CN105835063B - 一种变电站室内巡检机器人系统及其巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站室内巡检机器人系统及其巡检方法，包括远程监控中心和与其通信的若干个机器人终端，所述机器人终端包括控制机器人在三维空间运动的控制模块，所述控制模块驱动运动模块，带动机器人沿着轨道做X、Y和Z轴方向运动，行走到目标检测位置，检测模块对该位置进行环境监测，并将监测数据传输给远程监控中心，在机器人行驶、监测的过程中，安全防护模块保持检测障碍物和防止机器人出轨，所述远程监控中心对每个机器人终端进行调度。本发明有效降低工作劳动强度，降低变电站运维成本，提高正常巡检作业和管理的智能化和自动化水平，为智能变电站和无人值守变电站提供检测手段和全方位的安全保障。

Description

一种变电站室内巡检机器人系统及其巡检方法

技术领域

本发明涉及一种变电站室内巡检机器人系统及其巡检方法。

背景技术

长期以来，变电站室内设备巡检工作多采用人工方式进行，传统的人工巡检方式不仅存在劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一等不足之处，而且事后也无法将人工所检测的数据准确、及时地传送到管理信息系统。随着无人值守模式变电站的推广，伴随而来的是变电站巡检工作量越来越大，巡检到位率、及时性更加无法得到保证。特别是在高原、戈壁等特殊地理条件或如大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨等极端天气发生后，造成人工无法及时巡检，并且受条件限制巡检存在较大安全风险，此时变电站一旦发生意外事故，决策者因无法及时获取直观的现场信息，往往会贻误最佳处理事故的时机，造成不必要的经济损失甚至人员伤亡等重大的事故。

近年来，随着科技的发展，变电站智能机器人的出现，实现自动完成变电站日常设备巡视、红外测温、操作前后设备状态检查等工作，从而大大提高对变电站设备巡视的工作效率和质量，降低人员劳动强度和工作风险，提升变电站智能化水平，为变电站无人值守提供强大的技术支撑。变电站智能机器人已经成为变电站设备巡检的重要辅助手段。

目前变电站智能巡检机器人主要针对变电站的室外设备，变电站的室内电力设备一方面需要有足够的可靠性，另一方面也需要及时检测以便发现并检修存在潜在隐患的设备，确保电力系统正常运行。室内设备的实时检测对保证其可靠安全运行有重要意义。采用组合轨道的机器人系统可方便灵活地对室内设备进行实时检测，了解设备的运行状态，将设备运行状态及时反馈。

现有变电站室内巡检机器人系统存在的技术问题如下：

1、检测范围有限。主要采用直线轨道方式和曲线轨道方式。这些轨道只能沿着轨道的固定路线进行检测。检测范围有限。设备布局的限制，要实现全方位的检测功能，需要布设多条轨道，成本较高而且不太美观。

2、室内轨道机器人没有全局路径规划功能。对特定设备进行巡视时，巡检机器人没有对路径进行优化，需要走一些不必要的路径，既浪费了电能，又加长了巡检机器人到位检测的时间，检测效率不高。

3、缺乏安全防护系统。室内巡检机器人在调试运行和正常巡检过程中，由于缺乏有效的防护手段，致使巡检机器人在出现意外情况时，可能与设备发生碰撞，这对电力设备的运行可能产生影响。

4、模式识别功能薄弱。当前的变电室内设备的工作状态，多靠人工巡视或在线监测，人工巡视劳动强度大、工作效率低；巡视/核查不到位，与现有管理信息系统对接周期长；所提到的巡检机器人在线监测采样信号较少、数据不足；对运动过程缺乏记录；分析精度不高，诊断结论缺乏说服力等缺点。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种变电站室内巡检机器人系统及其巡检方法，本发明以组合轨道式巡检机器人为核心，整合现有机器人技术、电力设备非接触检测技术、多传感器融合技术、模式识别、以及物联网技术等。它具有能够实现变电站室内设备智能巡检和监控，实现对巡检监控数据智能存储，同时利用模式识别，有效降低工作劳动强度，降低变电站运维成本，提高正常巡检作业和管理的智能化和自动化水平，为智能变电站和无人值守变电站提供创新型的技术检测手段和全方位的安全保障，更快地推进变电站无人值守的进程的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变电站室内巡检机器人系统，包括远程监控中心和与其通信的若干个机器人终端，所述机器人终端包括控制机器人在三维空间运动的控制模块，所述控制模块驱动运动模块，带动机器人沿着轨道做X、Y和Z轴方向运动，行走到目标检测位置，检测模块对该位置进行环境监测，并将监测数据传输给远程监控中心，在机器人行驶、监测的过程中，安全防护模块保持检测障碍物和防止机器人出轨，所述远程监控中心对每个机器人终端进行调度。

所述运动模块，包括设置在机器人上的X轴、Y轴、Z轴三个运动机构和驱动各个运动机构的电机，驱动相应方向上的电机，使机器人沿着相应的方向进行运动，以沿着轨道到达三维空间的任意位置。

优选的，所述X轴与Y轴运动机构采用同步带驱动结构，主要由同步带和皮带轮组成。Z轴运动机构为剪叉式伸缩结构，主要由剪叉式支架和吊带组成。

所述控制模块，包括至少一台运动控制器和三台伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器通过控制线缆连接，三台伺服驱动器分别与运动模块的不同的电机连接，运动控制器向伺服驱动器发送控制指令，伺服驱动器根据指令来驱动电机执行相应的动作。

所述机器人终端上还设有与远程监控中心通信的通讯模块。通讯模块为无线模块时，通过网络交换机与设置于远程监控中心的基站无线模块通信。

所述检测模块，包括温湿度检测模块、可见光摄像机和红外热像仪，温湿度检测模块检测当前环境温度，可见光摄像机实时记录现场的环境，红外热像仪采集变电站内设备的温度。

所述安全防护模块，包含安装在机器人的不同方向上的超声检测模块，检测各个方向上可能存在的障碍物，并将将超声信号转换成障碍物的距离信息发送给运动控制器。

所述安全防护模块，包括设置在轨道上终端的限位开关模块，且限位开关模块与运动控制器相连，当机器人运动到轨道的两侧边缘时限制机器人的运动，防止机器人出轨。

优选的，所述运动控制器还连接有光电检测模块，检测轨道上的障碍信息。

基于上述的巡检机器人巡检方法，具体包括以下步骤：

(1)对室内环境建模，形成平面地图，根据地图上的障碍物规划机器人的巡检路径；

(2)远程控制中心根据巡检要求下发任务信息，并将任务发送到轨道机器人控制模块，控制轨道机器人的X轴和Y轴运动，使机器人运动到平面地图上目标检测点；

(3)当机器人到达目标检测点时，停止移动X轴和Y轴，控制Z轴运动机构升降使机器人到达要检测设备的高度，对准变电站设备进行检测，并将检测模块检测到的视频和图像数据通过通信模块发送至远程控制中心；

(4)远程监控中心根据采集的视频和图像数据，基于模板匹配，对设备的状态进行识别，同时判断被检测设备温度是否超过预警值，如果是则发出超温报警；

(5)继续下一个检测点的监测，直至完成巡检任务，机器人返回初始点，等待下个巡检任务。

所述步骤(2)中，任务可以为定时巡检任务，每到设定时间轨道机器人自动按照预设路线进行巡检。

所述步骤(5)中，远程监控中心接收到巡检结束消息，分析处理本次巡检数据，形成巡检报表。

所述步骤(1)中，对室内环境建模，以机器人的X轴，Y轴的电机脉冲绝对位置作为机器人在平面的坐标值，通过手动控制机器人运动，确定机器人在二维平面安全位置的运动范围，并利用激光测距仪等辅助手段测量障碍物的位置，绘制出整个平面的地图，地图包含了整个平面内机器人的运动范围以及障碍物位置信息。

所述步骤(4)中，模版匹配的方法采用基于特征点的图像匹配算法，用当前设备的图像特征点与模版图像特征点作匹配，识别出当前设备的工作状态。远程数据中心记录识别的结果，与数据库中的正常状态进行比较，如出现异常信息上报给工作人员进行处理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的组合轨道式巡检机器人采用基于平面地图的路径规划算法对巡检路径进行优化，行驶路线短，机器人到位检测时间快，能够及时发现设备出现问题；

(2)本发明的机器人具有模式识别功能，包括基于可见光检测技术、模板匹配技术实现变电站室内设备状态识别，这些模块和算法运算速度快，图像识别率高，提高了自动巡检和识别的效率，可满足现场的实时巡视要求；

(3)本发明的机器人终端可以全天任何时间段对设备进行检测，提高了设备缺陷检测的及时性；通过在室内轨道机器人变配电设备检测单元中结合红外、可见光检测的优势，可提高设备缺陷检测的效率，准确可靠的对设备缺陷进行定位；

(4)本发明通过超声检测模块、光电检测模块等装置，检测机器人各个方向的障碍物，防止机器人自动运行时发生意外碰撞；限位开关模块限制机器人的运行范围，使机器人在安全范围内运行，全方位的安全防护可以使智能巡检机器人自动安全运行，防止巡检机器人意外碰撞或跌落；

(5)本发明通过自主导航定位实现巡检任务的全自主运行，无需人工干预；智能化程度高，巡检数据一致性好，采用智能巡检机器人实现变电站室内设备全方位、多角度、定时间自动化巡检，数据不受巡检人员素质能力等主观因素的影响。

附图说明

图1是组合式室内轨道机器人系统总体结构图；

图2是机器人终端系统组成结构图；

图3是运动模块结构图；

图4是运动机构示意图；

图5是控制模块结构图；

图6是通信模块结构图；

图7是供电模块结构图；

图8是检测模块结构图；

图9是安全防护模块结构图；

图10是组合式室内轨道机器人系统巡检方法流程图。

图中1.远程监控中心，2.机器人终端系统，3.运动模块，4.控制模块，5.通信模块，6.供电模块，7.检测模块，8.安全防护模块，9.X轴电机，10.Y轴电机，11.Z轴电机，12.X轴运动结构，13.Y轴运动结构，14.Z轴运动结构，15.运动控制器，16.伺服驱动器，17.基站无线模块，18.终端无线模块，19.网络交换机，20.220V交流电源，21.24V开关电源，22.温湿度传感器，23.可见光摄像机，24.红外热像仪，25.超声检测模块，26.光电检测模块，27.限位开关模块。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种变电站室内巡检机器人系统，包含远程控制中心1和轨道机器人终端系统2。

远程控制控制中心1与至少一个轨道机器人终端系统2通过网络连接；

如图2所示，轨道机器人终端系统2，它包含机器人运动模块3，控制模块4，通信模块5，供电模块6，检测模块7和安全防护模块8。

如图3和图4所示，运动模块3，它包含X轴电机9，Y轴电机10，Z轴电机11和X轴运动机构12、Y轴运动机构13、Z轴运动机构，三台电机分别安装在三个运动机构上，X轴运动机构12上的电机9驱动Y轴运动机构13沿水平面X轴方向运动，Y轴运动机构13上的电机10驱动Z轴运动机构14沿水平面Y轴方向运动，Z轴运动机构14上的电机11驱动机器人沿Z轴方向升降运动。通过驱动三台电机，使机器人能够在整个三维空间内任意位置运动。

如图5所示，控制模块4，它包含至少一台运动控制器15和三台伺服驱动器16，运动控制器15与伺服驱动器16通过控制线缆连接，三台伺服驱动器16分别与三台交流伺服电机9、10、11连接。运动控制器15向伺服驱动器16发送控制指令，伺服驱动器16根据指令来驱动电机执行相应的动作。

所如图6所示，机器人通讯模块5，它包含基站无线模块17，终端无线模块18，网络交换机19。

基站无线模块17和终端无线模块18为基于802.11N的无线网桥。

如图7所示，供电模块6包含220V交流电源20和24V开关电源模块21，交流电源20给伺服运动器16供电，24V开关电源给运动控制器15，通信模块5，检测模块7和安全防护模块8供电。

如图8所示，机器人检测模块7，它包含温湿度检测模块22，可见光摄像机23，红外热像仪24。温湿度检测模块22检测当前环境温度，可见光摄像机23可以实时记录现场的环境，红外热像仪24用来采集设备的温度。它们将采集到的信息通过通信模块5传送到远程控制中心1。

如图9所示，机器人安全防护模块8，它包含超声检测模块25，光电检测模块26，限位开关模块27，超声检测模块25，它安装在机器人本体的前后左右下五个方向，用来检测各方向上可能存在的障碍物。超声检测模块25与运动控制器15连接，将超声信号转换成障碍物的距离信息发送给运动控制器15。

光电检测模块226，它与运动控制器15相连，作为超声检测模块25的辅助模块，将检测到的障碍信息传送给运动控制器。

限位开关模块27与运动控制器15相连，当机器人运动到轨道的两侧边缘时限制机器人的运动，防止机器人出轨。

如图10所示，巡检方法包括以下步骤：

步骤1、上电初始化；组合轨道的变电站室内智能巡检机器人接通交流电源20后，X轴运动机构12、Y轴运动机构13、Z轴运动机构14分别运动到每个轴的零点位置，然后以该位置作为系统的坐标原点。没有收到巡检任务指令时，智能巡检机器人保持初始状态，等待巡检任务下发；

步骤2、路径规划；路径规划时，首先对这个室内环境建模，形成室内环境的平面地图，然后根据地图上的障碍物，规划机器人巡检的路径，保证机器人以最快最安全的方式到达巡检位置。

步骤3、任务下发及执行；远程控制中心根据巡检要求下发任务信息，并将定时任务通过通信模块5发送到轨道机器人控制模块4；首先控制轨道机器人的X轴运动机构13和Y轴运动机构14运动，使机器人运动到平面地图上目标检测点。

步骤4、停靠点检测；当机器人到达目标检测点时，停止X轴运动机构13和Y轴运动机构14的运动，控制Z轴运动机构15升降使机器人到达要检测设备的高度。对准变电站设备进行检测，并将检测模块7检测到的视频和图像数据通过通信模块5发送至远程控制中心1进行数据处理、分析、存储；

步骤5、模式识别；基于机器人可见光摄像机23检测采集的视频和图像数据，利用模板匹配的技术，对设备的状态进行识别；基于机器人红外热像仪24检测采集的视频和图像数据，对检测设备的温度进行识别，远程控制中心对检测数据进行分析判断，必要时发出超温警报；

步骤6、顺序执行任务，直至巡检任务完成，轨道机器人返回初始原点，等待下个定时巡检任务；

步骤7、巡检报表生成；全部任务完成，远程控制中心1接收到巡检结束消息，分析处理本次巡检数据，形成巡检报表，本次巡检结束；巡检人员可以在基站的巡检时间实时监控巡检全程；也可以在巡检完成后浏览巡检报表；也可以定期通过历史数据检索，查看巡检历史数据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种变电站室内巡检机器人系统，其特征是：包括远程监控中心和与其通信的若干个机器人终端，所述机器人终端包括控制机器人在三维空间运动的控制模块，所述控制模块驱动运动模块，带动机器人沿着轨道做X、Y和Z轴方向运动，行走到目标检测位置，检测模块对该位置进行环境监测，并将监测数据传输给远程监控中心，在机器人行驶、监测的过程中，安全防护模块保持检测障碍物和防止机器人出轨，所述远程监控中心对每个机器人终端进行调度；

所述运动模块，包括设置在机器人上的X轴、Y轴、Z轴三个运动机构和驱动各个运动机构的电机，所述X轴与Y轴运动机构采用同步带驱动结构，Z轴运动机构为剪叉式伸缩结构，驱动相应方向上的电机，使机器人沿着相应的方向进行运动，以沿着轨道到达三维空间的任意位置，当机器人到达目标检测点时，停止移动X轴和Y轴，控制Z轴运动机构升降使机器人到达要检测设备的高度，对准变电站设备进行检测，并将检测模块检测到的视频和图像数据通过通信模块发送至远程监控中心；

所述安全防护模块，包括设置在轨道上终端的限位开关模块，且限位开关模块与运动控制器相连，当机器人运动到轨道的两侧边缘时限制机器人的运动，防止机器人出轨；

所述控制模块，包括至少一台运动控制器和三台伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器通过控制线缆连接，三台伺服驱动器分别与运动模块的不同的电机连接，运动控制器向伺服驱动器发送控制指令，伺服驱动器根据指令来驱动电机执行相应的动作；

所述安全防护模块，包含安装在机器人的不同方向上的超声检测模块，检测各个方向上可能存在的障碍物，并将超声信号转换成障碍物的距离信息发送给运动控制器；

所述运动控制器还连接有光电检测模块，检测轨道上的障碍信息。

2.如权利要求1所述的一种变电站室内巡检机器人系统，其特征是：所述机器人终端上还设有与远程监控中心通信的通讯模块，通讯模块为无线模块时，通过网络交换机与设置于远程监控中心的基站无线模块通信。

3.如权利要求1所述的一种变电站室内巡检机器人系统，其特征是：所述检测模块，包括温湿度检测模块、可见光摄像机和红外热像仪，温湿度检测模块检测当前环境温度，可见光摄像机实时记录现场的环境，红外热像仪采集变电站内设备的温度。

4.基于如权利要求1-3中任一项所述的变电站室内巡检机器人系统的巡检方法，其特征是：具体包括以下步骤：

(1)对室内环境建模，形成平面地图，根据地图上的障碍物规划机器人的巡检路径；

(2)远程监控中心根据巡检要求下发任务信息，并将任务发送到轨道机器人控制模块，控制轨道机器人的X轴和Y轴运动，使机器人运动到平面地图上目标检测点；

(3)当机器人到达目标检测点时，停止移动X轴和Y轴，控制Z轴运动机构升降使机器人到达要检测设备的高度，对准变电站设备进行检测，并将检测模块检测到的视频和图像数据通过通信模块发送至远程监控中心；

(4)远程监控中心根据采集的视频和图像数据，基于模板匹配，对设备的状态进行识别，同时判断被检测设备温度是否超过预警值，如果是则发出超温报警；

(5)继续下一个检测点的监测，直至完成巡检任务，机器人返回初始点，等待下个巡检任务。

5.如权利要求4所述的巡检方法，其特征是：所述步骤(2)中，任务为定时巡检任务，每到设定时间轨道机器人自动按照预设路线进行巡检。