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(lái)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(cè)設(shè)備與機(jī)械臂的室內(nèi)機(jī)器人巡檢平臺(tái)來(lái)替代人工進(jìn)行室內(nèi)巡檢成為了可能。接下來(lái)本文將對(duì)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(guó)內(nèi)硏究發(fā)展現(xiàn)狀

與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研巧起步較晚。1983年，國(guó)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(guó)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(lái)越廣泛。經(jīng)過(guò)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(guó)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(lái)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(guó)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(guó)對(duì)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(guó)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(duì)地面上的室外變電站，對(duì)適用于地下室內(nèi)變電站場(chǎng)景的巡檢機(jī)器人的研究仍比較少見(jiàn)。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

原有巡檢機(jī)器人針對(duì)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(guò)機(jī)械臂對(duì)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(guò)后臺(tái)軟件功能的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)死角覆蓋，就必須讓機(jī)器人對(duì)檢測(cè)場(chǎng)景擁有感知能力，通過(guò)視覺(jué)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(duì)設(shè)備的在線定位檢測(cè)功能。為保證巡檢機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中能夠精確定位，通過(guò)激光導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航。針對(duì)某些關(guān)鍵位置的準(zhǔn)確?？浚貏e是在長(zhǎng)距離路徑、局放監(jiān)測(cè)、擺渡等過(guò)程中，對(duì)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(jiàn)的定位算法有三邊測(cè)量法和三角測(cè)量法，其中三角測(cè)量法的實(shí)施過(guò)程較為簡(jiǎn)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(cè)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(guò)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(jiàn)光通信技術(shù)

3.2.1可見(jiàn)光通信技術(shù)原理

長(zhǎng)期以來(lái)，可見(jiàn)光無(wú)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(jiàn)光的運(yùn)用卻相對(duì)匿乏得多，送主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光發(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(jiàn)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(jiàn)光傳遞信息的可見(jiàn)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(zhǎng)、消耗功率低、賴?yán)眢w積小和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，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(kāi)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(jiàn)光通信技術(shù)的關(guān)鍵?？梢?jiàn)光通信技術(shù)是把信息調(diào)制在LED發(fā)光器件發(fā)出的可見(jiàn)光波上，利用接收設(shè)備探測(cè)并解調(diào)經(jīng)過(guò)調(diào)制的可見(jiàn)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(guò)接收可見(jiàn)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(jiàn)光通信技術(shù)特點(diǎn)

基于LED的可見(jiàn)光通信技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)如下：（1）無(wú)電磁污染可見(jiàn)光通信技術(shù)的傳輸載體是LED光源發(fā)射出的可見(jiàn)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(duì)人體無(wú)危害，不存在電磁污染。（2）私密性強(qiáng)可見(jiàn)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(méi)有光線到達(dá)的地方無(wú)法接收信號(hào)，因而可見(jiàn)光通信是本質(zhì)安全的，不易受到干擾和竊聽(tīng)。（3）成本低可見(jiàn)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(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)，因而無(wú)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(guò)采用時(shí)間復(fù)用、空分復(fù)用、OFDM等技術(shù)，可見(jiàn)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(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等大容量數(shù)據(jù)通信的需求。（5）無(wú)需頻率許可可見(jiàn)光通信的頻率使用不需要頻率許可，因而不用可見(jiàn)光通信在頻率的使用上不存在因頻率劃分而帶來(lái)的限制。綜上所述，可見(jiàn)光通信技術(shù)具有無(wú)電磁污染、私密性強(qiáng)、成本低、網(wǎng)絡(luò)帶寬高、無(wú)需頻率許可等優(yōu)巧，受到越來(lái)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(jiàn)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(duì)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(jiàn)光通信技術(shù)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，總的來(lái)說(shuō)可tA分為W下H個(gè)場(chǎng)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(chǎng)景中不能使用射頻類通信技術(shù)，在這些場(chǎng)景中，射頻類通信技術(shù)將帶來(lái)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(jiàn)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(chǎng)景的無(wú)線通信，且能夠滿足通信速率等指標(biāo)的要求。

結(jié)語(yǔ)

可見(jiàn)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(shì)，無(wú)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(jiàn)光通信技術(shù)將是優(yōu)先的選擇。希望通過(guò)本文對(duì)此的分析研究，給行業(yè)內(nèi)人士帶來(lái)借鑒和啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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