室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

羅華理

摘 要：變電站巡檢工作是變電站安全可靠運(yùn)行的重要保證之一。傳統(tǒng)的人工巡檢存在工作量大、主觀因素多等缺點(diǎn)，很容易因?yàn)楣ぷ魅藛T的疏忽導(dǎo)致漏檢、誤檢等情況，從而給變電站的安全運(yùn)行帶來隱患。為了解決傳統(tǒng)人工巡檢存在的弊端，隨著智能機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人替代人工進(jìn)行巡檢的變電站智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)變電站；巡檢機(jī)器人；關(guān)鍵技術(shù)

引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，利用攜帶檢測設(shè)備與機(jī)械臂的室內(nèi)機(jī)器人巡檢平臺(tái)來替代人工進(jìn)行室內(nèi)巡檢成為了可能。接下來本文將對室內(nèi)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

1國內(nèi)硏究發(fā)展現(xiàn)狀

與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國對移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研巧起步較晚。1983年，國家成立863離新技術(shù)研巧計(jì)劃，將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)重要的研巧課題，國家先后投入了幾億的資金進(jìn)行機(jī)器人項(xiàng)目的研巧，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。目前，隨著精密儀器、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等重要學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展己經(jīng)邁入第H階段…智能機(jī)器人階段，智能機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。經(jīng)過十幾年的艱苦奮斗，不管是在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)還是實(shí)際應(yīng)用，我國在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研巧都取得了重大的進(jìn)步，尤其是在水下、空間、核領(lǐng)域等特殊機(jī)器人方面，一批機(jī)器人產(chǎn)品和機(jī)器人應(yīng)用工程應(yīng)運(yùn)而生，主要有安保機(jī)器人、消防機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。隨著智能電網(wǎng)的不斷建設(shè)，作為電網(wǎng)重點(diǎn)設(shè)施的變電站也相應(yīng)的推進(jìn)智能化、自動(dòng)化進(jìn)程，變電站巡檢機(jī)器人的研巧也隨之受到更多的關(guān)注，越來越多的科研工作者投入到變電站智能巡檢機(jī)器人領(lǐng)域的研巧中：2002年，電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在國家863技術(shù)的支持下，研發(fā)出了第一代變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人，使移動(dòng)機(jī)器人替代人工進(jìn)行變電站巡檢的可能成為現(xiàn)實(shí)。我國對變電站巡檢機(jī)器人的研巧盡管起步較晚，但是與發(fā)達(dá)國家之間的差距正逐漸縮小。然而，當(dāng)前變電站巡檢機(jī)器人領(lǐng)域的研究主要是針對地面上的室外變電站，對適用于地下室內(nèi)變電站場景的巡檢機(jī)器人的研究仍比較少見。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

原有巡檢機(jī)器人針對室外設(shè)備區(qū)巡檢需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，為適應(yīng)室內(nèi)巡檢任務(wù)，本文將多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂放置到了巡檢機(jī)器人本體之上。在進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，通過機(jī)械臂對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使得巡檢機(jī)器人在室內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)最大限度的目標(biāo)覆蓋及數(shù)據(jù)采集。通過后臺(tái)軟件功能的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對不同巡檢任務(wù)的拓展兼容。由于要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在復(fù)雜工作空間中的無死角覆蓋，就必須讓機(jī)器人對檢測場景擁有感知能力，通過視覺反饋調(diào)整機(jī)械臂末端姿態(tài)以及接觸力等方式，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的在線定位檢測功能。為保證巡檢機(jī)器人在作業(yè)過程中能夠精確定位，通過激光導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航。針對某些關(guān)鍵位置的準(zhǔn)確?？浚貏e是在長距離路徑、局放監(jiān)測、擺渡等過程中，對精確定位要求特別高的位置，采用射頻標(biāo)簽識(shí)別（RFID）輔助定位。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)

目前常見的定位算法有三邊測量法和三角測量法，其中三角測量法的實(shí)施過程較為簡單，應(yīng)用較廣泛。室內(nèi)巡檢機(jī)器人導(dǎo)航控制原理如圖1所示，圖中ΔS和Δθ為當(dāng)前運(yùn)行路徑的位置偏差和角度偏差。激光定位傳感器預(yù)先存儲(chǔ)環(huán)境中所有路標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，機(jī)器人導(dǎo)航時(shí)，定位傳感器自動(dòng)將檢測到的路標(biāo)與存儲(chǔ)的路標(biāo)匹配，進(jìn)而計(jì)算得到機(jī)器人位置與航行信息。

巡檢機(jī)器人導(dǎo)航過程中位置與航向偏差如圖2所示，傳感器坐標(biāo)系中的x軸與機(jī)器人縱軸重合，這樣激光定位得到的坐標(biāo)和方向即為機(jī)器人在全局坐標(biāo)系下的位置（x，y）和航向θ。

3.2可見光通信技術(shù)

3.2.1可見光通信技術(shù)原理

長期以來，可見光無線通信技術(shù)一直是科研工作者們的研巧熱點(diǎn)，不管是在軍事還是民用領(lǐng)域，其中紅外的研究己非常成熟且得到了廣泛的應(yīng)用，但是380￣760nm波段的可見光的運(yùn)用卻相對匿乏得多，送主要是因?yàn)榭梢姽獍l(fā)光器件的局限，使其不能滿足通信的條件。隨著技術(shù)的不斷突破，半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為可見光通信的信號(hào)發(fā)射源，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率的調(diào)制帶寬，使得照明可見光傳遞信息的可見光通信成為可能。半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）LU其使用壽命長、消耗功率低、賴?yán)眢w積小和綠色環(huán)保等優(yōu)勢，正逐漸取代傳統(tǒng)的巧光燈和窗素?zé)?，成為下一代照明的主體。LED的開關(guān)速度較高，能夠被高速調(diào)制（調(diào)制頻率可達(dá)兆赫茲），是可見光通信技術(shù)的關(guān)鍵?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)是把信息調(diào)制在LED發(fā)光器件發(fā)出的可見光波上，利用接收設(shè)備探測并解調(diào)經(jīng)過調(diào)制的可見光光源信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和交互，終端用戶位于LED光源的光照范圍內(nèi)，通過接收可見光與LED光源建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.2.2可見光通信技術(shù)特點(diǎn)

基于LED的可見光通信技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其特點(diǎn)如下：（1）無電磁污染可見光通信技術(shù)的傳輸載體是LED光源發(fā)射出的可見光波，作為照明光源，LED光源發(fā)出的燈光與射頻電磁波不同，對人體無危害，不存在電磁污染。（2）私密性強(qiáng)可見光通信技術(shù)的通信覆蓋范圍是LED光源的光照范圍，由于光的方向性和不可穿透性，只要周圍是封閉或者被窗簾遮擋，在沒有光線到達(dá)的地方無法接收信號(hào)，因而可見光通信是本質(zhì)安全的，不易受到干擾和竊聽。（3）成本低可見光通信是W室內(nèi)照明LED為主體，只要有照明LED存在，就可LJ搭建可見光通信網(wǎng)絡(luò)，因而無需額外鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，解決了大量的建設(shè)成本。（4）網(wǎng)絡(luò)帶寬高LED的調(diào)制帶寬很高，可達(dá)lOMHz，目前，通過采用時(shí)間復(fù)用、空分復(fù)用、OFDM等技術(shù)，可見光通信的速率理論可達(dá)Gbit/s，因而能夠?qū)崿F(xiàn)快速上網(wǎng)下載網(wǎng)絡(luò)信息，滿足當(dāng)前語音、視頻、數(shù)據(jù)等大容量數(shù)據(jù)通信的需求。（5）無需頻率許可可見光通信的頻率使用不需要頻率許可，因而不用可見光通信在頻率的使用上不存在因頻率劃分而帶來的限制。綜上所述，可見光通信技術(shù)具有無電磁污染、私密性強(qiáng)、成本低、網(wǎng)絡(luò)帶寬高、無需頻率許可等優(yōu)巧，受到越來越多的科研工作者的青睞。隨著LED器件特性的研發(fā)逐漸進(jìn)步和突破，可見光通信技術(shù)的研巧熱點(diǎn)己不再局限于通信速率的提升，而是從點(diǎn)對點(diǎn)的通信逐漸擴(kuò)展到系統(tǒng)的搭建和網(wǎng)絡(luò)的布局上，因而可見光通信技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛，總的來說可tA分為W下H個(gè)場景。具有強(qiáng)磁干擾的環(huán)境，由于頻率重疊或者電磁干擾等因素，醫(yī)院、部分工廠等電磁敏感的場景中不能使用射頻類通信技術(shù)，在這些場景中，射頻類通信技術(shù)將帶來嚴(yán)重的電磁污染，或者因強(qiáng)磁干擾不能保證穩(wěn)定可靠的通信質(zhì)量，因而需要一種新型的通信技術(shù)。在這種情況下，可見光通信技術(shù)剛好能夠彌補(bǔ)射頻類通信技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)特殊場景的無線通信，且能夠滿足通信速率等指標(biāo)的要求。

結(jié)語

可見光通信技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下?lián)碛衅涞锰飒?dú)厚的優(yōu)勢，無需額外布線，且能夠提供高速率的帶寬資源，能夠滿足多業(yè)務(wù)、多元化的上網(wǎng)需求。另一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的不斷推進(jìn)，"智能家居"的概念也逐漸興起，在家庭環(huán)境中布建局域網(wǎng)絡(luò)，滿足上網(wǎng)、視頻等高速通信的需求，可見光通信技術(shù)將是優(yōu)先的選擇。希望通過本文對此的分析研究，給行業(yè)內(nèi)人士帶來借鑒和啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]魯守銀，錢慶林，張斌，等.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（13）：94-98.

[2]王建元，王嫻，陳永輝，等.基于圖論的電力巡檢機(jī)器人智能尋跡方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（9）：78-81.

（作者單位：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局）