基于變電站智能巡檢機器人智能移動的研究及應用

毛健王忠揚袁發(fā)強李肅呂政揚許毅

（1.遵義供電局，貴州遵義 553000；2.廈門加能電力科技有限公司，福建廈門 361012）

基于變電站智能巡檢機器人智能移動的研究及應用

毛健1王忠揚1袁發(fā)強1李肅1呂政揚2許毅2

（1.遵義供電局，貴州遵義 553000；2.廈門加能電力科技有限公司，福建廈門 361012）

目前，對于一些少人或無人值守的高壓變電站來說，變電站智能巡檢機器人的廣泛應用正在得到逐步的實現(xiàn)。而機器人智能移動模式的水平高低則是其可靠、高效運行的關(guān)鍵所在。因此，本文對其智能移動進行了深入的研究。機器人的智能移動行走是需要導航的，通過導航的方式對其進行引導和定位，而這種導航的更替發(fā)展，也確立了目前智能視覺識別導航技術(shù)的不斷開發(fā)升級，以及對其在導航行走過程中相應產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性智能緊障功能的相應研究，來闡述智能移動發(fā)展和改進對于機器人運行工作的重要性。通過提高智能移動的技術(shù)水平，將會使得變電站巡檢機器人的工作效率大大提高，增加其工作過程中的安全可靠性，使其能夠更高效安全的服務于變電站巡檢的工作之中。

變電站智能巡檢機器人 智能移動模式 智能視覺識別導航技術(shù) 智能避障

隨著科技進步和電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，變電站的日常巡檢維護越來越趨向于智能化。這也催生了具有先進技術(shù)的智能巡檢機器人服務于變電站之中。變電站智能巡檢機器人來執(zhí)行日常巡視檢查任務已經(jīng)成為變電站巡檢的一個趨勢。機器人智能移動技術(shù)的不斷提高和應用范圍的不斷擴大，將在工業(yè)、國防、服務等行業(yè)中得到廣泛的應用，所以，機器人的智能移動應用在變電站上是一個可行可操作的。

1 研究背景及意義

通過智能導航模塊，機器人可以根據(jù)程序進行前進、后退、轉(zhuǎn)彎、加速、減速等一系列的動作指令。綜合以上多種智能行走模式，在使用上最為安全且精確度較高的即為智能視覺識別導航技術(shù)。

機器人自身的外部防護外，其在行走中的避障功能則是其中的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的避障方法是利用壓力傳感器來感應到障礙物，控制中心作出相應的反應來進行避障的。但由于此方法存在局限性，因此出現(xiàn)了全新的激光避障方法，輔以傳統(tǒng)避障方法使得機器人能夠安全可靠地運行工作（如圖1所示）。

2 智能移動系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

完成智能移動的目標通常需要建立空間坐標系和環(huán)境模型，通過無線定位和視覺分析等方式實現(xiàn)機器人在空間中的定位和對環(huán)境的辨識，然后通過路徑規(guī)劃和導航策略完成從當前位置到目標的自主移動。如圖二是智能移動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖：

利用CCD傳感器采集到的路面信息來識別彩色的引導線，在環(huán)境信息完全未知的情況下，機器人在行走的過程中利用視覺傳感器不斷地對引導線進行檢測，并調(diào)整行進路線與引導線的偏差。最終在引導線的指引下到達指定的目的地。

2.2 系統(tǒng)運動控制

運動控制系統(tǒng)包括機器人的行駛機構(gòu)、驅(qū)動電機、運動控制器等設備，實現(xiàn)機器人的運動控制。機器人移動本體的后兩輪為驅(qū)動輪，由兩臺電機分別驅(qū)動， 差速轉(zhuǎn)向；前輪為萬向輪， 隨動。該方案結(jié)構(gòu)簡單，易加工，直線運動性與轉(zhuǎn)彎性能好，能夠以兩后輪中心點做原地轉(zhuǎn)彎，且無側(cè)滑，適應性強，且便于控制系統(tǒng)的設計。

根據(jù)上位機指令實現(xiàn)機器人的前進和后退等不同動作，并對機器人的位置和速度進行實時控制。在機器人系統(tǒng)中，平滑、穩(wěn)定的運動能夠降低對機械部件的磨損，使運動連貫。

2.3 智能視覺識別導航技術(shù)系統(tǒng)

2.3.1 智能視覺導航引導線的介紹

智能視覺識別導航技術(shù)最終目的是讓巡檢機器人按照人規(guī)劃的一條可根據(jù)需求，隨時變更線路來行走。這條線路即為引導線。而引導線的鋪設則有很多的選擇。目前項目研究發(fā)現(xiàn)可用熱熔漆鋪設的，可用瓷磚鋪設的，也可用膠帶進行鋪設的。而每一種鋪設方法都有不同的特點，下面對各種鋪設的方式進行比較，對比可如表1所示。

目前應用到的這幾種鋪設方法最后的效果都還是不錯的。但塵土對于白色的引導線的影響較大。因此無論運用哪種方法對于引導線進行鋪設，都要定期的對線路進行清掃和維護，才能使之發(fā)揮出引導機器人可靠進行智能視覺識別導航技術(shù)。

2.3.2 智能視覺識別導航技術(shù)的基本原理（圖3）

功能原理框圖列出了圖像數(shù)據(jù)的流向，其中要經(jīng)過四種算法的處理：圖像數(shù)據(jù)先后通過圖像預處理，緊接著是最優(yōu)值分割二值處理，然后是二值圖像形態(tài)學“開”運算處理，最后是路徑定位及方向角測量。

功能原理框圖的核心部分是中值濾波，中值濾波是一種非線性的空間濾波，它的相應基于圖像濾波器包圍的圖像區(qū)域中像素的排序，然后用統(tǒng)計排序的中值代替中心像素的值。如圖4是中值濾波前后的圖形對比圖：

2.3.3 智能視覺識別導航技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

設計的標識體系以黑白色圖標為主，圖像識別算法基于灰度取值，綜合邊緣檢測、模板比對等多種成熟應用的算法理論，并經(jīng)最小二乘擬合數(shù)據(jù)，精確識別出當前巡線軌跡相對于車體位姿的方向及偏移，以及通過識別各種節(jié)點標識輸出當前巡線機器人的定位信息和環(huán)境標志符號，結(jié)合機器人自定位模塊作為運動規(guī)劃及控制的參考輸入。

圖像識別的過程：

（1）預處理：對得到的圖片進行預處理，將復雜的圖像變成色彩塊。

（2）色彩提?。河辛松蕢K，就可以對目標的顏色進行提取，進而消除大部分背景；

（3）降噪：對于提取的前景需要去除一些噪聲點、塊，以方便之后的識別；

（4）建模：對前景進行建模；

圖1 變電站智能巡檢機器人整體視圖

圖2 智能移動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 智能視覺識別導航技術(shù)的原理結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 左側(cè)為濾波前圖形，右側(cè)為濾波后圖形

圖5 壓力感應避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 激光避險系統(tǒng)的通訊流程圖

圖7 激光避障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

（5）匹配：用目標和提取的模型進行匹配。

2.3.4 智能視覺識別導航技術(shù)的優(yōu)點

智能視覺識別導航技術(shù)系統(tǒng)是以地面上涂設的條帶狀路標作為路徑標識符，運用計算機視覺快速識別路徑，其最優(yōu)導向控制器能夠保證對路徑進行準確跟蹤。與其他導航方式相比，具有突出的優(yōu)點，如表2所示：

2.3.5 智能視覺識別導航技術(shù)與其他導航的比較

智能巡檢機器人的導航方式雖然有很多種，例如磁導航的應用，即在機器人的行走路徑地下釘入一些磁體，機器人會通過磁性的吸引而沿著路線行走。而智能視覺識別導航技術(shù)則由于其成本低，不會受到外界的干擾，易于實施等多種功能成為目前最好的選擇，對比可如表3所示：

表1 各種引導線鋪設方式的比較

表2 智能視覺識別導航技術(shù)的優(yōu)點

表3 各種導航的優(yōu)缺點對比

3 緊急避險系統(tǒng)

變電站巡檢機器人在利用智能視覺識別導航技術(shù)正常行走的過程中難免會遇到障礙物，或者遇到一些特殊的情況。當遇到障礙物的時候，智能機器人如果繼續(xù)向前走會撞到障礙物，進而對機器人造成一定的損傷。因此，智能巡檢機器人如何規(guī)避障礙物是必須要解決的問題。

3.1 壓力感應避險系統(tǒng)

當遇到前方有障礙物的時候，障礙物會對前方的防撞條施加一個壓力，壓力通過防撞條經(jīng)過固定條和彈簧緩沖裝置到達壓力傳感器上，壓力傳感器將這個力的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到處理器，處理器根據(jù)力的大小和設定的臨界值進行比對，向驅(qū)動裝置發(fā)出相應的信號，驅(qū)動裝置則根據(jù)信號的指示做出相應的動作。繼續(xù)前進，或者緊急停止等等。如圖5所示為壓力感應避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

然而由于壓力傳感器的位置相對比較固定，而有的障礙物與智能機器人發(fā)生碰撞的位置卻在其他部分，存在置空式障礙物，有可能造成云臺的損壞或是攝像頭的故障等，使用研究發(fā)現(xiàn)采用激光避險系統(tǒng)可以很好的防范這種情況的發(fā)生。

3.2 激光避險系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)概述

此系統(tǒng)采用了避障用激光點陣器，它包含有激光器、電源電路、準直器、達曼光柵、反射鏡、棱鏡組組成，準直器、反射鏡和棱鏡等等，光學探頭部就是由這些部件組構(gòu)而成。如圖6為激光避險系統(tǒng)的通訊流程圖：

3.2.2 激光避險模塊

該傳感器模塊對環(huán)境光線適應能力強，其具有一對紅線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號，可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～80cm（如圖7）。

通過在機器人身體的前端安裝一個激光發(fā)射器，向行駛路線的前方發(fā)射激光，利用激光束掃描物體，將反射光束反射回來，得到的排布順序不同而成像。用圖像落差來反映所成的像，利用傳感器將圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送到處理器中，處理器將得到的信息與環(huán)境模型庫中的信息對比得出是否為障礙物，進而向動作響應模塊發(fā)出命令，動作響應模塊根據(jù)得到的命令指示完成相應的前進或者急停等動作。

4 結(jié)語

變電站智能巡檢機器人在其多個功能系統(tǒng)的配合下能夠很好的完成代替人工巡檢的目標，其中的智能移動系統(tǒng)則又是其中的一個關(guān)鍵因素。既保障了變電站設備的正常安全運行，又為人工省去了很多麻煩。此外，其本身還是有一些缺點的。在這個技術(shù)逐漸得到應用的同時，也應該繼續(xù)研究新的更加高效的技術(shù)。總之，對于變電站智能巡檢機器人智能移動的研究將會促進其發(fā)展，使之更好的服務于變電站巡檢工作之中。

［1］劉海濤，關(guān)勝曉，秦亮，王若.智能機器人智能視覺識別導航技術(shù)系統(tǒng)的研究［J］.計算機應用與軟件，2010年12期.

［2］林琳.機器人雙目視覺定位技術(shù)研究［D］.河南大學碩士學位論文，2007.

［3］隋婧，金偉其.雙目立體視覺技術(shù)的實現(xiàn)及其進展［J］.電子技術(shù)應用，2004.

［4］段建東，張保會，周藝.超高速暫態(tài)方向繼電器的研究［J］.中國電機工程學院.

［5］張亞軍.有限狀態(tài)設備的移動監(jiān)視與識別方法的研究［D］.浙江理工大學，2010年.

Currently， for some small or high-voltage substations unattended， the extensive application of intelligent substation inspection robot is being progressively realized.The level of intelligent mobile robot model is its level of reliable and efficient operation of the key. Therefore， this paper its smart mobile conducted in-depth research. Intelligent mobile robot walking is needed to navigate through the way its guidance navigation and positioning， and the replacement of the development of this navigation， but also established the current upgrade continuously develop intelligent visual recognition navigation technology， and their walking in the navigation process corresponding studies consequential correlation function smart tight barrier to illustrate the importance of developing and improving intelligent mobile robot running for work. Smart move by raising the level of technology， will make the substation inspection robot working efficiency greatly improved， increasing its safety and reliability during operation so that it can be more efficient and secure service to work among the substation inspection

Intelligent substation inspection robot Smart Move mode Intelligent visual recognition navigation technology Intelligent obstacle avoidance

毛健 （1971—），男，本科，研究方向為電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)度運行；王忠揚（1980—），男，大專，研究方向為電力系統(tǒng)變電運行、檢修、管理等；袁發(fā)強（1977—），男，本科，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護及自動化；李肅（1975—），男，本科，研究方向為電力系統(tǒng)高電壓絕緣及試驗技術(shù)；呂政揚（1967—），男，本科，研究方向為電力系統(tǒng)輸電設備應用研究等；許毅：（1987—），男，本科，研究方向為智能機械自動化設計及應用等。