智能巡检机器人（共8篇）
智能巡检机器人 篇1
阀厅是换流站重要组成部分, 阀厅内的电磁环境较为复杂, 保证设备的正常运行至关重要[1,2]。阀厅内设备 (如阀塔) 一方面需要有足够的可靠性;另一方面, 也需要及时发现并检修存在潜在隐患的设备, 确保换流站系统正常运行。阀厅内设备的实时检测对保证其安全运行具有重要意义。传统方式主要依靠人工巡检和固定位置实时监视。人工巡检方式存在着劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一、及时性无法保证等不足[3]。而固定位置监控系统, 由于受到阀塔高度且分层等客观条件限制, 只能对部分设备的局部位置进行监控, 存在很大的监控盲区[4], 很难满足全方位巡检的要求。
为解决上述现有问题, 山东鲁能智能技术有限公司研制了一种适用于阀厅复杂环境的智能巡检机器人。该机器人通过竖直轨道安装在阀厅壁面上, 能够沿轨道运动, 可方便灵活地对阀厅内设备进行大角度、多方位的温度和外观检测, 并可对状态进行自动识别, 了解设备的运行状态。
1 机器人硬件组成
如图1所示, 机器人的硬件主要由轨道系统、检测系统和基站三部分组成。机器人—轨道系统主要由交流伺服驱动电机、移动座箱、轨道、拖链等组成。检测系统主要包括红外热像仪、声音采集器、可见光摄像机等。基站作为机器人的后台监视单元和控制单元, 负责机器人运动状态的监视和控制任务的定制等。
2 电力驱动系统核心部件匹配
电力驱动系统作为机器人的核心结构, 必须具有足够的可靠性。本研究采用交流伺服电机驱动方案, 主要包括电机驱动装置、拖链取电装置、轨道系统等。图2为电力驱动系统的实物图片和模型简化图。
机器人通过同步带传动沿竖直轨道平稳运动。同步带传动具有准确的传动比、无滑差、传动平稳、可缓冲吸振等优点, 允许较大的中心距传动, 过载时能打滑保护机械零件[6,7], 适用于对阀厅设备准确巡检的场合。
在确定了电力驱动系统所采用的电机和同步带类型基础上, 主要通过对其性能参数的计算来完成它们的匹配[5]。本设计中, 大小带轮的齿数相同。匹配设计的输入数据如下:机器人质量小于30kg;最大运行速度1m/s, 最大工作速度0.5 m/s, 双向运动。
2.1 电机的匹配与校核
2.1.1 电机的选型
当机器人静止启动逆重力向上运动时, 电机所承受的载荷最大。此时, 带轮上产生的负载扭矩TL的计算公式如下[6]:
式中, η为同步带传动的机械效率, 取0.9;D为同步带轮的直径 (mm) ;m为机器人的质量 (kg) 。
此时滑座上直线运动部分等效惯量J的计算式如公式 (2) 所示[3]:
式中, M为包含同步带等在内的负载总质量 (kg) ;A为电机转动一周时滑座的直线运动量 (m/rev) , 其中A (28) D/i, i为减速器的减速比;J0为减速器的转动惯量 (Kg.m2) 。
根据设计经验, 减速器的减速比i取3, 而减速器的转动惯量J0很小, 可忽略不计[6]。将相关参数带入公式 (2) 得到:J (28) 6.2310-3Kgm2。
根据文献[6], 电动机输出轴的转矩TM的计算式为:
式中, ηG为减速器的机械效率, 取0.8;为电机轴的角加速度, rad/s2, 根据设计要求, 要求同步带在0.5s内加速到为0.5m/s的速度, 由此得到
将相关参数带入公式 (3) 中, 计算得到TM (28) 2.85Nm。综合考虑电机与减速器连接法兰、尺寸重量和采购成本等问题, 选择了带保持制动器的交流惯量电机, 其主要技术参数如表1所示。
2.1.2 定位精度计算与消除
交流伺服电机在得到10 000个脉冲指令时会转动一周, 假设开环定位精度为电机得到1个脉冲时行走的精度, 可以计算出定位精度为0.007mm。一般情况下, 开环系统不能完全保证不丢失脉冲数。在考虑丢失脉冲数的情况下, 可以保证定位精度在0.1mm以内。
对于开环系统长期运行时可能造成的累积误差, 可以通过增加零点位置开关的方法来解决。在上位机系统中通过设置相关参数, 机器人运行一定数量的任务之后, 自动返回零点位置进行校正, 以消除累积误差。
2.2 轨道系统匹配与校核
2.2.1 轨道系统的选型
轨道系统拟采用同步带驱动的运动模组, 目前市面上已经有较为成熟的产品即线性装置, 可直接选型。
考虑到载荷修正系数, 则同步带传动的设计功率为[6,7]:
式中, KA为载荷修正系数, 根据原动机、工作机类型和每日运转时间等因素来确定, 本研究取1.7;P为电机的输出功率, k W, 计算时按额定功率计算。
带入相关参数, 计算得到Pd=1.7k W。根据表1, 电机的额定转速N为2000r/min, 减速器的减速比为3, 因此带轮的转速n1为667r/min。综合同步带的设计功率Pd和带轮的转速n1, 根据机械设计手册[7], 最后选用了AT10梯形齿同步带, 它是同步带传动系列中应用于比较广泛的一种带型, 其稳定性和耐用性较高, 带宽比一般的带要宽, 重量相对较轻, 采用尼龙面临保护和加强了牙齿表面。
根据设计要求, 机器人在竖直方向上运动, 每个阀厅内至少安装2台智能巡检机器人, 且其运动距离至少6米。结合所选的同步带类型和目前市场上轨道系统的规格, 本研究选取了一款满足要求的轨道系统, 其中同步带传动的相关技术参数如表2所示。
2.2.2 同步带带宽校核
由于AT10梯形齿同步带为特殊节距制同步带, 本研究根据下面公式进行校核[7]:
式中, Pd为同步带的设计功率, k W;P0为同步带的基准额定功率, kW;Zm为啮合的齿数, 本研究该值13。
公式 (5) 的右边等于18.16, 而带宽bs为34, 可见同步带的带宽满足公式 (5) 。
2.2.3 同步带强度计算
带速与从动轮速度的变化会引起传动系统产生附加的动载荷[8], 由于本研究带传动为低速传动, 且机器人的质量较小, 因此冲击载荷可不必考虑。本研究主要从剪切应力和压强两个方面对同步带的强度进行校核。根据文献[7], 相关计算公式分别如 (6) 和 (7) 所示:
式中, Zm为啮合的齿数, 当Zm≥6时, 取6[7];v为同步带的工作速度 (m/s) , 。
带入相关数据得到t=0.39Mpa, 小于所允许的最小值0.5[7];, 小于所允许的最小值1.5[7]。可见带的强度满足要求, 并有一定的富余。
3 阀厅现场应用情况
将该机器人安装在某变电站阀厅内投入运行, 该机器人能以自主或遥控方式在阀厅复杂环境下稳定可靠地工作。通过安装的远程综合管理平台, 机器人按照预先定制的任务进行自动巡检, 巡检数据保存在数据库中。后台具有自动识别功能, 自动生成设备的红外测温、声音异常和外观异常等报表, 并自动将巡检数据 (温度、分合状态、仪表读数等) 和缺陷报警信息上送其它信息管理系统。
如图3所示为巡检得到的可见光图像与红外图像。可见光图像质量稳定, 能够准确的获知设备的外观状况, 如是否存在螺栓脱落、接头松脱等异常情况。红外图像清晰, 对不同温度的物体 (如带电运行的导线、发热设备) 有较高的分辨能力。两种检测图像画面清晰, 可用于对阀厅内设备进行分析。
在实际运行中, 可根据需要自动或手动动态调整云台的姿态已达到最佳视角检测。现场运行情况表明:该机器人系统在控制精度、稳定性、安全可靠性、抗干扰能力等方面均已达到或超过预期目标, 适用于阀厅内设备的巡检工作。
4 结论
(1) 针对目前阀厅内设备巡检方法存在的缺陷和不足等问题, 设计研制了一种适用于阀厅复杂环境的智能巡检机器人。
(2) 对该机器人电力驱动系统主要零部件进行了设计选型与校核, 结果表明:该机器人电力驱动系统满足要求。
(3) 现场运行情况表明:该机器人能够稳定可靠的完成巡检工作, 并且将巡检的数据传送至后台, 进行显示、存储与处理。
参考文献
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[7]成大先.机械设计手册 (第五版) [M].北京:化学工业出版社, 2008.
[8]郭建华, 谷淑娟, 夏金林.梯形齿与双圆弧齿同步带传动精度分析[J].齐齐哈尔大学学报, 1999, 15 (4) :31-35.
智能巡检机器人 篇2
电力设备巡检是保障电力系统安全运行的重要工作，巡检的质量和效率又与巡检模式密切相关。分析了电力设备巡检工作的现状及存在的问题，介绍一种基于移动终端的电力设备智能科技巡检系统。系统采用了无线通信、二维码扫描、GPS定位以及Web Service等前沿技术，并通过移动互联网实现数据传输。该系统在提高电力设备巡检工作的效率、质量以及电力企业的管理水平的同时，有效地扩大了智能巡检的普及性，对电力系统的安全运行具有现实意义。
0 引言
电力系统的安全稳定运行关系着人们生活乃至国家和社会的稳定，每一次故障都可能给社会和人民带来无法估量的损失[1]。电力巡检作为一项维护电力系统安全运行的基础工作，能够有效保证设备的安全性、提高设备可靠率、降低设备的故障率。巡检工作是为了及时掌握设备的运行状况和周围环境的变化，发现设备存在的缺陷和安全隐患并及时进行修复。
目前电力企业的电力设备种类多、数量大、分布范围广。由于缺乏移动终端的支持，在传统的巡检工作中，巡检人员一般采用手工书面记录的方式进行信息记录，这使得巡检工作受制于环境气候条件、人员素质、责任心等因素[2]，且存在着工作量巨大，巡检效率较低，纸质的巡检记录不易于保存等弊端。除此之外，电力企业在开展电力设备巡检工作时，也会经常出现巡检人员工作不准时、不全面、不到位的情况，使得管理人员难以及时、准确、全面地了解巡检状况，及时做出合理的决策。
1 电力巡检现状分析
近年来，随着物联网技术和无线通信技术的不断发展以及巡检工作需求增多，出现了一系列基于GPS(Global Positioning System)技术和RFID(Radio Frequency Identification)技术的电力设备巡检系统，巡检人员利用移动计算设备PDA(Personal Digital Assistant)读取电力设备上的电子标签以获得相应数据，再将巡检数据通过无线通信网络传输到PC端的后台管理系统[3]。这类系统与人工纸质巡检方式相比，工作效率有了很大的提高，但由于所需投入经费较高等原因，并没有得到真正的普及。
因此目前国内的电力设备巡检软件仍然具十分广阔的探索开发和创新的空间，主要体现在两方面。第一方面，在基于RFID的巡检系统中，必须配有电子标签以及相应的PDA才可以开展巡检工作，且采用PDA巡检存在数据存储量有限、无法自动获取巡检任务、人机交互界面功能过于单调等缺陷[4]。
由于PDA造价比较昂贵，多数电力企业因缺乏相应资金支持而仍旧采用的传统巡检模式，或是PDA数量不足而使得巡检工作的开展受到限制，因此电力设备的智能巡检并没有得到普及[5]。第二方面，智能手机、平板电脑以及手表等一系列移动智能终端普及率越来越高，将智能移动终端带入到电力设备巡检工作中不仅能大大提高巡检工作的效率，更能扩大智能巡检在各电力企业中的普及率和覆盖率，从而保证电力系统的安全稳定。
综上所述，新一代的智能巡检系统在降低使用成本的同时，更应该充分地结合物联网技术、无线通信技术等前沿技术让系统能在基于Android/IOS等主流操作系统的智能移动终端上运行。
2 系统概述
基于移动终端的电力设备智能巡检系统分为移动端和后台管理端两部分。其中，移动端采用M/S(Mobile/Server)移动技术架构，后台的管理系统采用B/S(Browser/Server)分层架构。
系统设计充分考虑到应用的便利性和可扩展性。采用移动互联网通信技术，充分利用当前移动终端设备具有良好的便携性与普及性等特点，结合二维码扫描技术、GPS定位等技术等，构建了新型的网络移动软件架构智能巡检体系，图1为本移动巡检系统的技术路线图。
巡检工作开展前，先要完成巡检系统的前期部署：由管理员对企业所属区域中的所有电力设备进行统一编号，并生成相应的二维码贴在设备上，最后向数据库中录入所有设备的编号、地理位置等参数。
管理员可查看所有设备的参数资料、故障情况并针对实际需求制定巡检计划，利用后台管理端将计划发布，同时系统将自动向担任本次巡检任务的巡检人员发送飞信提醒。图2为数据流图。
巡检人员收到通知后登入到巡检系统移动端，查看巡检任务并按要求开展巡检工作。本系统利用MD5算法对巡检数据进行加密，以确保系统安全性。巡检系统会对巡检过程进行全程监控，一旦发现有设备出现故障，管理员可在后台管理端查看具体情况并向维修部门发出故障维修通知。巡检过程中获取的电力设备的各项参数都会通过移动互联网传输到服务器，管理员可以通过巡检系统的后台管理端实时、精确、全方位地了解企业的电力设备状况，及时做出合理的决策。
3 系统设计与实现
3.1 数据采集
巡检人员到达待检设备后，利用移动终端上摄像头扫描设备上的二维码，获取该二维码所包含的设备/编号信息。
二维码作为一种全新的信息储存、传递和识别技术迅速地融入到社会生活当中[6]。与传统的一维条码相比，二维码在信息容量、编码范围、译码可靠性等诸多方面都有较大提升。 除此之外，低廉的成本及简易的制作过程也使得二维码的应用得以涵盖诸多领域。在本系统中，二维码扫描技术起到了关键性作用。对比于前文提到的射频技术(RFID)所伴随产生的昂贵费用，本系统采用的二维码扫描技术，快捷方便，经济成本低廉。
扫描二维码时移动终端利用Google提供的地图应用接口、XML(Extensible Markup Language)等技术实现GPS定位功能[7]对移动终端所在位置进行定位，从而获取巡检人员所在地点的经纬度信息。最后将设备编号、经纬度信息与数据库中原始录入的信息进行比对，只有比对成功才能进行巡检数据信息的输入，从而确保了整个巡检工作的可靠性，图3为巡检数据采集流程图。
巡检数据信息主要有：设备编号及参数、设备位置、瓷件、电气连接件、音响、本体及基础等。其中设备编号及参数由二维码信息自动生成，设备位置信息由GPS定位系统自动生成，其他数据为员工自主填写。
3.2 数据传输与处理
本系统的后台管理端采用B/S层架构，分别为：用户界面层、业务逻辑层、数据访问层，如图4所示。系统利用Web Service获取巡检相关信息，Web Service是一种面向服务的体系结构，像是一个“黑盒子”，它所提供的数据访问接口能够被智能移动终端、PC端等各种不同类型的平台访问。因此，只要符合Web Service的接口定义，不管来自何种平台，基于何种编程语言的数据访问请求，都能实现数据交互[8]。移动端采用M/S架构，通过第三方提供的SDK(Software Development Kit)来调用Web Service，从而实现数据以XML格式在移动终端与服务器之间的.传输。
系统充分利用Web Service的开放性、跨平台性等特点，结合HTTP和SOAP协议、XML数据解析技术[9]等，实现从移动终端到服务器的数据交互，围绕巡检工作的计划制定、设备正/异常状况记录、巡检过程监控和巡检数据处理等业务功能，进行模块化设计。
巡检系统后台管理端由系统管理、巡检管理、设备管理、统计报表、员工反馈以及帮助文档六个模块组成。主要实现内容如下。①系统管理：对所有巡检人员及管理员进行权限的分配、信息的更新与维护，便于工作的安排和巡检计划的落实。②巡检管理：由管理员根据实际情况制定出合理的巡检计划，及时通知巡检工作人员并对巡检过程进行监控。③设备管理：记录企业内所有电力设备的实时状态、故障状况、巡检记录信息等数据。④统计报表：服务器利用已有的数据信息生成多样化报表，使管理员能够更直观、更全面地掌握电力设备的状况。⑤员工反馈：巡检人员将在巡检工作中遇到的特殊事件或是对于巡检工作的建议等及时反馈给系统管理员。⑥帮助文档：提供所有设备的巡检信息和参考数据，巡检人员可根据帮助文档中的相关标准进行巡检，保证巡检信息的准确性。
3.3 实时监控
系统后台管理端利用Web Service+Java Script技术实现监控页面与服务器进行无刷新的数据交换[10]，从而在监控页面内动态地对设备故障情况进行实时刷新，使得管理员能及时掌握所有设备的实时状况，若有电力设备出现故障可在第一时间保修。
在巡检工作中，巡检人员可根据设备的故障情况上传“设备故障等级”信息，分别为“正常”、“一级”、“二级”、“三级”，故障级别越高，表示设备的故障越严重。在监控页面里每个设备的不同故障等级都会用不同颜色来表示，“正常”为绿色，“一级”为黄色，“二级”褐色，“三级”则为红色，若设备“未检测”则显示灰色。当巡检人员发现电力设备故障并上传相应故障等级时，后台管理端的“实时监控”页面中相应设备的颜色将会改变，这使管理员能够总览所有设备的故障状况，及时采取应急措施。若巡检员漏检，可向该员工的移动终端发送飞信进行提醒。
4 结束语
基于移动终端的电力设备智能巡检系统充分利用了智能终端普及率高的优势，支持搭载Android操作系统的智能手机、平板电脑等智能移动终端，具有成本低、覆盖广、操作简便、界面交互性强等优点。结合无线通信技术、二维码扫描技术、GPS定位技术以及Web Service等前沿技术，并通过移动互联网实现数据传输，搭建了一种新型的智能巡检平台，使电力巡检工作更加专业化、智能化。与传统的人工巡检相比，本系统有效地提升了电力设备巡检的工作效率和电力企业的管理水平，“实时监控”功能可保证巡检工作质量，使得管理员能够及时、准确、全面地了解设备状况，从而制定最佳的保养和维修方案。相比与RFID技术，本系统采用的二维码扫描技术在控制经济成本、业务复杂度、应用扩展性等诸多方面都有明显优势，对于智能巡检工作的普及有着重大的意义。
智能巡检机器人 篇3
随着设备技术、计算机网络科学的快速发展, 现代化的电网逐步向大规模、复杂化的方向发展。在电网规模不断的发展壮大, 而人力的结构性缺员现象却越来越严重, 这就造成了电力系统传统的运行、操作、维护等方式与方法面临着新的挑战, 如何进一步适应新形势下的电网巡视、测温等工作, 是电力员工面临的重点和难点。变电站智能巡检机器人的应用是一个全新的尝试, 通过采用新技术、新手段以减轻工作人员的运行维护负担, 有效保障设备安全可靠运行, 也是解决当前困境的一个有效途径。
1 滁州电网概况
滁州供电区域为滁州市的三县、两市、两区, 营业面积1.33 万平方公里。滁州电网拥有220 千伏变电站10 座、110 千伏变电站37 座, 35k V变电站1 座, 主变压器总容量达8158 兆伏安, 110 千伏及以上线路2849.1 公里。公司所辖的48 座变电站分别为四个班组运维, 共计人员51 人。其中运维二班12 人共管辖运维变电站13 座, 包括220k V变电站3 座, 110k V变电站10 座, 主要负责所辖变电站日常巡视、操作以及定期轮换检查试验、草坪维护、土建施工监护、事故处理、缺陷填报等。
2 变电站巡检技术
变电站巡视工作是运维人员日常工作的一个非常重要的方面, 它是设备安全稳定运行的保证, 也是设备检修信息的一个重要来源。传统的变电站巡视工作主要是由人工巡视方式完成, 主要通过运维人员直接的用肉眼观察以及一些辅助的检测仪器对变电站内一次设备运行情况进行判断。当然, 人工巡视存在局限性, 随着变电站数量的几何级增加, 而从事运维工作的人员数量并未同步增加, 这也片面增加了工作人员的劳动强度, 巡视质量的逐步下降, 主观因素对设备状态判断的影响也不容忽视。但是, 近年来, 随着通信技术和装备技术的发展, 人工巡检逐步被自动化设备所取代的趋势已不可避免, 智能巡检机器人也就应运而生, 并且逐步在变电站推广使用。
3 智能巡检机器人应用
滁州公司琅谯运维站此次通过2 台智能巡检机器人对所辖的8 座变电站进行巡检。每台机器人负责4 座变电站的巡视任务。目前8 座变电站依据重要程度分为3 类变电站6 座 (220k V3 座、110k V3 座) , 4 类变电站2 座 (110k V2 座) , 现场巡检工作主要有:例行巡检、全面巡检、专业巡检、熄灯巡检和特殊巡视共5 类。根据国网对无人值班变电站相关要求, 各类变电站巡视周期分别为,
例行巡视:3类变电站每周1次;4类变电站每2周1次
全面巡视:3类变电站每月1次;4类变电站每2月1次
熄灯巡视:所有变电站每月1次
特殊巡视:国家节假日、上级安排开展或设备异常、方式异常
红外测温:220k V变电站每月1 次, 110k V变电站每季度1 次, 但在迎峰度夏 (冬) 或大负荷等其它特殊情况时应增加测温频次。
现场巡检机器人主要承担例行巡检、特殊巡检和红外测温工作。班组巡检机器人应用计划: (1) 巡检机器人工作 (放置) 范围:1 台机器人放置220k V滁县变电站, 主要负责巡检:滁县变、三岔路变、琅琊变、龙蟠变;1 台机器人放置220k V黄栗树变, 主要负责巡检:黄栗树变、深秀变、太平变、乌衣变;琅谯运维站驻地滁县变电站设置机器人控制主机, 主要遥控各站机器人作业; (2) 巡检机器人巡检工作开展双轨运行 (即人工巡视按班组巡检计划正常开展和机器人巡视) , 非同期巡视, 此期间对机器人应用及巡检结果与人工巡检结果比对, 完善差异数据并校核; (3) 机器人巡检工作正常后, 减少220k V变电站的例行巡视次数, 巡检机器人主要承担各站的例行巡视、特殊巡视 (仅含设备异常和特殊方式单一设备特巡) 和红外测温工作, 正常开展110k V变电站全面巡视和特殊巡视。
上述工作开展期间, 对巡检机器人发现的所有异常信号不少于12小时现场人工核对, 特殊问题 (重大及以上缺陷) 不小于1 小时现场人工核对。
4 智能巡检机器人应用效果
智能巡检机器人巡检, 极大减轻了巡检人员的劳动强度, 并可以在暴雨、低温、冰雹等恶劣天气中替代运行人员对部分运行设备完成巡检工作。由于电力系统设备的缺陷流程和设备的常规检查等状态信息采用的是人工巡检方式, 这也增加了因人为因素的影响而对设备异常状况的判断的准确性, 比如电力线路的缺陷、断路器气体泄漏缺陷等, 对专业人员的故障分析、处理都增加了一定难度, 同时对于一些量化的表计数据纪录也会因人为原因出现一定的偏差, 通过采用智能巡检机器人进行数字化处理, 可实现标准统一和描述统一, 从而提升了系统的标准化、智能化水平。
5 智能巡检机器人存在的问题
变电站智能机器人作为自动化技术在实际中应用有着先天的优势, 但是智能巡检机器人包含了自动化控制技术、定位导航、图形处理等等复杂技术, 其中设备巡检技术在导航方式、自动控制等方面还处于探索摸索阶段, 在一定程度上限制了智能巡检机器人的进一步推广, 同时由于实际空间的局限性造成被检目标和待检项目覆盖率较低, 仍无法做到全面检测。当然, 智能巡检机器人本身就是在探索一种新的方式和方法开展变电站设备的检查和维护, 并代替部分人工巡检工作, 减轻运行人员的劳动强度。相信, 智能巡检机器人一定会扮演越来越重要的角色。
6 结语
电力系统是及其复杂、庞大而又对可靠性要求极高的一个自动化系统, 它的安全稳定运行关系到我们每一个人的衣食住行, 关系到社会民生, 同时它更需要新工艺、新技术的支撑和应用。智能巡检机器人作为一个新生的科技产物, 有着超前的设计理念、先进的科学技术, 且其控制系统界面友好, 操作方便灵活。经过试点站的运行和检测, 证明是电力系统运行人员的好助手、好同伴, 具有非常高的推广价值和现实意义。
摘要：通过智能巡检机器人在滁州电网系统的应用, 并与传统人工变电站巡检技术比较, 结合智能巡检机器人的自动化技术应用状况、技术实现、及发展趋势等, 综合分析智能巡检机器人发展的必要性和方向性, 并对智能巡检机器人存在的缺点与不足进行了讨论。智能机器人巡检在滁州电网实际应用结果表明, 该项目应用情况良好, 效果显著, 且具有很高的推广价值。
关键词：巡检机器人,变电站,巡检系统,智能
参考文献
智能巡检机器人 篇4
在基于北斗定位和磁导航的变电站智能巡检机器人中, 利用北斗卫星进行进位, 通过磁导航使机器人运行在轨道上。定位导航系统是智能巡检机器人的主要技术, 也是保证巡检机器人系统长期有效的稳定运行的关键。智能巡检机器人的定位导航通过定位导航模块来解决定位、运动目标、路径规划的问题。定位导航模块包括地图构建子模块、定位子模块和导航子模块。
地图构建子模块是定位导航的基础, 完整、精确的地图有助于进行定位导航;构建地图需要采集里程计、惯性测量单元等信息, 而这些信息来自里程检测系统。定位子模块是巡检车自主巡检的核心, 准确地知道巡检车的当前位置, 才能进行导航、巡检;定位模块依据地图信息、底盘设备、惯性测量单元的数据, 采用粒子滤波、Scan Match (函数方法) 等方式估计出机器人的位置信息, 因此该子模块正常运行的前置条件为底盘设备、惯性测量单元设备、激光设备运行正常。导航子模块是在定位模块的基础上, 给定目标点, 通过路径规划、控制巡检车到达指定位置。
1.里程检测系统
基于北斗定位和磁导航的变电站智能巡检机器人的里程检测系统包括里程计和惯性测量单元。里程计是通过传感器记录车运动的里程数, 用x、y、angl来表示, x为车前进方向上的偏移, 正为前进多少, 负为后退多少;y为垂直于车前进的方向上的偏移, 正为左偏移多少, 负为右偏移多少;angle表示车旋转的角度偏移, 正为左转多少, 负为右转多少。受到传感器特性的制约, 里程计在测量x、y时相对精确, 测量angle时有一定的误差。里程计和车的运动是一体的, 因此里程计数据的采集和车的驱动在同一个模块中实现。驱动车的模块依据所采用的驱动器的不同而不同, 也可简称为底盘设备。底盘设备作为巡检车最基本的设备, 用于获取巡检车的里程计、速度等信息, 同时可以通过发送速度控制巡检车的运动状态。该程序的运行依赖Copley Chassic Device.ini文件, 该文件中记录了电机数 (Wheel Num) 、车轮直径 (Wheel Diameter) 、电机减速比 (Rate Slow) 、车轮到底盘中心距离 (R Radius) 等信息。里程计中各项数据的关系如图1所示。
惯性测量单元 (IMU) 是测量物体三轴姿态角 (或角速率) 以及加速度的装置。通过该传感器可以获取重力加速度与运动加速度的合成加速度在三轴上的加速度分量, 从而起到判断物体的姿态和运动状态 (运动、静止) 的作用。另外, 通过该传感器还可获取物体在三轴上的角速率, 对角速率进行积分后并可获取物体旋转的角度。由于里程计测量angle时存在很大的误差, 故引入惯性测量单元进行该信息的采集。
2.脱轨自动恢复技术
磁导航的智能巡检机器人是以磁条或磁道钉作为信号源, 利用机器人所载的磁传感器检测磁条或磁道钉的磁场信息, 确定机器人的位置以及实际位置。虽然磁导航具有较高的测量精度及良好的重复性, 不易受天气情况以及光线变化的影响, 具有较高的可靠性, 但依然有几率出现机器人脱轨的现象。脱轨自动恢复技术为巡检机器人提供了基本的安全保护, 保障了巡检机器人与变电站设备的安全, 实现了巡检机器人的智能化。
脱轨自动恢复技术的工作原理是当磁传感器发现没有探测到磁条时, 通过CAN总线发送没有探测到磁条的命令到控制中心。控制中心接收到巡检机器人没有在磁条上, 马上进行紧急制动。巡检机器人刹车后, 对其前后磁传感器进行判断。如果前后磁传感器都没有在磁条上, 那么就发出报警, 进行人工恢复并且不响应任何上位机命令。如果只有一个磁传感器在磁条上, 那么就触发自动恢复到磁导航上任务, 对巡检机器人进行自动恢复, 例如:当发现前方磁传感器没有在磁条上, 那么就触发后退命令, 直到前后磁传感器都在磁条上为止。相反如果后方磁传感器没有在磁条上, 那么就触发前进命令, 直到前后方磁传感器都在磁条上为止。巡检机器人探测到前后方磁传感器都在磁条上后, 调整当前巡检机器人的姿态, 并且通知上位机可以继续做任务。脱轨自动恢复技术的工作原理图如图2所示。
二、里程检测系统的重要性
智能巡检机器人的里程检测系统在脱轨自动恢复过程起到重要作用。当智能巡检机器人出现脱轨情况时, 需要对前后磁传感器进行判断, 并根据判断结果进行前后移动, 直到前后方磁传感器都在磁条上为止。但是巡检机器人不会单纯的前后移动, 毕竟机器人脱轨的因素有很多, 也有可能存在任意角度的偏移。脱轨自动恢复技术要顺利将巡检机器人恢复到正常轨道上, 还需要从里程计中读取数据, 得到巡检机器人的x, y, angle等参数, 结合地图由此知道机器人之前经过的路径和与轨道偏移的角度。在实验室模拟了一种脱轨情况, 当机器人遭遇外在因素导致脱轨, 前后均无磁传感器。脱轨自动恢复技术结合里程检测系统, 使智能巡检机器人通过路径回溯恢复到正常轨道上。机器人模拟脱轨自动恢复图如图3所示。
如图3所示, 巡检机器人从A点出发, 正常行驶到B点, 由于外力因素导致脱轨运行到C点。机器人在C点前后也有磁传感器, 这时要将机器人恢复到正常轨道不单靠磁传感器。所以脱轨自动恢复技术需要结合里程检测系统, 读取机器人之前运行路径, 再通过路径回溯, 使机器人回到正常轨道上, 即机器人从C点回到B点上。
由此可见, 智能巡检机器人的里程检测系统对脱轨自动恢复技术有着重要的作用。
结语
里程检测系统和脱轨自动恢复技术都是基于北斗定位的变电站智能巡检机器人的主要技术。里程检测系统包括了里程计和惯性测量单元, 在地图构建和脱轨自动恢复技术中起到重要作用。里程检测系统能记录机器人的巡检路线, 有利于脱轨自动恢复技术的实现, 减少人工恢复。本文通过实验室模拟脱轨自动恢复实验证明了里程检测系统的重要性。里程检测系统和脱轨自动恢复技术都是长期有效地稳定运行的关键技术。
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智能巡检机器人在变电站中的应用 篇5
关键词：智能,机器人,应用
1 前言
针对目前变电站无人值班技术的迅速发展, 现有的设备巡检方式和技术已逐步滞后于变电站的自动化发展水平。在无人值班变电站中, 传统的值班员设备巡视和安防工作, 仅由少数固定摄像机聊以替代, 设备巡视功能基本无法实现, 尤其是变电站设备内部热缺陷, 由于无法实现及时检测, 使事故隐患不能及时发现, 导致了诸多故障的发生。利用智能移动机器人完成电站设备的部分巡检任务, 是推进变电站自动化建设水平的一种全新的大胆尝试, 其相关技术的有效应用, 将在一定范围内提高设备运行维护人员的工作效率和设备巡检质量, 并在一定程度上代替人工巡检工作, 将有效的推进变电站无人值守进程。为电力系统安全经济生产提供保障, 有利于进一步实现电网企业经济效益和社会效益的双赢。
2 智能巡检机器人
变电站设备巡检机器人系统是集机电一体化技术、多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航及行为规划技术、机器人视觉技术、安防技术、稳定的无线传输技术于一体的复杂系统, 采用完全自主或遥控方式, 代替巡检人员对站内室外一次设备的部分项目进行巡检, 对图像进行分析和判断, 及时发现电力设备的缺陷、外观异常问题, 为无人值守变电站的推广应用提供了创新型的技术检测手段, 提高了电网的可靠稳定运行水平。机器人系统采用分层式控制结构, 分为基站控制系统层和移动站系统层两层结构, 如图1所示。
2.1 基站控制系统层
主要由监控计算机系统、交换机以及相应的无线通讯设备组成。监控主站系统基于Windows系统, 采用C#面向对象编程语言开发设计, 主要功能是提供友好的操作交互界面, 完成监测功能, 为机器人运动规划提供相应的命令及环境信息, 并可以对机器人采集的设备数据进行分析、存储并提供专家诊断功能。
2.2 移动站系统层
主要由主控计算机系统、运动控制系统、磁轨道导航定位系统、巡视检测系统、能源电池系统、网络通信系统以及机器人机械结构等模块组成。实现机器人的运动控制、导航定位、检测数据采集、能源管理补给以及状态信息上传等功能, 结合基站控制系统, 完成机器人的遥控巡视和自动规划巡视等功能。
3 主要应用技术
3.1 例行巡检内容全面
智能巡检机器人能够以全自主、本地或远方遥控模式代替人工进行变电站常规巡检;巡检内容包括设备温度、设备外观、刀闸开合状态、仪表、设备噪声等, 具有检测方式多样化, 智能化, 巡检工作标准化、客观性强等特点;系统集巡视内容、时间、路线、报表管理于一体。实现了巡检全过程管理, 并能够提供数据分析与决策支持。
3.2 巡检技术先进
1) 红外测温采用模式识别技术。
首先从红外图像复杂背景中识别出需要进行温度检测的设备或区域, 再进行最高温度的读取, 保证了温度检测的精确性和有效性。
2) 具备设备热缺陷判别和自动报警功能。
红外检测系统能够对变压器、互感器等设备本体以及各开关触头、母线连接头等的温度进行检测, 并采用温升分析、同类或三相设备温差对比、历史趋势分析等手段, 对设备温度数据进行智能分析和诊断, 实现缺陷的判别和自动报警。
3) 具备机器视觉功能。
经图像预处理和滤波技术, 消除室外环境雨雪、光照等对设备图像清晰度的影响, 再通过设备图像精确匹配和模式识别技术, 可进行设备外观状态的自动识别, 包括外观异常、刀闸分合状态、仪表读数以及油位计位置等, 如图2所示。
4) 具备听觉功能。
在机器人巡检过程中, 通过拾音器采集设备运行中发出的声音, 经对声音的时域和频域分析并比对设备异常声音特征库, 可识别设备内部异常
5) 具备GIS母线伸缩节位移监测功能。
基于Retinex算法实现雾天、雨天等恶劣天气情况下的图像增强, 利用图像颜色空间模型, 实现对GIS设备的母线位移精确定位与判别。
3.3 巡检控制方便
在机器人巡检前需要根据变电站场地设备布置情况编制厂站巡视策略线路图, 通过预埋磁轨道实现巡视路线的导航定位如图3所示, 巡视运行模式主要有自主巡检、定点巡检、控巡检和特殊巡检四种模式。
1) 机器人在巡检控制方面, 根据巡检时间、周期、路线、目标、类型 (红外、可见光等) 灵活进行任务定制, 实现自主巡检。
2) 根据预定巡视策略可选择部分设备进行巡检, 自动生成最佳巡检路线并执行定点任务, 实现定点巡检。
3) 运行人员可通过后台手动控制界面, 控制机器人执行巡检任务实现遥控巡检。
4) 在高原、寒冷等地理, 或大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨等恶劣天气条件下, 开展特殊巡检能够代替或辅助人工完成变电设备的巡视, 有效降低劳动人员安全风险。
3.4 监控系统联动
机器人巡检系统提供与站内监控系统和信息一体化平台接口, 能够与监控系统协同联动;在设备操控和事故处理时, 通过最优路径规划自动移动到目标位置, 实时显示被操作对象的图像信息, 进一步保证整个过程的可靠实施, 减轻工作人员劳动强度;在进行一键顺控智能操作时, 机器人可通过模式识别技术, 对开关位置进行自动识别, 实现被控设备控前及控后位置的自动校核, 如图4所示。
3.5 视频巡视和工作指导
变电站智能机器人巡检系统可通过视频远传、远程控制功能, 实现变电站巡检的远程可视化;当变电站进行现场作业时, 机器人可灵活移至作业位置, 借助该系统的双向语音对讲功能, 实现变电站远程视频工作指导。
3.6 设备缺陷管理
系统能够自动生成设备红外测温或外观异常报表, 并自动将巡检数据 (温度、分合状态、仪表读数等) 和缺陷报警信息上送其它信息管理系统;系统可按设备类型提供设备红外图像库、设备缺陷或故障原因分析及处理方案, 协助运行人员积累运行经验, 提高设备缺陷识别和处理能力。
4 标准化巡检作业
1) 巡检机器人通过可见光摄像仪和红外摄像仪实时采集图像和数据, 传输至后台软件进行智能分析, 真正形成全监控方式, 为变电站的安全运行构筑了另一道防线。
2) 巡检机器人数据的存储采用专业数据库系统, 其积累的数据在经过智能化分析后, 可生成设备历史温度曲线提高对设备运行状态的预知性, 为状态检修或状态评估提供有效数据支持, 从而减少事故的发生。
3) 巡检机器人系统不仅仅是一套独立的系统, 可以与诸如综合自动化系统进行数据交互, 形成纵向的数据比较和分析, 进一步提高了变电站运行的自动化水平。
4) 巡检机器人系统的数据可以通过多种方式上传生产MIS系统, 使得管理者随时可以关注变电站的运行情况, 大大提高了生产管理水平。
5) 巡检机器人系统采用移动机器人技术、模式识别技术、红外线热成像检测技术等多种先进技术的融合, 属于国际领先水平, 同时也得到了广大用户的认可。
6) 机器人设备巡检的采用, 给无人值守变电站设备巡检提供了一个新的手段, 有力的支持了无人值守变电站技术的推广。
5 结束语
智能巡检机器人 篇6
变电站设备巡检是有效保证变电站内设备安全运行, 提高供电可靠性的一项基础性工作, 它分为例行巡检和特殊巡检。其中, 例行巡检每天至少两次;特殊巡检一般在高温天气、大负荷运行、新投入设备运行前以及大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨后进行。我国地域辽阔, 很多变电站的地理环境十分恶劣 (如高海拔、酷热、极寒、大风、沙尘、多雨等) , 大多数变电站巡检方式多为人工巡检, 主要是通过手持红外热像仪对变电站设备进行红外测温。而只靠人工在室外进行长时间的设备巡检工作是十分困难的, 同时也存在劳动强度大、工作效率低、检测质量分散等不足。
1 智能机器人的系统架构
变电站设备巡检智能机器人基于自主导航、精确定位、自动充电的室外全天候移动平台, 集成可见光、红外、声音等传感器;基于磁轨迹和路面特殊布置的无线射频设别 (RFID) 标签, 实现巡检机器人的最优路径规划和双向行走, 将被检测设备的视频、声音和红外测温数据通过无线网络传输到监控室;巡检后台系统通过设备图像处理和模式识别等技术, 结合设备图像红外专家库, 实现对设备热缺陷、分合状态、外观异常的判别, 以及仪表读数、油位计位置的识别;并配合智能变电站顺控操作系统实现被控设备状态的自动校核。智能机器人的系统架构如图1所示, 分为基站控制系统层和移动系统层。
基站控制系统层主要由无线网桥和监控计算机 (主站) 组成。主站系统基于Windows系统, 采用C#面向对象编程语言开发设计, 其主要功能是自动采集和存储可见光图像和红外图像并进行分析和处理, 动态显示机器人当前采集的可见光图像和红外图像;实时显示机器人当前的方位、运动状态、电源状态, 并进行分析和异常报警;查询机器人现场采集的历史数据, 并进行对比分析;提供友好的操作界面, 完成机器人检测、监测功能, 为机器人运行提供相应的命令及环境信息。
移动系统层主要由电源系统、导航系统、检测系统、控制系统、通信系统以及运动系统组成, 负责导航定位信息的采集和处理, 按照预先设定好的巡视路线自动完成巡视任务, 在预设点自动定位、自动采集可见光图像和红外图像并上传至基站, 完成巡视任务后自动充电, 在巡视过程中遇到障碍物时自动停车并进行报警。
2 变电站智能机器人的运行指标及功能
智能机器人在一定程度上可以减轻运行人员的设备巡检任务, 并可在恶劣天气中代替人工对设备进行巡检。它通过底部的磁传感器沿着根据巡视路线铺设的3 590m磁轨道进行巡视, 在需要采样的信息点处埋设无线射频设别 (RFID) 点370个, 巡视相关设备、接头、仪表及油位500多个, 实现对全站设备的有效自动巡视。运行人员可通过工作站主界面, 依据现场情况为机器人安排合理的巡视时间及运行任务、路线, 单日对220kV及35kV设备区进行时长1h的可见光巡视及时长2h的红外成像巡视;双日对主变、500kV设备区进行时长2h可见光及时长3h的红外成像巡视。巡检任务结束后, 通过筛选巡视时间及设备类型分析设备温度, 并显示模式识别区域的温度;当超过温度阀值时, 发出报警提示信息, 并形成设备检测报告。检测报告中详细记录设备名称、巡检时间、红外检测图像及三相对比结果。
3 智能机器人的操作指令及响应
500kV文都变采用的智能机器人可以完全自主进行巡检, 只需在自动规划前对任务进行人工配置。下面对机器人的常用操作及响应做简要说明。
3.1 人机互动
(1) 检查连接状态。检查机器人状态是进行其它大部分操作的前置要求, 操作人员须掌握后再进行其它操作。
(2) 手动巡检。在系统界面工具栏中点击控制平台按钮, 进入控制平台界面 (如图2所示) , 点击切换按钮后模式变成“手动控制模式”, 此时可用键盘的四个方向键控制车体的前后左右, 空格键为停车;或通过快捷键W、S、A、D、Q、R键分别控制车体的上、下、左、右、停止、复位。
(3) 视频录制、回放。打开可见光右键菜单, 点击开始录像即可进行视频的录制, 录制完成后事项中会显示录像存储路径, 双击该事项, 点击“导航到”即可查看该录像, 如图3所示。
(4) 启动与关闭任务定时、下发配置。启动定时:点击主界面工具栏的“巡检任务”按钮打开任务界面, 点击需要启动定时的任务名称 (如“220kV+35kV夜”) 选择定时, 再点击右下方“220kV+35kV巡检任务夜”的定时时间, 这时工具栏上“启用定时”由灰色不可选变成黑色可选的状态, 点击“启动定时”即可, 如图4所示。
禁用定时:即取消定时任务, 执行此操作后机器人将不再自主进行该任务的定时设备巡检。该操作与启用定时操作类似, 在选中任务及任务的定时时间后, 再选择“禁用定时”即可。
下发配置:修改任务的定时或修改其它配置时, 界面会出现如图5所示版本提示, 确认之前所做修改均有效, 再点击“是”下发配置, 机器人会按照所做修改执行。
3.2 巡检模型配置
(1) 温升设置。打开“配置/巡检模型配置”菜单, 选中左侧“设备”节点, 弹出如图6所示巡检模型配置图界面, 再选中需要设置的设备, 此时在右侧属性栏可以看到“允许温升”项, 其值为20, 该值可根据不同设备、不同季节进行修改。
(2) 巡检定时时间设置。打开“配置/巡检模型配置”菜单, 选中左侧“巡检任务”节点, 选中要修改的任务名称, 在右侧可以设定定时周期个数及时间。例如图6中选中设备的定时周期为2, 定时任务时间分别为10:00和15:00, 表示巡检机器人一天巡检两次, 巡检时间分别为10:00和15:00。
3.3 查询操作
(1) 巡检数据查询。点击系统工具栏上的“巡检数据”按钮, 弹出巡检数据查询界面。在界面左上角处先选中起止时间, 然后点击“查询”按钮就可看到如图7所示信息, 界面中的红色数据表示温升越界报警。
(2) 报表查询。该模块主要查询巡检数据中所生成的报表, 操作过程与巡检数据查询类似, 打开“分析/报表查询”菜单, 弹出报表查询工具界面。界面左侧展示温度与设备两种过滤方式, 中间为查询结果列表, 右侧是以Word文件格式展示的所查询的报表, 可进行页面设置、打印预览、打印等操作。
(3) 历史曲线查询。打开“分析/历史曲线”菜单, 弹出历史曲线查询界面, 设定需要查询的开始时间和结束时间, 结束时间不能早于开始时间。点击“选择”按钮, 打开曲线选择操作界面对变电站的设备进行选择, 点击设备曲线页面勾选出需要查询的设备。若需对移动站测点曲线进行选择, 则点击移动站测点曲线页面, 勾选出需要查询的移动站测点曲线参数。曲线选择完毕后, 点击“查询”按钮即可查询。
4 存在的问题及解决措施
变电站智能机器人巡检系统在导航方式、自动控制、数据采集和图像处理等方面还处于探索研究阶段, 尤其是在导航方式上, 由于500kV文都变的智能机器人采用的是磁轨道导航, 机器人在行驶过程中只要检测不到磁信号或检测信号装置出现故障, 就会偏离磁轨道或停滞不前, 从而影响整个巡检任务。在多次出现该问题后, 更换机器人磁点和磁传感器才解决了问题。此外, 在一些细节问题上机器人的表现不够人性化, 例如在执行巡检任务时, 若终止任务再去执行另一个任务, 机器人就会冲出磁轨道, 如需正常改变任务, 则需在执行新任务时选择机器人当前所在的位置点再执行任务。另外, 机器人的可见光采集点存在误差, 部分避雷器表计无法对准, 并且后台生成的单设备报告或多设备报告的依据无从确定, 环境温度、检测日期、诊断和缺陷分析、处理意见也应该生成在报表中, 这些问题目前还没有得到有效解决。由此可见, 机器人要真正扮演起变电站设备巡检工作的主角, 还有很多工作需要完善。
5 结束语
本文介绍了设备智能巡检机器人在500kV文都变的典型应用模式, 该机器人基于室外全自主移动平台和磁轨迹导航, 实现了最优路径规划和双向行走, 可以取代或辅助变电站运行人员进行日常的设备巡检、红外测温等工作, 还能人工配合顺序控制系统实现被控设备位置的自动校核。通过智能巡检机器人可以实现变电站设备巡检无纸化和信息化, 切实提高设备巡检的工作效率和质量, 降低变电站运行人员的劳动强度和工作风险, 为智能变电站或无人值守变电站的运行管理提供了一种创新型的设备检测和监控手段。
摘要：介绍一种基于移动机器人的设备巡检系统在500kV变电站的应用情况。根据机器人在文都变5个月的运行情况, 结合机器人的编程语言、系统架构、运行要求、功能与操作, 对500kV文都变机器人存在的问题与解决方案进行了总结。现场实际应用情况表明, 移动式变电站设备巡检机器人为智能变电站或无人值守变电站的运行管理提供了一种创新型设备检测和监控手段。
智能巡检机器人 篇7
目前国内的电力行业自动化程度不断提升, 很多检测监视均已采用自动化设备。高压输电线的巡检是电力工作中的重要部分, 很多野外环境恶劣, 作业危险, 针对该问题, 采用机器人来替代或协助人完成输电线巡检作业成为研究的一个方向。国内巡检机器人有两大类:一类是可跨越杆塔的, 功能强大, 但结构复杂, 体积大, 实用性不强;另一类为一挡内巡检机器人, 只能在两杆塔间的直线段巡线, 具备跨越防震锤障碍物功能, 虽巡线作业范围较小, 但其结构简单、稳定性好、成本低, 因此, 较二挡内巡检机器人更得到推广。
目前国内研制出的一挡内巡检机器人样机, 中科院沈阳自动化所研制的较为成熟, 采用双轮臂复合式机构, 较为稳定, 但结构上较为复杂。在此基础上, 笔者简化了越障方式, 采用行走夹持机构跨越障碍, 基于PLC控制, 并增加自动充电装置, 实用新型结构简单、易于实现、重量轻、安全、环保, 可大大提高工作效率, 适合特种机器人高空作业要求。
本文第一部分介绍超高压输电线路巡检机器人的结构;第二部分对机器人整个控制系统进行描述, 从控制角度对巡检机器人的行走及越障进行分析研究;第三部分详细地分析机器人工作环境, 给出相应的行走以及越障控制方法;第四部给出仿真实验并得出了仿真结果;第五部分得出结论并展望巡检机器人的发展前景。
1 结构设计
超高压输电线路巡检机器人主要由巡线机器人本体、地面监控站及能源在线补给装置3部分组成。
机器人箱体结构如图1所示, 机器人本体由两个相同的滑轮机构和一个巡检作业箱体组成。滑轮机构用来实现机器人在架空地线上的行走功能, 在滑轮结构上有两对抓爪, 在越障碍物时主要靠这两对抓爪实现。
机器人箱体主要用来携带高速球摄像头、PLC控制器、3G视频模块、电机驱动器等电子设备。高速球摄像机能够清晰地对高压输电线, 金具, 基塔, 绝缘体等进行成像, 通过微波图像传输系统, 传输到地面控制平台, 操作者可实时观看或保存备案。机器人箱体可360°旋转, 以便更好地跟踪目标。
地面监控站对机器人具有远程控制与监测功能, 机器人上的高速球形摄像机拍摄的输电设施的图片可以实时传输到地面的工作站, 以便存储与处理, 当出现意外时可通过地面工作站发送信息给工作人员。地面便携式控制器可用一台便携式笔记本代替, 只要安装好控制软件, 便可对机器人的速度、运动方向等进行手动控制, 并通过监控画面随时观察高压输电线上的情况, 地面监控人员无需高空作业便可随时掌握高压输电线上的情况, 大大降低劳动作业强度。
2 控制系统设计
2.1 总体系统结构设计
输电线巡检机器人通常运行在离地数十米高度的超高压输电线避雷线, 其操作人员很难通过人为判断的方式对机器人的运行状态进行准确评估并进行相关操作。结合实际作业任务、应用实用性及可靠性等指标的要求, 确定在遥控控制的基础上, 结合一定的机器人自主控制, 以实现巡检机器人具备一定障碍跨越能力的沿线行走。
巡检机器人以高压输电线的地线为作业路径, 其控制系统采用分级控制的方式进行实现, 包括地面控制站、机器人本体控制系统。
地面监控站利用3G视频模块基于RS232串口通讯、3G网络传输对野外线路上巡检的机器人本体进行监视和远程控制, 实现与机器人本体控制间的控制信息传输及检测图像的接收与存储。
机器人本体控制系统采用基于PLC工业控制系统, 一方面基于RS232串行通信与3G视频模块进行通信, 通过3G网络接收远程主机的控制指令, 并通过一定的协议将其转化为各个运动部件的运动序列, 并按照一定的次序发送给驱动器进行执行。另一方面也可通过传感器对PLC传递输入信号进行自主运动控制, 整体控制系统结构如图2所示。
2.2 硬件选择
PLC根据机器人控制的点数选择40个控制点的欧姆龙CP1H, 其脉冲接收输入为8点。再配于朗科的MLDS3810TE型直流伺服驱动器。轮电机采用石墨电刷直流电动机36SYK62.23.75.G.T.01型号电机, 爪电机采用石墨电刷直流电动机28SYK43.24.61.G.T.01型号电机。
2.3 软件设计
2.3.1 地面控制软件
地面便携式控制器控制系统采用C语言汇编实现与巡检本体机的远程遥控及通信。控制界面如图3所示。
当通讯状态指示灯以周期1s的频率绿黑交替闪烁时, 表示监控站与机器人间通信通道良好;当果监控软件3s内未收到来自机器人的数据时, 通讯指示灯会停止闪烁, 以此显示通信未连接;当通讯未连接时, 机器人会停止动作, 防止长时间通讯中断, 机器人仍执行上次动作指令, 保证机器人自身安全;当运动状态为红灯时, 表示光纤传感器检测到障碍物;当运动状态为绿灯时, 表示光纤传感器未检测到障碍物。
使用下拉框来选择串口, 共可选择COM1~COM9, 按下“串口打开”按钮可打开所选串口, 按下“串口关闭”按钮来可闭所选串口, 其中“串口打开”按钮和“串口关闭”按钮交替出现。
状态数据包括实际速度、电池电压和充电电压, 其中实际速度的单位为cm/s, 电池电压和充电电压的单位为V。
在设置速度栏中填写设置的速度值 (整型数据) , 其单位为cm/s, 利用前进、后退和停止按钮对其进行运动控制。
“主摄像头”“辅摄像头”按钮交替出现, 用来切换主辅摄像头的视频显示;“机器人休眠”和“机器人启动”、“前后轮断电”和“前后轮供电”、“前后爪断电”和“前后爪供电”、“前爪打开”和“前爪关闭”、“后爪打开”和“后爪关闭”、“牵引绳释放”和“牵引绳断开”、“自动控制”和“手动控制”, “开始充电”和“充电结束”、“急停”和“取消急停”等按钮均是交替出现。
2.3.2 机器人PLC控制
巡检机器人的PLC程序控制关键要解决与地面监控软件的通信问题。通信数据格式采用1位起始位、8位数据及1位停止位, 无效验位, 波特率为2400B/s。通信指令格式见表1。
该协议中所有数值都为十六进制数, 同步字节始终为FFH, 地址码为摄像机的逻辑地址号, 地址范围:00H–FFH, 指令码表示不同的动作, 例如, 前进后退指令见表2。
上表中, B2数据“0”为手动模式, 数据“1”为自动模式;B3数据“0”为前进模式, 数据“1”为后退模式;B4和B5 (Unsigned int) 为运动的设定速度, 单位为cm/s。
3 越障设计
根据高压输电线的实际考察, 一挡内高压输电线巡检机器人需要跨越的障碍物主要是防震锤, 如图4所示。由于是高空作业, 一是要注意稳定性好, 重心稳, 不能随意更换重心;二是要考虑跨越障碍物的方式的可操作性, 根据前期调查可总结出跨越方式相对旋转方式更好更稳定。
针对以上问题, 设计出一种简单跨越防震锤的越障控制方式, 主要由激光传感器探路, 整个越障设计主要是一轮的抓爪稳定平衡, 一轮跨越, 结构简单, 稳定性好。
自主越障控制可由以下步骤完成: (1) 前抓激光传感器感应到障碍物, 前抓打开, 后抓抓紧; (2) 机器人滚轮前进至前轮跨越障碍物, 前爪抓紧, 后爪打开; (3) 机器人继续前进至后轮也跨越障碍物, 越障完成。
同时, 为更好排除一些意外情况, 本文针对巡检机器人的工作特点, 实现机器人自主运动与操作者手动控制两种模式的结合, 以便在出现意外的情况更好的恢复与控制。
4 模拟环境试验
为验证整体系统的有效性, 按照实际运行情况, 在实验室中模拟搭建超高压输电线路。实验过程中, 首先将机器人安装到指定的位置, 如图4所示, 机器人复位, 程序完成初始化, 接收到指定的远程信号后, 机器人切换到行走状态。机器人可根据PLC程序设定在高压输电线上往返行走, 检测到线路上的障碍物后, 机器人切换到越障状态, 如图5所示。一方面机器人可根据预先设定的越障步骤及激光传感器传回的信息完成自主越障或根据操作员的指令进入手动控制状态, 使机器人手动越障及手动行走。结果表明, 应用上述的越障控制方法, 巡检机器人可以安全可靠地实现对防震锤的跨越。当机器人运行至端点且电量不足会自动寻找太阳能充电设备进行充电, 如图6所示。图7为机器人监控视频, 操作者在远程可方便监视高压线的情况。
5 结论
实验结果表明, 本文所设计的一挡内巡检机器人通过滑轮行走, 抓爪越障, 结构简单, 小巧灵活, 总体质量较同类机器人减少许多, 基于PLC的控制系统稳定性好, 易于操作和控制, 机器人在移动能力、越障能力上都显示出较好的性能, 对线路作业环境, 特别是恶劣环境表现出很好的的适应能力。整个机器人系统的性能达到了设计要求, 体现出较好的实用性和市场应用前景。
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高压巡检机器人机械的设计探究 篇8
1 巡检机器人机械结构的组成和功能
在高压输电线路上存在多种障碍物, 如防振锤、跳线、线夹等, 机器人要在高压线路上以高空悬挂的方式完成巡检任务, 就需要其机械本体具有行走和越障的机构, 以使巡检机器人能够在高压输电线路上实现行踪和在线越障, 保证其能够在输电线路上持续工作。
高压输电线路上的巡检机器人的行走机构, 是机器人的基本组成结构, 是巡检机器人性能实现的基础。线路巡检机器人与地面机器人在行走方式上市截然不同的, 不仅要在线路上行走, 同时还需要在线路上保持平衡稳定的状态。从仿生学的角度来看, 巡检机器人在输电线路上的行走与人类在钢丝上行走极为相似。人类在钢丝绳上行走一般利用双臂将身体在钢索上悬挂, 采用双手交替抓握钢索的方式在钢丝绳上行走。或者是采用平衡杆来保持身体的平衡性, 采用平地行走的方式行走。两种方式相较而言, 前者稳定性更高, 行走速度更快。根据放生机械设计的原理, 机器人在线行走功能设计原理可模仿人体悬挂在钢索上行走的模式, 采用滑轮在线滑动的方法来实现。
2 巡检机器人的机械结构设计
2.1 巡检机器人基本结构组成
如图1所示, 高压巡检机器人的机械结构主要分为机器人双臂和机器人箱体两个部分。箱体中装置由控制器、无限收发器、电机驱动器等电子设备。双臂是巡检机器人用来越障的主要机构, 电机位于手臂的前端用来驱动和控制机器人的行走, 在电机两侧装置有手爪, 能够为机器人行走和越障提供保护。巡检机器人的双臂是对称的, 每个手臂具有四个自由度串联机构, 上臂装置由转动副和上下伸缩移动副, 下臂有转动副和水平方向移动副。机器人手臂具有大范围回转的功能, 手臂可以机器人本体进行移动, 双臂的八个自由度为机器人的行走和越障能力的实现提供保障。
2.2 巡检机器人的硬件结构
巡检机器人的控制系统包括本体和地面基站。机器人具有各自独立的图像传输系统和数据指令传输系统, 在不同的信道内各种承担工作任务。机器人的状态通过无线通信的方式进行远程控制和监督。机器人本体与地面基站之间建立有专门的无线图像传输系统, 机器人在巡检任务的执行过程中将线路状况拍摄成图像信息通过无线通信系统传送到地面基站。
2.3 控制系统
高压输电线路路巡检机器人在执行线路巡检任务的过程中, 沿着输电线路架空行走, 因为输电线路离地面较高, 因此巡检机器人的控制不仅仅包括线路上行走, 同时还包括上线、跨越障碍、线路检测、下线等一系列的任务执行过程。控制系统必须对机器人进行全程的动态监测和控制, 保证机器人每一个动作的安全。为了实现对上述任务的有效控制, 本文设计的高压巡检机器人包括辅助控制系统、行走过程控制系统、越障过程控制系统、异常情况处理四个部分。
3 高压巡检机器人机械设计的发展前景
高压巡检机器人自应用以来, 受到全球电力行业的广泛关注, 成为电力领域研究的热点问题。随着新技术的不断开发和更新, 巡检机器人也必将朝着轻量化、简单化、高效化的发展方向, 应用前景十分广阔。
3.1 轻量化发展
机器人的性能取决于其本身的机械结构、材料、系统模块配置等因素。从我国现今高压巡检机器人的应用来看, 主要依靠蓄电池进行能源供应, 现今很多学者致力于利用感应原理对机器人在高压线路工作状态下的取电, 以实现工作中的自我供电取代传统的蓄电池供电, 这种方式的应用能够有效的减轻机器人的重量。同时材料科学的不断发展进步, 是机器人在材料方面更加先进, 是巡检机器人的轻量化设计成为可能。
3.2 简单化发展
随着控制技术的不断发展, 机器人的控制复杂性会不断降低, 不仅操作更为简单, 而且工作效率同时得到有效的提高。随着对机器人机构设计的不断优化, 结构更加简单, 机器人的越障能力更加灵活, 协调性更好。
3.3 高稳定性、高效性发展
衡量巡检机器人的性能是以机器人运行的稳定性和高效性为标准的, 巡检机器人大多应用在户外比较恶劣的环境条件下, 而且其是在悬挂的状态下执行巡检任务, 为了保证其工作质量, 必须首先保证其具有较高的稳定性和高效性, 这一直是研究人员关于巡检机器人研发的重点问题, 也是高压巡检机器人的发展趋势。
摘要：为了保证高压输电线路的稳定运行, 定期需要对高压输电线路进行巡检, 高压输电线路巡检机器人的应用, 有效提高了输电线路的巡检效率, 避免了人工巡检所具有的危险性, 降低了人力和物力方面的投入。巡检机器人的实用性能与其机械本体结构有直接的关系, 合理化的机械结构设计是影响机器人应用和发展的主要技术之一。该文对高压输电线路巡检机器人的设计进行研究和探讨。
关键词：高压,输电线路,巡检,机器人
参考文献
[1]孙翠莲, 王洪光, 赵明扬.超高压线巡检机器人移动越障机构综述[J].机械设计与制造, 2013 (10) .