一種具有圖像功能的電力巡檢自站立移動機(jī)器人

葉思琪，劉 飄，羅金滿，余 凌，王湘女

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523008）

0 引言

電力系統(tǒng)及其附屬的大量電氣設(shè)備長時間不間斷運(yùn)行過程中，通常采用定期巡檢等方式對電力系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行排查，以便及時發(fā)現(xiàn)有故障甚至潛在故障的電力設(shè)備。當(dāng)前電力設(shè)備巡檢，多需要運(yùn)維人員攜帶對應(yīng)設(shè)備，到電力現(xiàn)場進(jìn)行電氣設(shè)備的逐一巡檢，存在工作量大、效率低的問題。

針對當(dāng)前人工巡檢效果過于依賴人工經(jīng)驗(yàn)的問題，電力領(lǐng)域也逐步采用移動機(jī)器人進(jìn)行電氣設(shè)備的巡檢［1-4］。尤其對于地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣、高壓危險的特種電力區(qū)域的巡檢工作，依靠人工進(jìn)行巡檢存在不及時、人工投入大、效率低、危險性高等缺點(diǎn)，采用移動機(jī)器人巡檢有助于解決上述問題［5-8］。目前巡檢機(jī)器人最常用的移動結(jié)構(gòu)多為輪式或掛軌式。輪式移動結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但其地形適應(yīng)能力較差，僅適用于較為平坦的地面，如因外部環(huán)境如地面摩擦力不足、地方陡峭或者啟動、急停時都會導(dǎo)致機(jī)器人失穩(wěn)摔倒。掛軌式機(jī)器人巡檢有精確的定位精度和響應(yīng)速度，如文獻(xiàn)［9］開發(fā)了一款具有云臺升降功能的掛軌式巡檢機(jī)器人，提高了海上升壓站巡檢智能化水平。但以上兩種移動結(jié)構(gòu)的機(jī)器人大多存在跌倒后無法自站立或運(yùn)動路徑單一的問題，本項(xiàng)目將研發(fā)一種具有自站立功能的巡檢機(jī)器人。

自站立功能巡檢機(jī)器人將借鑒人體行走的機(jī)理，研發(fā)一種跌倒后可自站立的機(jī)器人，解決當(dāng)前電力領(lǐng)域機(jī)器人普遍存在的不可自站立的問題，同時輔以高清攝像頭，進(jìn)行特種電力區(qū)域的運(yùn)行狀況和環(huán)境拍攝，實(shí)現(xiàn)特種電力區(qū)域信息的記錄和檢測，同時兼具智能巡線、自動避障等功能。

1 自站立機(jī)器人原理

輪式移動機(jī)器人具有較為固定的前進(jìn)方式，與地面的接觸面積大，前行穩(wěn)定性較好，控制方式較為簡單，因此，在當(dāng)前的電力巡檢中得到廣泛應(yīng)用。但是輪式移動機(jī)器人只適用于地面平穩(wěn)的電力應(yīng)用場景，對于路面不平整或障礙物較多的電力巡檢應(yīng)用，則受限太多無法很好完成巡檢任務(wù)［10-12］。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，具有腳足的自站立機(jī)器人逐步得到了應(yīng)用，尤其在地面曲折、臺階較多等復(fù)雜地理的電力巡檢，具有腳足的自站立機(jī)器人能夠完成輪式移動機(jī)器人無法完成的巡檢任務(wù)，而且具有自站立功能，能避免機(jī)器人意外摔倒時無法重新站立，從而不能繼續(xù)巡檢的弊端。

自站立機(jī)器人由物理手足、執(zhí)行模塊、驅(qū)動模塊和控制模塊等主要模塊組成，如圖1 所示。物理手足是機(jī)器人的物理本體，完成機(jī)器人的肢體支撐、行走擺動以及抓持工件等特定動作，物理手足數(shù)量根據(jù)所需完成的任務(wù)來決定［13-14］。對于電力巡檢來說，巡檢機(jī)器人的物理手足數(shù)量越多，自站立機(jī)器人靈活性越好，但控制難度也更大，所需的控制要求也更高。

圖1 自站立機(jī)器人原理圖Fig.1 Schematic diagram of self-standing robot

執(zhí)行模塊和驅(qū)動模塊是實(shí)現(xiàn)自站立機(jī)器人靈活控制的直接操作單元，共同協(xié)作完成自站立機(jī)器人的腳足擺動站立、傾斜、臥倒、前行甚至跨越等對應(yīng)動作。自站立機(jī)器人執(zhí)行模塊和驅(qū)動模塊的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為自站立機(jī)器人的自由度，自由度越多，自站立機(jī)器人的靈活性越大，通用性越廣，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。

控制系統(tǒng)是自站立機(jī)器人的“大腦”，通過接收傳感器的位置、速度等信息，完成自站立機(jī)器人的方位、狀態(tài)識別并進(jìn)行路徑規(guī)劃等功能，將下一步需要完成的功能，通過執(zhí)行模塊和驅(qū)動模塊反饋到物理腳足，操作物理腳足執(zhí)行對應(yīng)動作。

2 自站立機(jī)器人信息模型

圖2 自站立機(jī)器人信息模型圖Fig.2 Information model diagram of self-standing robot

傳統(tǒng)的機(jī)器人信息來源，多依賴于位置傳感器、速度傳感器等純數(shù)值型的傳感數(shù)據(jù)，為了提高機(jī)器人的狀態(tài)精度，通常需要布置大量的傳感器，增加了機(jī)器人設(shè)計(jì)的成本［19-22］。另外，僅靠機(jī)器人純數(shù)值型的傳感數(shù)據(jù)，獲得機(jī)器人自身的地理位置信息，不容易獲悉周邊環(huán)境的信息，尤其無法從全局上全面了解機(jī)器人的位置以及精準(zhǔn)掌握下一步的最優(yōu)行動路徑。

因此，本文設(shè)計(jì)的自站立機(jī)器人，在傳統(tǒng)機(jī)器人配備的位置傳感器、速度傳感器基礎(chǔ)上，配備自由度高清晰廣角攝像頭，該攝像頭不僅可以實(shí)時采集機(jī)器人自身的位移信息，與位置傳感器、速度傳感器構(gòu)建基于數(shù)值和圖像數(shù)據(jù)融合的自站立機(jī)器人信息模型。自站立機(jī)器人實(shí)時采集攝像頭所拍攝的圖像信息，首先進(jìn)行灰度化、幾何變換、圖像增強(qiáng)等圖像預(yù)處理技術(shù)，提高所采集的機(jī)器人圖像信息的可用度，并基于所構(gòu)建的機(jī)器人采樣數(shù)值、圖像多樣信息融合模型，不僅可以更加精準(zhǔn)地確定機(jī)器人位置方位、是否跌倒等關(guān)鍵信息，而且還可以通過圖像獲悉障礙物等周邊環(huán)境信息，為自站立移動機(jī)器人設(shè)計(jì)能完成視覺巡線、自動避障、自主站立等功能提供有力的信息模型支撐。

3 主要硬件電路設(shè)計(jì)

自站立機(jī)器人的具體電路設(shè)計(jì)上，在遵循經(jīng)典的“感知-分析運(yùn)算-執(zhí)行”的3 個控制邏輯基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前最新的半導(dǎo)體發(fā)展技術(shù)，在“感知-分析運(yùn)算-執(zhí)行”3 個環(huán)節(jié)都采用對應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)，更好發(fā)揮自站立機(jī)器人的性能［23-25］。在感知環(huán)節(jié)，采用位置感知和圖像感知相結(jié)合的全域地理感知方式，避免自站立機(jī)器人陷入局部甚至不可跨越障礙物的前進(jìn)路徑搜尋。在分析運(yùn)算環(huán)節(jié)，由于采用了高級算法進(jìn)行自站立機(jī)器人的位置分析、路徑規(guī)劃等應(yīng)用，涉及的算法較為復(fù)雜、耗時較大［26-35］，因此采用具有浮點(diǎn)計(jì)算功能的高性能數(shù)字信號控制器作為主控制器［23-25］。對于自站立機(jī)器人，涉及多個自站立機(jī)器人腳足的控制，控制環(huán)節(jié)較多，需要選用控制接口豐富的控制器。

具體表現(xiàn)在，首先通過位置傳感器實(shí)時采集機(jī)器人的物理位置，并通過圖像傳感器采集機(jī)器人周邊地理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人含周邊環(huán)境及其前進(jìn)路徑規(guī)劃的全域地理信息收集。在位置地理傳感信息收集基礎(chǔ)上，通過位置判斷、路徑規(guī)劃等高級應(yīng)用算法，自站立機(jī)器人的控制器采用具有主頻高、計(jì)算能力強(qiáng)的數(shù)字信號控制器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的高效運(yùn)行。自站立機(jī)器人腳足主要是實(shí)現(xiàn)PWM 控制，涉及到的PWM 接口控制多。

綜合自站立機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，選擇經(jīng)典的控制單元F28335 作為主控制器。F28335 具有豐富的內(nèi)置AD 采樣模塊，可以進(jìn)行位置等傳感信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成傳感信息的數(shù)字量；F28335具有數(shù)字信號控制體系的高性能浮點(diǎn)計(jì)算功能，可以同時高效完成自站立機(jī)器人位置判斷、路徑規(guī)劃等復(fù)雜算法；最重要的是，F(xiàn)28335 控制器本身具有多個PWM 控制接口，可以方便地進(jìn)行自站立機(jī)器人腳足PWM控制輸出。

自站立移動機(jī)器人以F28335控制器為核心，并由傳感器模塊、高清攝像頭、鋰電池供電及其人機(jī)界面模塊、通信模塊、PWM 信號輸出放大及電機(jī)執(zhí)行電路模塊、通信模塊、機(jī)器人腳足以及鋁合金支架等主要模塊組成，如圖3所示。

圖3 自站立機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)Fig.3 Hardware design of self-standing robot

傳感器模塊方面，采用速度傳感器、足端傳感器等多傳感器融合及時檢測機(jī)器人步行狀態(tài)，防止機(jī)器人摔倒或在摔倒后及時做出應(yīng)對措施。所配備的足端傳感器可以準(zhǔn)確獲得腳步支撐信息，足端傳感器為可拆卸部件，如不需要可去除。

鋰電池供電及其人機(jī)界面模塊方面，機(jī)器人采用鋰電池為整機(jī)進(jìn)行能量供應(yīng)，并配備當(dāng)前鋰電池容量顯示界面，實(shí)時提醒運(yùn)行人員當(dāng)前鋰電池的容量情況，防止自站立機(jī)器人工作過程中由于電量不足導(dǎo)致工作異常。

PWM 信號輸出放大及電機(jī)執(zhí)行電路模塊，直接決定了自站立機(jī)器人的性能。本設(shè)計(jì)充分利用F28335 控制器自身配備的充足PWM 接口，只需直接將PWM 接口管腳接入驅(qū)動放大電路，并驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行自站立機(jī)器人的位移。自站立機(jī)器人轉(zhuǎn)動的角度是由調(diào)整PWM 波的脈沖寬度來決定的，其脈沖寬度與電機(jī)的轉(zhuǎn)角相對應(yīng)。自站立機(jī)器人每一條腳足的關(guān)節(jié)處都有小型電機(jī)，小型電機(jī)的作用是驅(qū)動自站立機(jī)器人腳足實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)肢體的前進(jìn)和后退移動行走，在自站立機(jī)器人跌倒時，還具有自站立功能。

通信接口方面，自站立機(jī)器人配備多種通信方式以滿足不同電力應(yīng)用巡檢要求，首先利用F28335控制器自身配備的UART 接口，方便擴(kuò)充成當(dāng)前電力應(yīng)用現(xiàn)場常見的RS485通信接口。該自站立機(jī)器人進(jìn)一步配備4G通信模塊，可以將自站立機(jī)器人采集到的電力巡檢信息，高效地傳遞到遠(yuǎn)方的運(yùn)維中心，減少運(yùn)維人員到現(xiàn)場的需求。

高清攝像頭是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，采用高清晰廣角攝像頭對巡檢現(xiàn)場進(jìn)行記錄，靈活廣泛的攝像角度極大方便巡檢人員的觀測，甚至可以到達(dá)人工無法觀測的位置。自站立機(jī)器人采用改造過的?？低暤脑婆_攝像頭7533IW-A 進(jìn)行信息采集，頭部可以上下左右轉(zhuǎn)動，搭載360°廣角高清晰度攝像頭，使得機(jī)器人的視覺識別范圍更大，攝像機(jī)支持手動調(diào)焦，使用更方便，并支持500 萬像素，兼容多系統(tǒng)操作windows、Linux、Openwrt，以及USB 免驅(qū)連接，能夠滿足全視覺拍攝要求。視頻采集完后，可將視頻存儲于攝像頭底盤的視頻傳儲器，也可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)器人所配置的APP 上，從APP 上獲得由攝像頭所傳回的高清視頻。

4 主要軟件流程設(shè)計(jì)

自站立機(jī)器人運(yùn)行過程中，根據(jù)所分配的電力運(yùn)維任務(wù)，按事先規(guī)劃的原始路徑逐步前行，機(jī)器人在前行過程中，通過位置傳感器、加速傳感器等傳感單元不斷采集當(dāng)前的位置和移動速度等表征機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)值型信息，同步采集圖像，將圖像信息和機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)值型信息融合后進(jìn)行全域的機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)判斷，其程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 主要軟件流程設(shè)計(jì)Fig.4 Main software process design

首先判斷當(dāng)前機(jī)器人是否處于跌倒?fàn)顟B(tài)，如果處于跌倒?fàn)顟B(tài)，則先通過控制機(jī)器人的腳足站立，恢復(fù)機(jī)器人的站立狀態(tài)，并通過傳感器和攝像機(jī)，實(shí)時采集當(dāng)前機(jī)器人的位置方位信息，同時規(guī)劃機(jī)器人前行的下一步路徑。

接著判斷所規(guī)劃的路徑是否存在障礙物，如果有障礙物，則結(jié)合圖像的障礙物大小尺寸，進(jìn)一步判斷機(jī)器人是否能跨越障礙物，如果不可用，則重新規(guī)劃前進(jìn)路徑，并按機(jī)器人所規(guī)劃的路徑繼續(xù)前行，前行過程中不斷采集傳感信息和圖像信息，并結(jié)合兩者信息分析機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)和規(guī)劃前行路徑。

自站立機(jī)器人軟件運(yùn)行過程中，機(jī)器人軟件首先就這些軟件開始自檢和初始化，然后按照電力巡檢任務(wù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，并按規(guī)定的路徑進(jìn)行PWM輸出控制機(jī)器人的腳足電機(jī)操作。機(jī)器人前行過程中，通過位置傳感器、速度傳感器等傳感器和攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)器人位置狀態(tài)及其周邊環(huán)境的信息采集，并基于所采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)器人位置方位、是否跌倒、周邊障礙物等機(jī)器人的狀態(tài)識別，同時不斷進(jìn)行下一步路徑規(guī)劃和操作。

自站立機(jī)器人軟件運(yùn)行過程中，不斷通過人機(jī)界面面板的運(yùn)行燈提示當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，而且可以通過RS485 以及4G 通信口將所獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)和巡檢信息發(fā)送給運(yùn)行人員。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

所研制的自站立機(jī)器人，具有四條腳足，具有較好的適應(yīng)不平整路面及障礙物較多的電力運(yùn)行場景，該機(jī)器人已應(yīng)用于電力評測機(jī)房巡檢，代替了人工巡檢，節(jié)省了運(yùn)維成本，并對驗(yàn)證機(jī)器人巡檢路線導(dǎo)航規(guī)劃、動態(tài)避障和自主定位、自站立功能和圖像傳輸功能進(jìn)行驗(yàn)證。巡檢路線規(guī)劃和現(xiàn)場實(shí)物如圖5 所示，在現(xiàn)場測試應(yīng)用中，機(jī)器人按所設(shè)定的巡檢路線進(jìn)行巡檢，并設(shè)定在規(guī)定點(diǎn)進(jìn)行定位拍攝，在遇到障礙物時，可自動避開并繞行障礙物步行至規(guī)定點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人能夠按所設(shè)定路線進(jìn)行，并在指定點(diǎn)完成規(guī)定動作。

圖5 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)路線圖Fig.5 Course map of robot test

工作人員在利用APP監(jiān)測機(jī)器人的運(yùn)動路徑和所傳輸回來的定位拍攝圖像，并通過相關(guān)指令觀察執(zhí)行是否正確和控制機(jī)器人攝像頭轉(zhuǎn)向，通過監(jiān)測可得，視頻觀看度清晰流暢，控制指令發(fā)送正確且機(jī)器人執(zhí)行指令正確，且通信流暢。

將機(jī)器人放倒，改變了傳統(tǒng)輪式移動機(jī)器不能翻身、只能空轉(zhuǎn)，無法繼續(xù)按規(guī)劃路徑前進(jìn)和完成巡檢任務(wù)的缺陷，自站立機(jī)器人跌倒后，依靠腳足可以很快站立，并繼續(xù)前行完成既定的巡檢任務(wù)。

6 結(jié)語

電力運(yùn)維涉及面廣、設(shè)備多，傳統(tǒng)的人工運(yùn)維工作量大、效率低，隨著機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在逐步采用輪式移動機(jī)器人代替人工巡檢，但輪式移動機(jī)器人難以適應(yīng)地面不平整、環(huán)境復(fù)雜的情況，因此，本文研發(fā)了一種具有自站立移動機(jī)器人，該機(jī)器人在配備經(jīng)典的傳感器基礎(chǔ)上，裝載高清攝像頭實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置和周邊環(huán)境的全域數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的機(jī)器人控制?；谧哉玖⒁苿訖C(jī)器人的特種電力區(qū)域巡檢，通過自動巡檢方式，實(shí)現(xiàn)特種電力區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，有助于減少人工巡檢、提高巡檢效率。