。
1变电站巡检机器人的研究现状
我国自2010年开始了ROS的研发工作，在市场需求的影响下，2012年又有一批科研机构投入其中。当前，我国对ROS的研发工作已经初具成效，但是研发出的科技产品还是无法达到市场的需求，而与发达国家相比，也还是处于ROS研发的初级阶段。电力机器人的研发工作早在改革开放以后就已经开始了，由于生产所需的电力增多，致使变电站的巡检工作增多，这就推进了电力行业现代化自动化发展的进程。同时，变电站巡检机器人的研究工作也得到了国家的大力支持。某研究院对变电站巡检机器人的国家项目进行研发，且在2012年在其他研究院校的帮助下推出第三代与第四代变电站巡检机器人，这两代机器人成功的投入到变电站巡检工作中。同年，某自动化研究机构也研发出了一款可以在冰雪环境下进行巡检的机器人。
2关键技术研究
原有巡检机器人针对室外设备区巡检需要进行设计，为适应室内巡检任务，本文将多轴联动机械臂放置到了巡检机器人本体之上。在进入室内时，通过机械臂对巡检数据进行采集，使得巡检机器人在室内空间实现最大限度的目标覆盖及数据采集。通过后台软件功能的开发，实现对不同巡检任务的拓展兼容。由于要实现机械臂在复杂工作空间中的无死角覆盖，就必须让机器人对检测场景拥有感知能力，通过视觉反馈调整机械臂末端姿态以及接触力等方式，实现对设备的在线定位检测功能。为保证巡检机器人在作业过程中能够精确定位，通过激光导航技术进行导航。针对某些关键位置的准确停靠，特别是在长距离路径、局放监测、摆渡等过程中，对精确定位要求特别高的位置，采用射频标签识别（RFID）辅助定位。
3巡检机器人的工作流程及问题
（1）巡检机器人的工作流程。室内变电站巡检机器人的工作内容是移动机器人根据设定好的路线对室内变电站内部的设备运行情况进行巡检，另外一种是相关人员对移动机器人进行远程操控来完成巡检工作。室内变电站的设备包括电压变换器、断路器、真空开关及电力线等，巡检机器人需要完成的是对这些设备的运行情况和数据读取是否正常进行检测，做到对变电站的实施监控，为电力系统的稳定提供支持。（2）巡检机器人巡检过程中的问题。变电站内的环境比较复杂，移动机器人要想完成对室内变电站的巡检工作，就需要有较强的抗干扰性，并且具备定位准确优势。作为室内变电站的巡检机器人必须具备精准的定位与导航能力，这样才能实现自动化与智能化。变电站内部的设备多为金属材质，且流通的电压与电流较大。而内部的设备又较为密集，致使周围的磁场受到影响，没有规律可循。在巡检机器人采用磁敏传感器时，一旦靠近变电站设备就可能受到周围磁场的影响导致机器人失去作用，为此，在室内变电站的巡检工作中应该避免使用磁敏传感器的机器人。当前变电站巡检机器人比较常采用的导航定位方式是埋入式加RFID的方式。具体操作方式是将磁导轨按照需要巡检的路线埋入地下约为1cm的位置，并且在需要检测的设备上加RFID卡，以这种方式来实现导航定位的目的。然而，这种方式有一定的弊端，就是巡检机器人的路线固定，缺乏灵活性，同时在施工方面工程也较为巨大，资金的投入也较多。电力公司对巡检机器人的要求是能够顺利完成巡检工作；不能对变电站内的设备产生破坏；机器人的运行安全可靠；可以有效减少人工巡检的任务量。然而这种导航定位方式并不完全符合电力行业的需求，为此，需要相关研发机构加快对变电站机器人定位技术的研发进程，为变电站的巡检工作带来便利。
4室内巡检机器人导航技术与视觉定位检测技术
针对上述关键技术，本文主要阐述其中的室内机器人导航方法与视觉定位检测技术。
4.1机器人导航技术
目前常见的定位算法有三边测量法和三角测量法，其中三角测量法的实施过程较为简单，应用较广泛。室内巡检机器人导航控制原理如图1所示，图中ΔS和Δθ为当前运行路径的位置偏差和角度偏差。激光定位传感器预先存储环境中所有路标在全局坐标系下的坐标值，机器人导航时，定位传感器自动将检测到的路标与存储的路标匹配，进而计算得到机器人位置与航行信息。
图1巡检机器人导航控制原理
巡检机器人导航过程中位置与航向偏差如图2所示，传感器坐标系中的x轴与机器人纵轴重合，这样激光定位得到的坐标和方向即为机器人在全局坐标系下的位置（x，y）和航向θ。
图2巡检机器人位置及航向偏差
4.2视觉定位与检测技术
由于室内巡检机器人工作空间有限，本文通过将多功能工具盘安装到多轴联动机械臂的末端执行器之上，从而使得巡检机器人能够更好地利用有限的工作空间。因此，要求巡检机器人能够对检测目标进行空间感知，并将感知结果反馈回多轴联动机械臂，机械臂根据视觉反馈结果做出相应的动作，让末端工具盘移动到检测位置，完成对目标的检测。本文采用了Drost-PPF算法来完成空间物体对定位的感知，该算法分离线训练和在线识别两个过程，采用了点对特征来描述点云数据的几何关系，离线训练的过程中，通过输入模型的点对特征训练匹配数据的特征描述器，而在线识别的过程中，利用模型特征描述器快速识别场景与模型的相似点对，最后通过三维霍夫投票获得检测物体在机器人坐标系中的位姿。利用视觉反馈的信息，让机械臂末端工具盘到达检测位置对目标物体进行检测。对于不同的检测目标，只需要切换不同的模型就能完成对不同物体的检测定位，扩展了室内巡检机器人的检测功能。
5结语
随着工业机器人应用和智能电网的快速推进，越来越多的企业、变电站已经用工业机器人代替人工开展高危险性、高精密度、高重复性等工作。机器人代替人工开展变电站巡检，具有灵活性强、安全性好、可靠性高等优点。变电站智能巡检机器人自主在线监测技术是智能电网和智能变电站巡检技术的发展方向，具有广阔的应用平台和推广空间。
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论文作者:郝德荣,高月龙,徐玉刚
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
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