基于機器視覺的輸煤現(xiàn)場巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

文/盧銀輝 楊勇

1 系統(tǒng)概述

在火電廠輸煤系統(tǒng)中，工作人員須對輸煤系統(tǒng)皮帶機、碎煤機等關(guān)鍵設(shè)備進行日常巡檢及安全監(jiān)控，以保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。一套完整的輸煤系統(tǒng)包含多臺皮帶機和碎煤機，且輸煤線路較長，工作人員不僅要承擔(dān)繁重的巡檢任務(wù)，還須面對輸煤現(xiàn)場的粉塵、噪音等污染所帶來的職業(yè)病危害。本文基于以上現(xiàn)狀，并結(jié)合多年電力行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)經(jīng)驗，擬研制一種火電廠輸煤系統(tǒng)巡檢機器人，該機器人可完全替代人工，實現(xiàn)輸煤現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備的巡檢和安全監(jiān)控。

該機器人主要包含以下內(nèi)容：

1.1 無線智能充電系統(tǒng)

在輸煤現(xiàn)場設(shè)置無線充電基座，機器人可自主行走至無線充電基座，并通過無線方式補充電能，避免傳統(tǒng)充電方式可能引起的火花。同時，該無線充電基座集成了Wi-Fi 通信裝置，機器人在充電時，同時進行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 機器視覺與音頻綜合智能處理系統(tǒng)

利用紅外成像儀完成對輸煤系統(tǒng)機、碎煤機的溫度場掃描?？梢姽鈾C器視覺主要完成設(shè)備關(guān)鍵部位滲、漏油，機器表面是否粘油、粘煤等情況的判斷。

1.3 低功耗溫度振動采集與分析系統(tǒng)

配套開發(fā)一種低功耗無線溫度振動傳感器。該低功耗傳感器采用鋰電池供電，可吸附在被測物體表面。當(dāng)機器人行走至被測物體附近時，該傳感器將采集到的溫度和振動數(shù)據(jù)無線傳輸至機器人，最后由機器人將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 傳輸至控制室。

1.4 數(shù)據(jù)分析與智能處理系統(tǒng)

在對視頻、音頻、測溫測振、溫度場等數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，智能機器人對視頻、音頻、振動、紅外成像等大數(shù)據(jù)進行綜合分析、智能處理。針對輸煤系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的故障進行分析，建立故障分類及特征列表專家?guī)?，針對機器人采集到的溫度、振動數(shù)據(jù)、紅外成像與視頻信息、音頻數(shù)據(jù)等進行綜合智能分析與判斷，報警或指導(dǎo)檢修人員進行故障處理；巡檢智能機器人根據(jù)現(xiàn)場信息或遠(yuǎn)方指令，對輸煤系統(tǒng)進行即時巡檢。

2 技術(shù)路線

本項目提出的基于自主無線充電及仿生功能的火電廠輸煤系統(tǒng)智能機器人，包括無線智能充電、S 型定位軌道、低功耗溫度振動采集系統(tǒng)、托棍及滾筒異響音頻分析系統(tǒng)、紅外成像與可見光機器視覺綜合智能處理系統(tǒng)。在機器人上安裝紅外成像儀及攝像機，完成機器人周邊溫度場及視頻采集；安裝收聲器完成托棍及滾筒音頻采集，在設(shè)備本體安裝低功耗溫度振動采集系統(tǒng)，采用無線通訊方式，完成與機器人的通訊。從而實現(xiàn)輸煤系統(tǒng)中輸煤棧橋全方位、無死角替人巡檢，實時發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)備缺陷。

具有自主無線充電的智能機器人，機器人和充電基座之間不需要線纜連接，可有效避免電纜纏繞問題；對接環(huán)節(jié)不需要復(fù)雜的操作流程，不存在電能發(fā)送端與接收端的直接電氣連接，可以避免傳統(tǒng)插拔電能傳輸方式由于金屬接插件在輸煤系統(tǒng)積煤、積粉、高濕等特殊作業(yè)環(huán)境下因接觸不良引起的火花、漏電等安全隱患，提高了傳輸?shù)陌踩浴?/p>

在對音頻、視頻、測溫測振、溫度場等數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，智能機器人對音頻、視頻、振動、紅外成像等大數(shù)據(jù)進行綜合分析、智能處理?？梢葬槍斆合到y(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的故障進行分析，建立故障分類及特征列表專家?guī)?，針對機器人采集到的溫度、振動數(shù)據(jù)、紅外成像與視覺信息、音頻數(shù)據(jù)等進行綜合智能分析與判斷，報警或指導(dǎo)檢修人員進行故障處理；非規(guī)定巡檢時間內(nèi)，巡檢智能機器人根據(jù)現(xiàn)場音頻、煙霧、視頻等檢測信號，對輸煤系統(tǒng)進行綜合安全智能判斷，如安全指數(shù)較低，有安全隱患時，馬上即時巡檢。智能機器人模仿人腦進行故障智能判斷，從而使機器人智能化，并把處理結(jié)果接入控制系統(tǒng)、MIS、現(xiàn)場值班人員等，進一步提高輸煤系統(tǒng)巡檢的自動化。技術(shù)路線見圖1。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 自主無線充電

巡檢機器人的行走機構(gòu)以及其所搭載的攝像機、傳感器等，均為高耗能設(shè)備，因此需要頻繁的進行電能補給，同時考慮到輸煤現(xiàn)場往往伴隨有噴淋、沖洗等作業(yè)，會對現(xiàn)場的用電安全帶來隱患，本文研制了具備高防護等級的無線充電裝置，并結(jié)合路徑規(guī)劃技術(shù)，使得機器人可自主完成充電工作，真正實現(xiàn)巡檢機器人的能量自主補給。

本文采用基于磁耦合諧振的無線充電技術(shù)，包含DSP 最小系統(tǒng)、AD 采樣電路、耦合線圈、整流電路、逆變電路、蓄電池等組成。當(dāng)機器人進行電能補給時，初級側(cè)電路將AC220V 電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電，并通過耦合線圈，傳輸至次級側(cè)電路；次級側(cè)電路通過整流電路，將高頻交流電，轉(zhuǎn)換為48V 直流電源；AD 采樣電路實時監(jiān)測蓄電池狀態(tài)，并調(diào)節(jié)充電方式，完成對蓄電池的充電操作。

3.2 基于視頻音頻的仿生巡檢

圖1：技術(shù)路線

以輸煤系統(tǒng)皮帶機為例，日常巡檢內(nèi)容主要包括：減速機、液力耦合器、逆止器有無滲、漏油，制動器連桿銷子有無脫落，設(shè)備表面有無積塵、積煤，輸煤沿線有無撒煤等。以上內(nèi)容均需巡檢人員目視檢查。本文將機器視覺技術(shù)應(yīng)用到巡檢機器人，并結(jié)合現(xiàn)場的音頻數(shù)據(jù)，做出故障識別與判斷，替代人工完成以上類似工作。

本文采用基于opencv 的機器視覺技術(shù)，實現(xiàn)上述工況的智能檢測：利用數(shù)字?jǐn)z像機、陣列式收聲器，對待測設(shè)備進行視頻、音頻數(shù)據(jù)的收集；利用背景差分法、光流法、角點檢測等算法，對待測區(qū)域進行圖像處理，并識別其故障特診，同時，利用高斯濾波、小波變換等算法，對音頻數(shù)據(jù)進行分析與定位，并與視頻信息進行數(shù)據(jù)聯(lián)動，綜合判斷待測區(qū)域是否發(fā)生上述故障。

此外，在利用機器視覺實現(xiàn)故障的智能診斷時，如何解決現(xiàn)場干擾、成像條件變換大的問題，是本文的重點。在輸煤現(xiàn)場，會有人員、車輛從攝像機前經(jīng)過，該干擾因素會造成諸如堵煤誤報、滲漏油誤報等問題。本文結(jié)合背景差分法、幀間差分法，實現(xiàn)對背景信息的自更新與自學(xué)習(xí)，有效過濾因上述干擾因素造成的故障誤判。

3.3 數(shù)據(jù)分析與智能處理

針對輸煤系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的故障進行分析，建立故障分類及特征列表專家?guī)?，利用adaboost 機器學(xué)習(xí)智能算法，對機器人采集到的溫度、振動數(shù)據(jù)、紅外成像與視頻信息、音頻數(shù)據(jù)等進行綜合智能分析與判斷，報警或指導(dǎo)檢修人員進行故障處理；巡檢智能機器人根據(jù)現(xiàn)場信息或遠(yuǎn)方指令，對輸煤系統(tǒng)進行即時巡檢。專家系統(tǒng)可針對采集到的故障數(shù)據(jù)進行自學(xué)習(xí)，歸納整理設(shè)備故障特性，最終實現(xiàn)故障的早期預(yù)警。

其中，建立完善的故障類型庫，需要采集大量的現(xiàn)場故障，并對故障特征進行標(biāo)定；利用建立的故障類型庫，對本文設(shè)計的數(shù)據(jù)分許與智能處理單元進行訓(xùn)練，不斷提高該系統(tǒng)的故障檢測準(zhǔn)確率。

4 小結(jié)

本文設(shè)計了一種基于機器視覺、機器學(xué)習(xí)等智能技術(shù)的輸煤現(xiàn)場巡檢機器人，并采用無線電能補給方式，實現(xiàn)了在工業(yè)環(huán)境下對機器人的充電需求。本巡檢機器人的成功研制，順應(yīng)了智慧電廠的建設(shè)發(fā)展需求，實現(xiàn)了人工智能技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的探索與應(yīng)用。