室内变电站设备巡检机器人关键技术研究与应用

罗华理

摘 要：变电站巡检工作是变电站安全可靠运行的重要保证之一。传统的人工巡检存在工作量大、主观因素多等缺点，很容易因为工作人员的疏忽导致漏检、误检等情况，从而给变电站的安全运行带来隐患。为了解决传统人工巡检存在的弊端，随着智能机器人技术的飞速发展，智能机器人替代人工进行巡检的变电站智能巡检系统应运而生。

关键词：室内变电站；巡检机器人；关键技术

引言

随着机器人技术的发展，利用携带检测设备与机械臂的室内机器人巡检平台来替代人工进行室内巡检成为了可能。接下来本文将对室内变电站设备巡检机器人关键技术研究与应用进行分析研究。

1国内硏究发展现状

与西方发达国家相比，我国对移动机器人技术的研巧起步较晚。1983年，国家成立863离新技术研巧计划，将机器人技术作为一个重要的研巧课题，国家先后投入了几亿的资金进行机器人项目的研巧，机器人技术得到了迅速的发展。目前，随着精密仪器、传感技术、计算机技术、人工智能等重要学科的发展，机器人技术的发展己经迈入第H阶段…智能机器人阶段，智能机器人技术的应用也越来越广泛。经过十几年的艰苦奋斗，不管是在实验室研发还是实际应用，我国在机器人技术领域的研巧都取得了重大的进步，尤其是在水下、空间、核领域等特殊机器人方面，一批机器人产品和机器人应用工程应运而生，主要有安保机器人、消防机器人、搬运机器人等。随着智能电网的不断建设，作为电网重点设施的变电站也相应的推进智能化、自动化进程，变电站巡检机器人的研巧也随之受到更多的关注，越来越多的科研工作者投入到变电站智能巡检机器人领域的研巧中：2002年，电力机器人技术实验室在国家863技术的支持下，研发出了第一代变电站设备巡检机器人，使移动机器人替代人工进行变电站巡检的可能成为现实。我国对变电站巡检机器人的研巧尽管起步较晚，但是与发达国家之间的差距正逐渐缩小。然而，当前变电站巡检机器人领域的研究主要是针对地面上的室外变电站，对适用于地下室内变电站场景的巡检机器人的研究仍比较少见。

2关键技术研究

原有巡检机器人针对室外设备区巡检需要进行设计，为适应室内巡检任务，本文将多轴联动机械臂放置到了巡检机器人本体之上。在进入室内时，通过机械臂对巡检数据进行采集，使得巡检机器人在室内空间实现最大限度的目标覆盖及数据采集。通过后台软件功能的开发，实现对不同巡检任务的拓展兼容。由于要实现机械臂在复杂工作空间中的无死角覆盖，就必须让机器人对检测场景拥有感知能力，通过视觉反馈调整机械臂末端姿态以及接触力等方式，实现对设备的在线定位检测功能。为保证巡检机器人在作业过程中能够精确定位，通过激光导航技术进行导航。针对某些关键位置的准确停靠，特别是在长距离路径、局放监测、摆渡等过程中，对精确定位要求特别高的位置，采用射频标签识别（RFID）辅助定位。

3关键技术

3.1机器人导航技术

目前常见的定位算法有三边测量法和三角测量法，其中三角测量法的实施过程较为简单，应用较广泛。室内巡检机器人导航控制原理如图1所示，图中ΔS和Δθ为当前运行路径的位置偏差和角度偏差。激光定位传感器预先存储环境中所有路标在全局坐标系下的坐标值，机器人导航时，定位传感器自动将检测到的路标与存储的路标匹配，进而计算得到机器人位置与航行信息。

巡检机器人导航过程中位置与航向偏差如图2所示，传感器坐标系中的x轴与机器人纵轴重合，这样激光定位得到的坐标和方向即为机器人在全局坐标系下的位置（x，y）和航向θ。

3.2可见光通信技术

3.2.1可见光通信技术原理

长期以来，可见光无线通信技术一直是科研工作者们的研巧热点，不管是在军事还是民用领域，其中红外的研究己非常成熟且得到了广泛的应用，但是380￣760nm波段的可见光的运用却相对匿乏得多，送主要是因为可见光发光器件的局限，使其不能满足通信的条件。随着技术的不断突破，半导体发光二极管作为可见光通信的信号发射源，能够实现高频率的调制带宽，使得照明可见光传递信息的可见光通信成为可能。半导体发光二极管（LED）LU其使用寿命长、消耗功率低、賴理体积小和绿色环保等优势，正逐渐取代传统的巧光灯和窗素灯，成为下一代照明的主体。LED的开关速度较高，能够被高速调制（调制频率可达兆赫兹），是可见光通信技术的关键。可见光通信技术是把信息调制在LED发光器件发出的可见光波上，利用接收设备探测并解调经过调制的可见光光源信号，实现信息的传输和交互，终端用户位于LED光源的光照范围内，通过接收可见光与LED光源建立通信链路，实现数据交互。

3.2.2可见光通信技术特点

基于LED的可见光通信技术具有独特的优势，其特点如下：（1）无电磁污染可见光通信技术的传输载体是LED光源发射出的可见光波，作为照明光源，LED光源发出的灯光与射频电磁波不同，对人体无危害，不存在电磁污染。（2）私密性强可见光通信技术的通信覆盖范围是LED光源的光照范围，由于光的方向性和不可穿透性，只要周围是封闭或者被窗帘遮挡，在没有光线到达的地方无法接收信号，因而可见光通信是本质安全的，不易受到干扰和窃听。（3）成本低可见光通信是W室内照明LED为主体，只要有照明LED存在，就可LJ搭建可见光通信网络，因而无需额外铺设网络设施，解决了大量的建设成本。（4）网络带宽高LED的调制带宽很高，可达lOMHz，目前，通过采用时间复用、空分复用、OFDM等技术，可见光通信的速率理论可达Gbit/s，因而能够实现快速上网下载网络信息，满足当前语音、视频、数据等大容量数据通信的需求。（5）无需频率许可可见光通信的频率使用不需要频率许可，因而不用可见光通信在频率的使用上不存在因频率划分而带来的限制。综上所述，可见光通信技术具有无电磁污染、私密性强、成本低、网络带宽高、无需频率许可等优巧，受到越来越多的科研工作者的青睐。随着LED器件特性的研发逐渐进步和突破，可见光通信技术的研巧热点己不再局限于通信速率的提升，而是从点对点的通信逐渐扩展到系统的搭建和网络的布局上，因而可见光通信技术的应用将越来越广泛，总的来说可tA分为W下H个场景。具有强磁干扰的环境，由于频率重叠或者电磁干扰等因素，医院、部分工厂等电磁敏感的场景中不能使用射频类通信技术，在这些场景中，射频类通信技术将带来严重的电磁污染，或者因强磁干扰不能保证稳定可靠的通信质量，因而需要一种新型的通信技术。在这种情况下，可见光通信技术刚好能够弥补射频类通信技术的不足，实现特殊场景的无线通信，且能够满足通信速率等指标的要求。

结语

可见光通信技术在室内环境下拥有其得天独厚的优势，无需额外布线，且能够提供高速率的带宽资源，能够满足多业务、多元化的上网需求。另一方面，随着物联网和智能电网的不断推进，"智能家居"的概念也逐渐兴起，在家庭环境中布建局域网络，满足上网、视频等高速通信的需求，可见光通信技术将是优先的选择。希望通过本文对此的分析研究，给行业内人士带来借鉴和启发。

参考文献

[1]鲁守银，钱庆林，张斌，等.变电站设备巡检机器人的研制[J].电力系统自动化，2006，30（13）：94-98.

[2]王建元，王嫻，陈永辉，等.基于图论的电力巡检机器人智能寻迹方案[J].电力系统自动化，2007，31（9）：78-81.

（作者单位：广东电网有限责任公司清远供电局）