人机协同视域下智能巡检机器人设备在变电站巡视领域的应用分析

2022-04-13刘正胜孟涛安桂敏钱泽中瞿文龙

消费电子 2022年10期

刘正胜孟涛安桂敏钱泽中瞿文龙

一、智能巡检机器人系统组成

变电站巡检机器人设备包含多重技术：电磁兼容技术、多传感融合技术、导航、模式识别技术、无线传输技术[1-2]。因此采用分层控制，具体来说，就是远程集控、本地监控和移动站控制三层。远程集控系统层安装在调度或集控中心，用来统一管理、监控多个变电站的机器人巡检系统[3-5]。本地监控系统和移动站控制系统都在变电站，本地监控主要是用来操控机器人的，而移动站控制是配合本地监控，用来开展具体工作的。

移动站由两部分组成：移动体运动控制子系统、工作子系统。

移动体运动控制子系统构成：PC104主板、PMAC2A-104运动控制卡、电机驱动器。

工作子系统主要负责完成机器人在巡视过程中需要做的工作。

二、智能巡检机器人系统功能

变电站机器人巡检系统应具备巡视功能，可制定巡检计划，对变电站内的设备开展设备外观检查、表计读取、红外测温、声音检测等巡视工作，或通过人工遥控操作，对指定设备进行现场监视及远程视频指导等工作。巡检系统应具备数据分析和管理功能，可查询历次巡检计划编制、数据记录和报表生成情况，可获得历史巡检轨迹曲线，可开展设备测温、刀闸分合状态判断、悬挂异物判断、声音判断等缺陷、故障诊断工作，并对异常情况报警。巡检系统应满足技术条件要求。

三、智能巡检机器人系统基本工作原理

智能巡检机器人由红外热成像技术原理，模糊控制原理，卡尔曼滤波原理三个基本的工作原理组成[6-7]。

红外热成像技术原理：通过吸收红外福射能量，测出设备表面的温度和温度场的分布，可以清晰的判断出设备是不是发热，并能在红外测温仪上看出来，使效果直观显现出来。

模糊控制原理：以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一类计算机控制策略，是一种非线性控制。模糊控制系统的基本结构，由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化(或称去模糊化)4个功能模块组成。

卡尔曼滤波(Kalman filtering)采用由状态方程和观测方程组成的线性随机系统的状态空间模型来描述滤波器，并利用状态方程的递推性，按线性无偏最小均方误差估计准则，采用一套递推算法对该滤波器的状态变量作最佳估计，从而求得滤掉噪声的有用信号的最佳估计。

四、智能巡检机器人巡检方式

智能巡检机器人巡检应包含正常巡检、特殊巡检、故障巡检[8]。

正常巡检：运行单位根据变电站巡检计划，安排机器人对站内设备进行周期性的巡检工作；正常巡检中，变电站巡检机器人一般应完成室外部分各类一次设备的巡视，无法安排机器人安全到达的区域除外；各项巡检内容可以单独进行也可以根据需要组合进行。

特殊巡检：该巡检适用情景，如系统大负荷及高温时；设备经过检修、试验、改造或长期停用，重新投入运行及新安装设备投入运行；恶劣天气、自然灾害、外力影响发生前、后；法定节假日和上级通知有重要保供电任务期间；设备操作需要现场监视或远程视频指导时；熄灯夜巡时。特殊巡检计划应根据具体巡检任务和巡检目的制订。特殊巡检宜全程人工远程监控，同步进行巡检数据检查与复核。如果现场环境不利于巡检工作继续开展或机器人行为异常，应立即中止巡检。

故障巡检：设备发生故障，现场情况不明或人员去现场查看存在人身伤害风险时，应全程人工远程监控；设备带电运行，但存在尚未消除的缺陷或隐患，需要定期跟踪巡检时。故障巡检计划应根据具体巡检任务和巡检目的制订。现场环境不利于巡检工作继续开展或机器人行为异常，应立即中止巡检。

五、实例分析

本文针对220kV某变电站开展了机器人巡检系统的应用。

（一）机器人巡检系统路径设置

1、录制地图

首先要对变电站进行现场勘察，确定原点和路线。在某些较大的站，如500kV站，机器人电量可能支撑不了地图录制完成，通常需要分区域录制。分区域录制时，需要确定原点坐标（首次录制时的机器人起点），每个区域均从这个点启动录制。如图1所示，将该站分为3个区域，原点在三区域交汇处。

图1 大型变电站原点确定方法

为了方便后期制作路径，尽量保证机器人走过所有需要巡检的路线，尽量在区域内有路径闭环。其闭环的解释如图2所示：

图2 闭合路径扫描示意图

机器人以路径1-2-3-4扫描云龙东线，这就是一个闭环。扫描云龙西线时，紧接着云龙东线扫描路径以1-5-6-7-2，同理龙团一线以路径5-8-9-10-6。简单来说就是在小范围内需要扫回起始点。至于以哪种路径方式可以灵活选择，扫图时机器人可以前进/后退进行，但操作者不能遮挡激光（操作者需在机器人前方操作）。

使用平板软件连接机器人，将机器人放在原点处（在录制地图前，先标记车头朝向），用运动按键控制机器人按照勘察好的路线运动，在录图过程中需要关注机器人是否处于开启录制状态，如果录制状态被异常关闭，需要将机器人移动至关闭时刻的那个点，并重新开启录制功能。

2、制作路径

在实际运用环境中，变电站面积较大，需要巡检的路径也很长，在机器人0.5m/s的运动速度下，很可能扫描时间超长，增加调试人员在户外的时间。所以，我们可以采取分区域的方式来进行扫图，以减少一次录图的文件大小，降低出现错误的概率。同时，也可以分时间，分进度等灵活进行调试。分区域扫图需要确定扫图的开始点（即原点）。原点的位置宜选择所有分区的中心位置，以便以最小的路程到达需要扫描的区域，节省时间。

扫描地图需要把机器人将要巡检的路线全部扫描一次，并且因激光定位的特殊性，最好能够围绕设备转一圈形成闭环，以保证扫描的全面性。同时，在开始录制地图前，规划好路径，以减少走重复路的情况，减少调试时间。

以主变区域为例制作路径，如图3所示。

图3 主变路径制作

如果遇到无法形成闭环的情况（断头路），到达路径端点后，将机器人调头，换一个方向将机器人退出该路径。

制作方法：

加载地图：

打开《DrawPathTool.exe》软件，通过“文件-打开”选择《navigation.yaml》文件，软件将呈现扫描的地图。

参考路径：

通过“文件-加载参考路径”选择《navigation.path》文件，软件将呈现扫图时机器人运行的轨迹。如图4虚线所示：

图4 参考路径

图4中圆圈为原点，箭头为方向。

基本路径：

点击“绘制”功能，在地图上点击左键确认路径端点，移动鼠标确认路径长度和角度，点击右键取消路径操作。此时可以参考原始轨迹，如图5所示：

图5 基本路径1

在绘制地图时，需要注意机器人起点位置必须由原点位置开始，第一条由原点开始的路径最好以原点车头方向为路径运动方向。

如果路径需要做微小调整时，可以点击“编辑”，左键按住端点（圆圈），使用键盘上、下、左、右键可以实现路径一次5cm移动。

在交叉路口处，可使用“增加点”来实现交叉绘制，如图6所示：

图6 基本路径2

在弯道，需要保证半径在1m以上，且弯道上不能执行runto命令。如图7所示：

图7 基本路径3

在某些有缝隙的盖板路中，机器人运行可能会产生探沟报警，这种情况需要通过调整路径来规避，在该处路径设置成曲线路径，使机器人探沟光束不会持续照射到盖板路缝隙中。

3、路径验证

在完成地图下发后，将机器人运动至零点位置，通过CLI发送clear pos命令后，复位机器人位置，开始地图验证。地图验证是验证机器人在巡线路径时，是否按照实际需要行走。如果出现偏差，根据偏差情况对路径端点进行调整。

如图8中设置路径为红色，但机器人实际走的路径为黄色：

图8 路径验证

此时实际路径相对于规划路径向右偏差15cm，故此时我们需要将路径向左调整15cm，调整后下发给机器人。

此时只需要点击单独下发路径到机器人即可，以避免机器人重启，耽误调试时间。下发后，再次验证机器人是否按照设置路径行走。并且同时下发到数据库。

如果机器人在转弯点的位置发生偏移，则只需调整转弯点端点的位置即可。

机器人在诸如坡道、凹凸路面等路面运行时，过快的运行速度可能损坏机器人，所以需要限制机器人运行速度。在“激光机器人地图录入工具”选择“绘制功能区域-减速区域”绘制，确定地图中需要设置减速区域的位置，并绘制减速区域，所画区域一定要覆盖所有需要减速的位置。常规减速区域设置中，区域宽度为1m（在路径两侧平均发分配）。如果路径为弧形，区域可适当放宽。