電解鋁整流濾波系統(tǒng)智能巡檢機(jī)器人開發(fā)與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）19-0040-04

Abstract：Inthispaper，anoverallplanofanintellgentinspectionrobotincludingameasurementdevice，amobile platform，acommunicationnetworkandahostcomputercontrolsystemisdesignedtomeetthetemperaturemeasurementand inspectionrequirementsoftherectifyingandflteringdeviceofthepowersystemofanelectrolyticaluminumfactory.Inviewof thespecialenvironmentoftheelectrolyticaluminumfactory，problemssuchassubstandardpositioningacuracyofAGVs，blured imagequalityofPTZ，andshortenedswitch lifehavebeensolved.Throughanti-magneticverification，repeatedpositioning accuracyverificationandinspectionapplicationvification，itisprovedthatteinteligentinspectionrootcanstablymeasure temperatureandclearlyimageinastrongmagneticfieldenvironment，andreplacemanualinspection，improvingthereliability and safety of inspection.

Keywords：inteligentinspectionrobot;electrolyticaluminumfactory;temperaturemeasurement;magneticfield;AGV positioning accuracy

電解鋁工廠作為重工業(yè)領(lǐng)域的重要組成部分，其動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。其中，整流濾波裝置作為動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，其性能狀態(tài)直接影響到電解鋁生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。因此，對(duì)整流濾波裝置的溫度、指示燈狀態(tài)及電柜表顯參數(shù)進(jìn)行日常巡查，是確保工廠安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前大多數(shù)電解鋁工廠仍采用傳統(tǒng)的人工巡查方式，這種方式存在諸多不足。傳統(tǒng)人工巡查方式不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且容易受到人為因素的影響，導(dǎo)致巡查結(jié)果的可靠性較低。同時(shí)，由于巡查記錄往往依賴于紙質(zhì)文檔或口頭傳達(dá)，使得后續(xù)問(wèn)題的追溯變得困難重重。此外，電解鋁工廠環(huán)境復(fù)雜，存在高溫、強(qiáng)磁等危險(xiǎn)因素，人工巡查過(guò)程中易發(fā)生安全事故，給工作人員的生命安全帶來(lái)威脅。為了克服傳統(tǒng)人工巡查的弊端，基于智能巡查機(jī)器人的自動(dòng)巡查方式應(yīng)運(yùn)而生。智能巡查機(jī)器人憑借其高精度、高效率、高安全性的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為替代人工巡查的理想選擇。

智能巡查機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用最早可以追溯至20世紀(jì)80年代，美國(guó)及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在電力行業(yè)中率先引入了巡查機(jī)器人，用于檢測(cè)輸電線路及變電站的故障，有效提升了電力系統(tǒng)的運(yùn)維水平[1-2]。我國(guó)在智能巡查機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代末，我國(guó)開始著手研究巡查機(jī)器人，早期的研究同樣聚焦于電力行業(yè)，如等地在1999年便開始了變電站巡查機(jī)器人的研發(fā)工作。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能巡查機(jī)器人的應(yīng)用范圍逐漸拓展至其他領(lǐng)域。如裴文良等研究了針對(duì)煤礦井下水泵房、運(yùn)輸機(jī)等大型設(shè)備自動(dòng)巡檢的智能巡檢機(jī)器人；張雄等研究了針對(duì)公共場(chǎng)所進(jìn)行消毒防疫的智能巡檢機(jī)器人；王麗等研究了能夠?qū)崿F(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品庫(kù)物品二維碼掃描功能的智能巡檢機(jī)器人。當(dāng)前對(duì)于智能巡檢機(jī)器人的研究主要集中在常規(guī)環(huán)境下的應(yīng)用研究，即使段中波等的研究是在磁場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行的，但其磁場(chǎng)強(qiáng)度并不影響選用電力系統(tǒng)的成熟智能巡檢機(jī)器人。然而，對(duì)于電解鋁工廠這一特殊環(huán)境而言，常規(guī)智能巡查機(jī)器人仍面臨諸多挑戰(zhàn)。由于電解鋁工廠 400kA 整流及濾波裝置巡檢環(huán)境復(fù)雜，存在強(qiáng)磁場(chǎng)、高溫等極端條件，常規(guī)機(jī)器人往往會(huì)出現(xiàn)AGV定位精度不達(dá)標(biāo)、云臺(tái)畫質(zhì)模糊、交換機(jī)壽命縮短等問(wèn)題。因此，針對(duì)電解鋁工廠的特殊環(huán)境，開發(fā)專用的智能巡查機(jī)器人顯得尤為重要。這不僅有助于提高巡查效率與準(zhǔn)確性，還能有效保障工作人員的安全，為電解鋁工廠的安全生產(chǎn)提供有力保障

1整流濾波裝置智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 整體方案

針對(duì)魏橋電解鋁廠 400kA 整流及濾波裝置巡檢場(chǎng)景進(jìn)行智能巡檢機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)。整體系統(tǒng)架構(gòu)包含測(cè)量裝置、移動(dòng)平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)控制系統(tǒng)。方案系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，智能巡檢機(jī)器人如圖2所示。

1.2 測(cè)量裝置

本課題的核心任務(wù)聚焦于整流濾波設(shè)備的日常監(jiān)控，具體涵蓋溫度狀況、指示燈的工作情況以及電柜表面的顯示參數(shù)等多個(gè)方面。為了高效且準(zhǔn)確地完成這些監(jiān)控任務(wù)，溫度測(cè)量與圖像識(shí)別作業(yè)成為了不可或缺的環(huán)節(jié)。在這一背景下，雙光譜云臺(tái)攝像機(jī)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為本課題觀測(cè)任務(wù)的首選設(shè)備。雙光譜云臺(tái)攝像機(jī)集成了紅外熱成像技術(shù)、高清可見光攝像以及智能云臺(tái)控制功能，實(shí)現(xiàn)了

中遠(yuǎn)程監(jiān)控的全方位覆蓋。其中，紅外熱成像模塊以其高靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)捕捉整流濾波設(shè)備的溫度分布，為溫度測(cè)量提供了精確的數(shù)據(jù)支持。而高清可見光攝像則以其高分辨率，清晰呈現(xiàn)指示燈的工作狀態(tài)及電柜表面的顯示參數(shù)，為圖像識(shí)別提供了有力的視覺保障。云臺(tái)的集成則賦予了觀測(cè)過(guò)程更高的靈活性與便捷性，使得觀測(cè)人員能夠根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整攝像機(jī)的位置與姿態(tài)。自前市場(chǎng)上主流的雙光譜云臺(tái)攝像機(jī)普遍配備了預(yù)置點(diǎn)（即預(yù)先設(shè)定的云臺(tái)位置與姿態(tài)）掃描功能。在工業(yè)監(jiān)控和安防領(lǐng)域，利用預(yù)置點(diǎn)掃描結(jié)合規(guī)則區(qū)域選擇來(lái)進(jìn)行定點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

本課題測(cè)量方式為使用規(guī)則框和預(yù)置點(diǎn)方式進(jìn)行，即測(cè)量裝置在預(yù)設(shè)位置上依據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則框進(jìn)行測(cè)量。該方式受云臺(tái)位姿及移動(dòng)平臺(tái)定位精度影響較大。若云臺(tái)機(jī)移動(dòng)平臺(tái)定位精度差可能出現(xiàn)測(cè)溫點(diǎn)位于框外的情況。為解決這一問(wèn)題，對(duì)云臺(tái)及移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力組件進(jìn)行了防磁殼設(shè)計(jì)。這一設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了設(shè)備的抗干擾能力，還提高了云臺(tái)及移動(dòng)平臺(tái)的定位精度，從而確保了測(cè)溫點(diǎn)始終位于規(guī)則框內(nèi)，為整流濾波設(shè)備的日常監(jiān)控提供了更為可靠的技術(shù)保障。

1.3 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)作為整流濾波設(shè)備巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計(jì)與功能直接關(guān)系到整個(gè)巡檢任務(wù)的效率與準(zhǔn)確性。移動(dòng)平臺(tái)的核心構(gòu)成部分涵蓋底盤框架、驅(qū)動(dòng)組件、電池模組、傳感模塊以及控制系統(tǒng)。底盤框架作為移動(dòng)平臺(tái)的支撐基礎(chǔ)，采用了堅(jiān)固耐用的鋼質(zhì)構(gòu)造。這種設(shè)計(jì)不僅確保了平臺(tái)本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還能夠穩(wěn)穩(wěn)承載安裝于其上的各類通信硬件、精密測(cè)量設(shè)備以及必要的支撐結(jié)構(gòu)。在確保穩(wěn)定性的同時(shí)，底盤框架的設(shè)計(jì)還充分考慮了輕量化需求，以減少能耗，提升整體運(yùn)行效率。驅(qū)動(dòng)組件方面，移動(dòng)平臺(tái)裝配了兩個(gè)高性能的驅(qū)動(dòng)輪，并以無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。無(wú)刷電機(jī)以其高效率、低噪音、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，為平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。鑒于巡檢環(huán)境可能存在較強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾（超過(guò) 200Gs ），平臺(tái)特別選用了光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的精確速度與位置反饋。光電編碼器以其高精度、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，確保了即使在復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)組件也能保持準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制。此外，驅(qū)動(dòng)組件還配備了減速機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化了扭矩輸出，提升了平臺(tái)的爬坡能力和負(fù)載能力。電池模組方面，移動(dòng)平臺(tái)選用了高性能的鋰電池作為動(dòng)力源。鋰電池不僅具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，還能夠確保平臺(tái)在單次充電后，滿足一天之內(nèi)的巡檢任務(wù)需求。同時(shí)，電池模組的設(shè)計(jì)還充分考慮了安全性能，采用了多重保護(hù)措施，確保在極端條件下也能保持穩(wěn)定的電力供應(yīng)。傳感模塊則集成了激光雷達(dá)、下視攝像頭、碰撞檢測(cè)傳感器、里程計(jì)以及IMU（慣性測(cè)量單元），為平臺(tái)的運(yùn)行提供了全面的感知能力。

移動(dòng)平臺(tái)的導(dǎo)航方式采用激光導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航組合方式。其中視覺導(dǎo)航主要為初值設(shè)置，AGV上線點(diǎn)使用下視攝像頭檢測(cè)蘊(yùn)含位置信息的二維碼貼紙，將小車上線重定位至指定位置，其他區(qū)域內(nèi)以激光定位為主。

移動(dòng)平臺(tái)采納了激光與視覺相結(jié)合的導(dǎo)航策略。在此方案中，視覺導(dǎo)航主要承擔(dān)初始化任務(wù)，即利用安裝在AGV上的下視攝像頭來(lái)識(shí)別含有位置編碼的二維碼貼紙，這些貼紙被部署在AGV的起始上線點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的精確初始定位。一旦完成初始定位，系統(tǒng)則主要依賴激光導(dǎo)航技術(shù)，在除上線點(diǎn)以外的其他區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的位置追蹤與導(dǎo)航。

AGV采用激光導(dǎo)航技術(shù)的核心機(jī)制在于，它裝備有車載激光雷達(dá)，該設(shè)備負(fù)責(zé)捕捉周圍環(huán)境的高精度二維點(diǎn)云信息。這些信息隨后被輸人到SLAM算法中，然后將這些實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與預(yù)先構(gòu)建的環(huán)境地圖進(jìn)行精確比對(duì)，從而確定AGV在環(huán)境中的當(dāng)前位置。位置確定后，AGV便能依據(jù)其目標(biāo)位置，自動(dòng)規(guī)劃出一條最優(yōu)行進(jìn)路徑，并且在行進(jìn)過(guò)程中，激光雷達(dá)持續(xù)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行障礙物的檢測(cè)與規(guī)避，確保安全高效地抵達(dá)目的地。

定位公式如式（1）所示

式中： p（x_t|z_1：t，u_1：t） 為AGV在時(shí)刻 χ_t 的位置信息； p（z_t|x_t） 為當(dāng)前激光數(shù)據(jù)與地圖匹配的置信度； p（x_t|x_t-1，u_t） 為運(yùn)動(dòng)模型預(yù)測(cè)位置。

激光匹配公式如式（2）所示

式中： E（R，T） 為激光點(diǎn)集匹配誤差； p_i，q_i 為兩組點(diǎn)云中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)； ^R，T 為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

1.4 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)則擔(dān)當(dāng)起分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹厝?，確保智能巡檢操作管理系統(tǒng)、移動(dòng)平臺(tái)以及測(cè)量設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且可靠的通信交流。其主要包含交換機(jī)、機(jī)載無(wú)線終端、無(wú)線基站等。

1.5 上位機(jī)控制系統(tǒng)

上位機(jī)控制系統(tǒng)的核心組成部分涵蓋人機(jī)界面（HMI）、數(shù)據(jù)記錄單元、移動(dòng)平臺(tái)控制模塊以及測(cè)量算法模塊。此系統(tǒng)作為巡檢流程的中樞指揮，不僅與操作人員實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，還通過(guò)運(yùn)行精密算法來(lái)實(shí)時(shí)捕獲機(jī)器人狀態(tài)并生成巡檢報(bào)告。其界面如圖3所示。

2整流濾波裝置智能巡檢機(jī)器人測(cè)試

2.1 防磁驗(yàn)證

使用高斯計(jì)對(duì)整流濾波裝置現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。測(cè)量范圍為從西至東整條巡檢路線，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，在現(xiàn)場(chǎng)東側(cè)因距離整流濾波設(shè)備相對(duì)較遠(yuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，其他位置磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，最高達(dá) 210Gs 。

注：相隔立柱間隔 8m

本課題開發(fā)的磁屏蔽方案為整體防護(hù)罩式防磁結(jié)構(gòu)。在施加磁場(chǎng)屏蔽方案后，使用高斯計(jì)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行了同步檢測(cè)，磁場(chǎng)強(qiáng)度均有顯著下降，其中在原磁場(chǎng)強(qiáng)度最高處測(cè)量結(jié)果顯示磁場(chǎng)強(qiáng)度為 3.6Gs ，圖5為現(xiàn)場(chǎng)添加磁防護(hù)罩后的磁場(chǎng)測(cè)量強(qiáng)度。

2.2重復(fù)定位精度驗(yàn)證

整流濾波裝置智能巡檢機(jī)器人的重復(fù)定位精度直接影響著測(cè)溫框選位置的準(zhǔn)確性。現(xiàn)對(duì)其重復(fù)定位精度進(jìn)行測(cè)量。對(duì)巡檢路徑選定8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，設(shè)置巡檢機(jī)器人到達(dá)8個(gè)測(cè)量點(diǎn)3次，記錄3次與原位置的 X/Y 向偏差。測(cè)量結(jié)果見表1。

從測(cè)量結(jié)果可以看出，重復(fù)定位精度均在 ±3mm 以內(nèi)。該精度滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2.3 巡檢應(yīng)用驗(yàn)證

施加磁防護(hù)措施后，應(yīng)用本課題設(shè)計(jì)開發(fā)的整流濾波裝置智能巡檢測(cè)溫機(jī)器人對(duì)整流濾波車間進(jìn)行實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用，檢驗(yàn)其測(cè)溫是否穩(wěn)定、畫質(zhì)是否清晰、易受磁場(chǎng)影響的元器件在防磁保護(hù)下壽命如何。實(shí)地運(yùn)行3個(gè)月后，該機(jī)器人測(cè)溫穩(wěn)定、畫質(zhì)清晰、未出現(xiàn)元器件受磁場(chǎng)干擾損壞現(xiàn)象。巡檢測(cè)溫圖如圖6所示，可見光畫質(zhì)如圖7所示。

3結(jié)論

1）針對(duì)魏橋電解鋁廠 400kA 整流及濾波裝置巡檢，設(shè)計(jì)了包含測(cè)量裝置、移動(dòng)平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)控制系統(tǒng)的智能巡檢機(jī)器人整體方案。

2）整體防護(hù)罩式防磁結(jié)構(gòu)對(duì)其內(nèi)部磁場(chǎng)的降低有顯著效果。在防磁措施下，智能巡檢機(jī)器人的重復(fù)定位精度可達(dá) ±3mm ，搭載的雙光譜云臺(tái)可穩(wěn)定成像及進(jìn)行溫度測(cè)量。

3）本課題開發(fā)的整流濾波裝置智能巡檢機(jī)器人能夠在魏橋電解鋁廠 400kA 整流及濾波裝置的較強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中代替人工實(shí)現(xiàn)巡檢，降低了人力負(fù)荷，改善了人工巡查方式的可靠性低、追溯性差、安全風(fēng)險(xiǎn)高的缺點(diǎn)。

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