變電站巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析

楊思捷

摘 要：文章對(duì)變電站巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。變電站巡檢機(jī)器人作為智能電網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，對(duì)于推廣無(wú)人值守變電站、規(guī)范變電站的巡檢模式、提高巡檢效率等方面具有重要作用。配合紅外熱像儀、可見光相機(jī)、導(dǎo)航、驅(qū)動(dòng)模塊等，對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，提高了變電站的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：變電站；巡檢機(jī)器人；導(dǎo)航；圖像識(shí)別

隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，國(guó)家對(duì)于電力的需求也日益增加。變電站作為電力傳輸?shù)臉屑~環(huán)節(jié)，起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)變電站采用人工檢測(cè)模式，檢測(cè)員值守變電站，負(fù)責(zé)日常的檢測(cè)與維護(hù)工作。這一模式存在著很多主觀問(wèn)題，例如人員巡檢效率低、巡檢規(guī)則不統(tǒng)一、檢測(cè)準(zhǔn)確率存在差異并且無(wú)法檢測(cè)出設(shè)備潛在的風(fēng)險(xiǎn)等。另外，人工檢測(cè)還受許多客觀因素的制約，例如惡劣天氣的影響，偏遠(yuǎn)地帶變電站實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)管維護(hù)需要耗費(fèi)大量的人力財(cái)力造成資源的浪費(fèi)，并且工作人員的人身安全可能也會(huì)受到環(huán)境因素的威脅。這些因素都會(huì)影響變電站的工作效率，造成電力傳輸?shù)闹袛嘤绊懝╇?，影響人們的日程生活工作。因此，為了保證變電站的安全運(yùn)營(yíng)，變電站智能巡檢機(jī)器人[1-2]的出現(xiàn)成了一個(gè)理想的解決方案。相較于人工排查，智能機(jī)器人擁有更規(guī)范的排查機(jī)制，收集到的數(shù)據(jù)更加可靠精確，反饋更加及時(shí)，同時(shí)，機(jī)器人也可以探測(cè)到設(shè)備存在的潛在安全隱患，并且可以應(yīng)對(duì)各種惡劣的天氣。機(jī)器人節(jié)省了人力，提高了巡檢效率，也保障了從業(yè)人員的人身安全。所以，變電站智能巡檢機(jī)器人的推廣普及對(duì)變電站的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。

1 變電站巡檢機(jī)器人概述

變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用于變電站的室外巡檢，無(wú)軌化的導(dǎo)航定位裝置使得機(jī)器人可以清楚地進(jìn)行路徑的規(guī)劃并自由行動(dòng)在變電站道路上，配合紅外測(cè)溫、智能讀表以及圖像識(shí)別等技術(shù)輕松地對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行常規(guī)的檢測(cè)[3]，并將采集到的圖像、視頻信息和溫度、濕度、氣壓等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)端監(jiān)控。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 行走機(jī)構(gòu)

應(yīng)用于變電站移動(dòng)巡檢機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要可以分為3類：輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式機(jī)構(gòu)和固定軌道式機(jī)構(gòu)。其中輪式機(jī)構(gòu)在變電站巡檢機(jī)器人的使用中最為廣泛。

2.1.1 輪式行走機(jī)構(gòu)

輪式行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)性、靈活性較強(qiáng)。具有在狹小空間范圍內(nèi)的行走、轉(zhuǎn)向的能力。現(xiàn)有的輪式移動(dòng)機(jī)器人主要分為兩輪和四輪驅(qū)動(dòng)。相較于兩輪驅(qū)動(dòng)，四輪驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性、驅(qū)動(dòng)能力和轉(zhuǎn)彎靈活性優(yōu)于兩驅(qū)設(shè)計(jì)。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且需要較大的設(shè)計(jì)空間。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)依賴于變電站內(nèi)相對(duì)平坦的地面，對(duì)于變電站內(nèi)顛簸不平整的石子路面的適應(yīng)性低，巡檢效率會(huì)受到一定程度的影響。

2.1.2 履帶式行走機(jī)構(gòu)

對(duì)復(fù)雜路況的適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定的翻越障礙、爬坡能力。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，靈活性低，不適用于變電站內(nèi)狹窄路面通行。

2.1.3 固定軌道式機(jī)構(gòu)

機(jī)器人通過(guò)固定軌道的方式進(jìn)行移動(dòng)。這種移動(dòng)方式確保了機(jī)器人可以在預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)路徑上通行，并且移動(dòng)精度較高，易于控制。但是單一的導(dǎo)軌路徑限制了機(jī)器人巡檢的靈活性。此種軌道式移動(dòng)機(jī)器人目前主要應(yīng)用于變電站室內(nèi)屏柜的檢測(cè)。

2.2 導(dǎo)航技術(shù)

2.2.1 磁軌導(dǎo)航

磁軌導(dǎo)航系統(tǒng)[4]具有良好的穩(wěn)定性，它很少會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響。按照預(yù)設(shè)的運(yùn)行軌跡將磁性材料預(yù)埋在地下，機(jī)器人通過(guò)傳感器探測(cè)磁力塊信息，不斷監(jiān)測(cè)行進(jìn)間偏移的位置。行進(jìn)間通過(guò)射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification Devices，RFID）雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)埋的標(biāo)簽，在相應(yīng)位置執(zhí)行不同的操作，如停車、轉(zhuǎn)向等。但磁導(dǎo)航方式需要對(duì)軌道進(jìn)行定期的維護(hù)，并且在一定程度上限制了機(jī)器人的活動(dòng)范圍，且機(jī)器人不能夠自主地躲避障礙。

2.2.2 SLAM導(dǎo)航

同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM），是一種未知地圖導(dǎo)航技術(shù)，也是目前巡檢機(jī)器人較為流行的導(dǎo)航技術(shù)。機(jī)器人通過(guò)傳感器采集到的信息，在不斷計(jì)算自身位置的同時(shí)構(gòu)建周邊環(huán)境地圖?；诓煌膫鞲衅鲗?shí)現(xiàn)SLAM導(dǎo)航，有著不同的差異。目前主流的兩種SLAM導(dǎo)航分別是基于激光雷達(dá)的激光SLAM和基于視覺的VSLAM（Visual SLAM）。激光SLAM應(yīng)用時(shí)間早于VSLAM，有著成熟的理論依據(jù)，并且在應(yīng)用上也十分穩(wěn)定成熟，可在強(qiáng)光照射下運(yùn)行。激光雷達(dá)測(cè)距準(zhǔn)確，其導(dǎo)航精度可達(dá)到厘米級(jí)。但是激光雷達(dá)的探測(cè)范圍有限且價(jià)格十分昂貴。VSLAM通過(guò)攝像頭采集數(shù)據(jù)，使用成本較低，通過(guò)三角測(cè)距的方法測(cè)算距離，雖然精度不如激光SLAM，但可以充分利用其收集到的紋理信息，這使得其在重定位和場(chǎng)景分類上有著優(yōu)異的表現(xiàn)。但其受光照因素制約很大，在光線昏暗處（無(wú)紋理處）無(wú)法正常工作。

2.3 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別作為巡檢機(jī)器人的重要技術(shù)之一，決定了監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性，其實(shí)現(xiàn)方法也是機(jī)器人設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)重點(diǎn)考慮的因素之一?；跈C(jī)器人的云臺(tái)雙目視覺系統(tǒng)，利用紅外和可見光呈像相機(jī)拍攝采集紅外圖像、儀表指針數(shù)據(jù)、斷路器開關(guān)位置等信息，對(duì)采集到的圖像文件進(jìn)行處理，與前一次的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對(duì)比，累計(jì)圖像分析、紋理判斷等對(duì)設(shè)備是否出現(xiàn)異常作出判斷?？衫贸叨炔蛔兲卣髯儞Q、霍夫變換等算法的研究實(shí)現(xiàn)開關(guān)位置識(shí)別等問(wèn)題。基于深度學(xué)習(xí)的圖片識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)圖像分類、圖像分割、物體檢測(cè)等。算法的優(yōu)化是圖片識(shí)別的核心問(wèn)題。

3 發(fā)展趨勢(shì)

變電站巡檢機(jī)器人未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)將會(huì)集中在以下幾個(gè)方面。

（1）小型化、輕量化：目前機(jī)器人在變電站巡檢道路上因體積較大引起的移動(dòng)或轉(zhuǎn)向不靈活，影響探測(cè)效率。小型化的機(jī)器人本體設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)一些公司和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)率先開發(fā)了幾款小型的巡檢機(jī)器人。機(jī)器人擁有小型化的本體，減輕了自身的重量，功耗降低，機(jī)動(dòng)性增強(qiáng)，具有更加良好的環(huán)境適應(yīng)能力，同時(shí)也節(jié)約了研發(fā)的成本。

（2）激光和視覺SLAM導(dǎo)航相結(jié)合，各取其優(yōu)勢(shì)處，在弱光環(huán)境下使用激光SLAM進(jìn)行輔助，同時(shí)VSLAM在強(qiáng)光范圍獲取豐富的紋理信息為激光SLAM提供點(diǎn)云匹配。

（3）不停車巡檢：目前機(jī)器人的巡檢過(guò)程為停車巡檢，其一般需要以下幾個(gè)步驟。走到預(yù)位置，調(diào)整攝像頭位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完成后走到下一位置。這一個(gè)過(guò)程無(wú)疑在整個(gè)變電站設(shè)備巡檢中浪費(fèi)了大量的停車采集圖像的時(shí)間。若要不停車巡檢，則需解決巡檢機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中因云臺(tái)抖動(dòng)造成目標(biāo)圖像失真模糊、障礙物難以捕捉等問(wèn)題。這一改進(jìn)方法具體解決方案可以通過(guò)改進(jìn)圖像識(shí)別算法的研究以及增加車輛本體避震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)減小車輛移動(dòng)、震動(dòng)對(duì)圖像攝取的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

變電站智能巡檢機(jī)器人是機(jī)電一體化、導(dǎo)航定位技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、多傳感器融合等技術(shù)的產(chǎn)物，其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新是電力發(fā)展的基礎(chǔ)，機(jī)器人巡檢是未來(lái)變電站巡檢的必然趨勢(shì)。文章對(duì)巡檢機(jī)器人的主要功能及技術(shù)進(jìn)行了討論，并結(jié)合其相關(guān)特點(diǎn)，對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

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