機器人關(guān)鍵技術(shù)綜述變電站智能巡檢

景凱凱 袁順剛 胡林林

摘 要：變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)以自主或遙控的方式，在無人值守的環(huán)境中，完成對室外高壓設(shè)備進行紅外溫度監(jiān)測和儀表液位的圖像識別等任務(wù)，替代人工完成巡檢中遇到的繁、難、險和重復(fù)性的工作。本文介紹了變電站智能巡檢機器人的系統(tǒng)組成，重點探討了巡檢機器人的關(guān)鍵技術(shù)，包括行走機構(gòu)、導(dǎo)航控制技術(shù)、視覺伺服校正技術(shù)及圖像識別等技術(shù)，展望巡檢機器人的發(fā)展方向及應(yīng)用前景，為變電站巡檢機器人的更新迭代提供參考方向。

關(guān)鍵詞：變電站;巡檢機器人;導(dǎo)航;圖像識別;關(guān)鍵技術(shù)

目前，全國多數(shù)變電站電力設(shè)備巡檢仍為人工巡檢方式。巡檢人員的巡視內(nèi)容主要包括設(shè)備溫度、儀表表計讀數(shù)、或高壓電纜的接頭狀態(tài)等，巡視內(nèi)容固定單一，巡視人員工作效率較低[1]。隨著電網(wǎng)安全運行的要求越來越高，變電站使用智能化設(shè)備的必要性也越來越強，能夠使用一套既能對變電站設(shè)備自動進行數(shù)據(jù)采集，又能對所得數(shù)據(jù)進行全面綜合分析和比較的智能化無軌機器人系統(tǒng)，是非常必要的。

近年來，隨著變電站巡檢機器人持續(xù)深化應(yīng)用，機器人已可代替人工完成變電站高壓變電設(shè)備的所有巡檢作業(yè)。采用變電站巡檢機器人可提高變電站的數(shù)字化程度和全方位監(jiān)控的自動化水平，有效保障設(shè)備安全可靠運行，提高安全生產(chǎn)工作效率和質(zhì)量[2]。

1 變電站巡檢機器人系統(tǒng)組成

變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)分為三層體系架構(gòu)，分別為：車載子系統(tǒng)、本地監(jiān)控后臺及遠程集控后臺。車載子系統(tǒng)通過無線局域網(wǎng)與本地監(jiān)控后臺進行數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息交互，遠程集控后臺通過申請的電網(wǎng)專網(wǎng)對本地監(jiān)控后臺、車載子系統(tǒng)進行任務(wù)下派、狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理。車載子系統(tǒng)由控制單元、導(dǎo)航單元、行走機構(gòu)、供電單元及傳感單元組成，其中傳感單元包括云臺、可見光相機、紅外熱像儀及拾音檢測裝置。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)是巡檢機器人執(zhí)行巡檢任務(wù)的基礎(chǔ)，控制機器人前進、后退，轉(zhuǎn)彎及停止動作，行走機構(gòu)根據(jù)移動方式的不同，可分為履帶式、軌道式和輪式三種，分別應(yīng)用于不同的場景，其中輪式運動機構(gòu)在變電站巡檢機器人中被廣泛使用。

（1）履帶式行走機構(gòu)。履帶式行走機構(gòu)[3]可以在凸凹不平的路面上行走，也可以攀爬臺階、翻越溝壑，具有較強越障能力，適用于松軟或泥濘的地面，對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力強，但由于沒有自位輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，履帶式行走機構(gòu)只能靠左、右兩個履帶的速度差轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎過程中不僅會出現(xiàn)橫向滑動，在前進方向上也會產(chǎn)生滑動，轉(zhuǎn)彎阻力大，無法準確地確定轉(zhuǎn)彎半徑，同時轉(zhuǎn)彎速度較慢，靈活性較差，對于擁有狹窄路面和蓋板路的變電站場所不太適用。

（2）軌道式行走機構(gòu)。軌道式行走機構(gòu)是在固定的軌道上移動的裝置，根據(jù)規(guī)劃的路線預(yù)先敷設(shè)軌道，機器人可以移動到軌道上任何位置，具有定位精度高，移動安全、易于控制等特點，但由于軌道固定，機器人運行軌跡單一，靈活性較差，適用于變電站控制室、配電室等環(huán)境。

（3）輪式行走機構(gòu)。輪式行走機構(gòu)具有移動平穩(wěn)、能耗小，以及容易控制移動速度和方向等優(yōu)點，根據(jù)驅(qū)動類型分為兩輪驅(qū)動型和四輪驅(qū)動型，相比兩輪驅(qū)動，四輪驅(qū)動具有更強的驅(qū)動能力和轉(zhuǎn)彎靈活性，為了適應(yīng)變電站中的石板路、水泥路、電纜溝蓋板、草地、石子路等多種不同的路況，已有電力企業(yè)推出四驅(qū)四轉(zhuǎn)巡檢機器人，通過增加轉(zhuǎn)向機構(gòu)，實現(xiàn)了機器人原地平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，有效保護車體內(nèi)部回路，延長車載設(shè)備部件的使用壽命，此外，行走機構(gòu)配備獨立懸掛減震系統(tǒng)，每側(cè)車輪單獨通過彈性懸掛于車身下，降低重心、減小車身振動和沖擊，可實現(xiàn)自由穿行崎嶇路面。

2.2 導(dǎo)航控制技術(shù)

導(dǎo)航控制技術(shù)是巡檢機器人自主行走的基礎(chǔ)，目前常用的導(dǎo)航控制技術(shù)有：視覺導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光雷達導(dǎo)航等。

（1）視覺導(dǎo)航。近幾年，隨著計算機技術(shù)和圖像識別技術(shù)的迅速發(fā)展，視覺技術(shù)在機器人領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用，視覺導(dǎo)航就是利用一只或多只攝像機采集周圍環(huán)境下的圖像信息，通過圖像技術(shù)提取圖像中特征點信息，并通過不同幀之間的圖像不斷進行特征點匹配計算進行特征點跟蹤，實現(xiàn)姿態(tài)變換，從而獲得機器人在環(huán)境中的位置坐標，完成自主導(dǎo)航定位，但該方法數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜、定位實時性較差，并且易受光線、煙霧及雨天的影響，因此，多與其他定位導(dǎo)航方式組合使用。

（2）慣性導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航是一種不依賴于外界環(huán)境信息，僅依靠自身慣性元件獲取車體運動參數(shù)的導(dǎo)航方法，通常采用陀螺儀和加速度計測量機器人加速度和航向角，將加速度對時間進行積分并變換到導(dǎo)航坐標系中，獲得機器人的速度、偏航角和位置等信息，具有數(shù)據(jù)更新率高、短期精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但由于導(dǎo)航信息要經(jīng)過積分而產(chǎn)生，定位誤差會隨時間而累積，需要定期進行校正，消除累積誤差，因此通常與其他導(dǎo)航方式組合使用。

（3）激光雷達導(dǎo)航。激光雷達導(dǎo)航是應(yīng)用2D或3D激光雷達掃描周圍環(huán)境信息形成激光點云數(shù)據(jù)，以第一幀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)后一幀點云數(shù)據(jù)疊加到前面幀點云數(shù)據(jù)的原則，進而形成全局地圖，機器人自主運行時，激光雷達實時掃描的點云數(shù)據(jù)與地圖進行匹配，確定機器人在全局地圖中的坐標位置，根據(jù)目標點在地圖中的坐標位置，規(guī)劃一系列漸進目標點，控制機器人左、右兩邊車輪的速度，使機器人直線行走到目標點，完成導(dǎo)航。激光雷達具有測距精度高、受光線影響小、抗電磁干擾強，地面施工簡單等特點，因此在無人駕駛汽車或智能巡檢機器人中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 視覺伺服校正技術(shù)

機器人定位導(dǎo)航精度和云臺控制精度都存在一定的誤差，在機器人執(zhí)行巡檢任務(wù)過程中，可見光相機調(diào)取相機參數(shù)獲取設(shè)備圖像時會出現(xiàn)設(shè)備并未在視場中心，甚至偏差視場，導(dǎo)致獲取設(shè)備圖像識別，由此出現(xiàn)了一種基于設(shè)備模板庫的視覺伺服控制技術(shù)，依據(jù)機器人的云臺預(yù)置位，驅(qū)動云臺轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)相機焦距和倍率，形成自動巡檢模式下大視場的設(shè)備小圖，比對模板庫中的設(shè)備小圖，提取目標圖像位置的像素差，計算視場中的水平及垂直角度偏差，控制云臺轉(zhuǎn)動，使目標向視場中心偏移，校正因?qū)Ш胶驮婆_控制誤差產(chǎn)生的目標點偏離，此校正過程雖然可以糾偏，但增加了巡檢時間，降低了巡檢效率，如何實現(xiàn)快速地伺服校正成為當前巡檢機器人技術(shù)提升的重點。

2.4 圖像識別技術(shù)

圖像識別是巡檢機器人的重要技術(shù)之一，決定了巡視電力設(shè)備的準確性。在調(diào)試階段，利用搭載的紅外熱像儀、可見光相機采集紅外圖像、指針儀表圖像、設(shè)備油位圖像、刀閘、斷路器等圖像，并對采集到的圖像信息進行處理建立設(shè)備模板庫，機器人執(zhí)行任務(wù)過程中，監(jiān)控后臺將采集到的設(shè)備圖像與模板庫中的設(shè)備模板進行匹配對比，最終獲得設(shè)備識別結(jié)果。對于變電站環(huán)境下，有效應(yīng)對光照變化、陰影、遮擋、低對比度、視角變化等因素的智能圖像識別技術(shù)是巡檢機器提升識別率的關(guān)鍵。

3 發(fā)展趨勢

隨著變電站向無人值班化及智能化方向快速發(fā)展，對變電站巡檢機器人的需求十分迫切。未來變電站巡檢機器人的研究目標是提高巡檢機器人的智能性、運動靈活性以及高精度和配置簡便的導(dǎo)航方式。其發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下方面：

3.1 高速下精確定位導(dǎo)航技術(shù)

變電站巡檢機器人為保證自主導(dǎo)航的穩(wěn)定性、采集圖像的高質(zhì)量，在執(zhí)行巡檢任務(wù)過程中停車點的定位精度要求更高，實際應(yīng)用中車體自主行走的速度為一般為0.6m/s，機器人執(zhí)行任務(wù)過程中大部分的時間在“趕路”，致使整站巡檢時間較長，因此需要大大提高自主巡檢時車體的行走速度，同時保障機器人行走過程中導(dǎo)航的平穩(wěn)性、停車時的精確性，研究一種高速下精確定位導(dǎo)航技術(shù)成為未來必然趨勢，這將大大提高巡檢的效率。

3.2 遇障智能處理技術(shù)

目前應(yīng)用的巡檢機器人在巡檢任務(wù)過程遇到障礙物時，會立即停止并發(fā)出告警，障礙物一直不消除時，機器人會一直停止不動，需要運維人員人工干預(yù)，此種遇障處理模式智能化較低，不利于推廣變電站的無人值守模式，因此需要研究一種遇障智能處理技術(shù)，保障機器人遇到障礙物能夠智能分析處理，在機器人遇到障礙物停車時，應(yīng)根據(jù)路面寬度及障礙物尺寸，形成多種遇障處理模式：（1）道路許可的情況下直接繞過障礙物;（2）道路不許可但有其他路線時，可選擇其他路徑繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù);（3）道路不許可也無其他路線時，機器人返回充電房，以此提升機器人的智能化水平，減小人工干預(yù)。

3.3 設(shè)備缺陷智能分析技術(shù)

變電站設(shè)備巡檢過程中，機器人利用紅外熱像儀采集設(shè)備紅外圖像并上傳監(jiān)控后臺，監(jiān)控后臺分析設(shè)備紅外圖譜獲取設(shè)備溫度，設(shè)備溫度超過正常溫度時，巡檢機器人預(yù)警設(shè)備缺陷，但此種設(shè)備預(yù)警方法太過簡單，使運維人員無法準確得知設(shè)備的缺陷類型，因此，采用設(shè)備缺陷智能分析技術(shù)，監(jiān)控后臺分析設(shè)備紅外圖像，依據(jù)缺陷判定準則對設(shè)備缺陷類型、潛在故障位置和特征、嚴重程度進行智能判斷，便于運維人員獲得準確的設(shè)備缺陷信息，制定合理高效的應(yīng)對措施，進而保障設(shè)備的安全、可靠運行。

4 結(jié)語

目前，變電站智能巡檢機器人已經(jīng)在浙江、江蘇、山東等省電力公司中推廣應(yīng)用，從實際利用的效果來看，機器人巡檢一定程度上可以替代人工巡檢，完成日常的表計巡視、油位巡視、紅外測溫及刀閘操作狀態(tài)等工作，但依然存在施工調(diào)試周期長、巡檢效率低、智能化水平較低等缺點。本文通過對變電站智能巡檢機器人的關(guān)鍵技術(shù)介紹，探討巡檢機器人技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，從而推動巡檢機器人產(chǎn)品的更新迭代，全面提升巡檢機器人智能化水平，助力變電站巡檢機器人的推廣應(yīng)用。

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