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变电站室内巡检机器人关键技术研究

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：尚健

[导读] 摘要：自从我国进入新时代发展的过程中，互联网技术已经对人们的日常工作和生活产生了相当大的意义，而互联网技术在工业改革过程中也扮演着重要的角色。

        身份证号：2301021988****1911 哈尔滨工大正元信息技术有限公司黑龙江哈尔滨 150000
        摘要：自从我国进入新时代发展的过程中，互联网技术已经对人们的日常工作和生活产生了相当大的意义，而互联网技术在工业改革过程中也扮演着重要的角色。为了保证我国电力事业能够安全、稳定地运行，就需要对变电站的室内环境和物质构成做好一定的完善，例如，研究其较为复杂的空间环境和较强的电磁干扰问题，设计出一套变电站室内巡检机器人系统，从而有效地避免该环境对人体所造成的伤害，而且还能够借助智能机器人更好地优化相应的专业工作。
        关键词：变电站；室内巡检；机器人；关键技术
        1机器人视觉定位方法
        1.1算法原理
        变电站室内巡检机器人主要在室内封闭环境中工作，卫星信号弱，无法利用GPS等常用定位方式。当前常用的室内定位方法主要有地磁定位方法、超宽带定位方法和视觉定位方法等，其中地磁定位是利用地磁场强度来对室内不同点的位置信息进行标定，该方法对硬件要求较低，但是由于室内变电站本身就是一个不断变化的强电磁场，因此该方法的定位结果不稳定;超宽带定位是一种通信定位方法，利用发射的窄脉冲进行测距和定位，该方法定位精度高，但是需要对机器人增加相应的超宽带收发模块，成本较高;视觉定位技术是指利用相机等感光设备获取当前机器人所处环境的图像，从图像中提取信息并反演出机器人的空间位置信息，根据采取相机的不同又分为单目视觉定位和双目识别定位。由于单目视觉定位方法对硬件要求较低且运算实时性较好，因此该文采用单目视觉方法进行巡检机器人自动定位。
        利用单目视觉方法进行定位时，需要采用多个坐标系进行位置的联合解析。图1给出了单目视觉成像定位原理，其中包括水平方向的成像平面坐标系，平行于成像平面的图像坐标系，随目标移动的世界坐标系。假设P(Xw，Yw，Zw)为机器人在世界坐标系中的三维坐标，其在成像平面内的坐标为(x，y)，P(Xc，Yc，Zc)为机器人在相机坐标系下的坐标，则根据图1可以将二维平面内坐标转换至三维坐标系。

        图1视觉定位成像原理图
        其中:f为焦距，z=f为成像平面到机器人的距离。进而可以得到世界坐标系与图像坐标系的关系为:

        为相机外参数矩阵，dx，dy分别为图像平面沿x，y轴方向的物理尺寸，λ=γ/f，γ为图像平面的倾斜因子。在确定相机内外矩阵后，根据式(1)和式(2)可以最终确定机器人的三维位置坐标。
        1.2试验分析
        为了验证上述方法的定位性能，选用S3C2440处理芯片和OV3460型摄像头构建简易的成像系统进行试验。首先在室内构建世界坐标系，然后分别选取室内5个地点开展试验，利用单目视觉定位方法进行定位并将结果与真实位置坐标进行对比，结果如表1所示。可以看出，虽然视觉定位得到的计算机坐标值与实际坐标值存在一定误差，但是误差很小，在实际工程应用可接受范围内，因此该方法能够用于实际对室内巡检机器人的定位。
        表1视觉定位结果

        2巡检机器人设计及应用
        2.1机器人本体设计
        机器人本体包括云台、检测组件、线、升降机构，利用机械对接方式实现本体与轨道的连接。检测组件包括可见光摄像机，升降机构可以实现机器人的竖直方向上的运动。如图所示。

        检测组件通过双通道视频采集模块实现户内设备的检测。由视频服务器板卡、高清摄像机、红外热像仪、云台等组成，检测元件将采集的图像、视频信息通过视频服务器压缩后，经由通讯设备传送到后台显示。总体结构如图所示。

        检测组件控制框图
        操作人员可通过监控主站向PTZ发送控制命令，且PTZ可以设置多个预置位，当下次执行设备检测时可直接调用预置位，预设零点存储在PTZ控制板中。视频服务器可以将检测组件采集的视频信息和图像信息传给后台机，监控主站实时显示监测画面，以备相关人员进行后续分析。
        2.2轨道系统设计
        根据户内屏柜的布局，机器人轨道采用S曲线型布置方式，轨道主要有直线轨道和圆弧轨道组成，通过相互拼接完成对户内设备的全方位巡检。为增加巡检的全面性和覆盖性，在屏柜的两侧均布置轨道，进而实现对户内设备的全方位、无死角检测。
        2.2.1轨道结构设计
        水平运动：水平运动的控制是利用自研板卡控制步进电机的转速和正反转实现。此外，还通过I/O采集各个传感器（如限位传感器）的状态，并进行逻辑分析处理，保证机器人的安全稳定运行。
        升降平台：升降平台的控制主要通过自研板卡控制交流电机的正反转实现，同时使用编码器进行定位，升降平台装有限位开关保证运动的机械安全性。
        水平运动轨道驱动系统包括电机及减速器的有机组合，以及小齿轮、齿条，导轨、转轴、轴承、法兰和其他组件。
        2.2.2S曲线型运动平台设计
        对于S曲线型运动平台可采用齿轮齿条传动和滑触线供电。总体运动平台主要包括移动平台、S曲线导轨、升降机构、检测组件等，此部分高度集成，如图所示。

        S曲线运动平台示意图
        其中移动平台带有转向架，可平稳驶过导轨的曲线部分；升降机构固定在移动平台上，随移动平台一起运动，通过升降机构和移动平台的复合运动实现对户内设备的全方位巡检。
        升降机构在垂直方向上具有较大的伸缩行程，并具备一定的承载能力，以满足承载强度和刚度要求。
        2.2.3驱动系统设计
        S曲线型运动平台采用齿轮齿条传动、滑触线供电，其中机械运动模块是整个系统的主要功能模块之一，它在运动控制模块的控制下
        完成各种行走、升降、转向动作。机械运动模块主要包括移动小车、S曲线导轨、升降机构、滑触线、齿条等几个小模块，轨道型材选择凸字型定制截面型材，两边加凹槽，作为支撑轮的行走导槽；轨道采用吊顶式或侧装方式安装在支架、墙壁或天花板上。
        移动小车带有2个转向架，实现机器人的转向功能；移动小车上带有四组抱紧轮和行走轮，确保移动小车与轨道可靠接触和运行。
        滑触线通过线夹安装在导轨顶侧，集电器安装在移动小车底盘上，主要负责系统的取电和通讯。
        齿条固定在导轨的侧壁上，主要负责驱动移动小车沿轨道运行，转弯部分采用柔性齿条。
        上述曲线导轨、滑触线、齿条在圆弧部分采用同心设计与安装。
        升降机构固定在移动小车上，随移动小车一起运动，通过升降机构和移动小车的复合运动实现户内设备的全方位巡检。
        运动控制模块接收来自后台自动设定或操作人员临时发出的控制指令，如移动平台运动、升降平台运动，云台转动等，并对这些指令加以解析，然后执行各项命令操作，如图所示。

        控制模块结构图
        2.2.4导航定位系统设计
        水平运动的控制主要通过自研板卡控制步进电机的转速和正反转实现。此外，还通过I/O采集各个传感器（如限位传感器）的状态，并进行逻辑分析处理，保证机器人的安全稳定运行。
        升降平台的控制主要通过自研板卡控制交流电机的正反转实现，同时使用编码器进行定位，升降平台装有限位开关保证运动的机械安全性。
        结束语
        综上所述，为使我国的工业化水平和科技化水平得到有效提升，需要在信息化技术的作用下进行工业化的改革。其中，以巡检机器人在电力系统变电站室内进行工作的各种步骤为研究目标，最主要的一点就是要在巡检机器人的工作系统中植入相应的电气系统，实现一定程度上的集成设计。这样不仅能够借助自主或者遥控的方式来使得巡检机器人对变电站室内的相关设备实施巡检，减少工作精度的影响，而且还能够有效地改进机器人室内图像的识别方式，使得整个工作的环境变得更为精致、科学、稳定。
        参考文献
        [1]周立辉,张永生,孙勇等.智能变电站巡检机器人研制及应用[J].电力系统自动化,2011,35(19):85-88.
        [2]鲁守银,苏建军.机器人在变电站设备巡检中的应用[J].机器人技术与应用,2007(5):33-36.