CN110649706A - 电力设备智能巡检机器人 - Google Patents

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蔡华
李伟杰
李志波
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吴鹏丽
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Abstract

本发明提供电力设备智能巡检机器人，包括轨道总成、轨道机器人和上位机控制系统，所述轨道机器人滑动设置在所述轨道总成上，所述上位机控制系统包括本地控制单元、通信单元和人机交互单元，所述本地控制单元用于向所述轨道机器人下达各项操作指令，所述通信单元用于实现所述本地控制单元和所述人机交互单元之间的数据互通，所述人机交互单元用于实现所述轨道机器人的远端控制。本发明能够能够实现轨道机器人状态、装置信号等运行状况信息的实时采集与智能分析，还能监测温度、湿度等环境质量因素，满足电力设备的巡检作业。

Description

电力设备智能巡检机器人
技术领域
本发明涉及电力巡检技术领域，具体涉及电力设备智能巡检机器人。
背景技术
巡检机器人是以移动机器人作为载体，以可见光摄像机、红外热成像仪、其它检测仪器作为载荷系统，以机器视觉-电磁场-GPS-GIS的多场信息融合作为机器人自主移动与自主巡检的导航系统，以嵌入式计算机作为控制系统的软硬件开发平台；具有障碍物检测识别与定位、自主作业规划、自主越障、对输电线路及其线路走廊自主巡检、巡检图像和数据的机器人本体自动存储与远程无线传输、地面远程无线监控与遥控、电能在线实时补给、后台巡检作业管理与分析诊断等功能。
在智能电网、智慧地下管廊、物联网高速发展的今天，传统的设备巡检模式已无法满足现代电网、地下管廊、化工厂等建设需求。目前传统的巡检方法主要是依靠人力手工纸质记录及少量环境监视器实现。由于变电站、地下管廊都具有巡检路程长、隧道封闭性强、通讯不便、有害气体存在、环境恶劣等问题，对巡检人员的人身安全会存在一定的威胁，另外每日固定时段的人工巡检模式也存在操作繁琐、人力资源浪费的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供电力设备智能巡检机器人。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：电力设备智能巡检机器人，包括轨道总成、轨道机器人和上位机控制系统，所述轨道机器人滑动设置在所述轨道总成上，所述上位机控制系统包括本地控制单元、通信单元和人机交互单元，所述本地控制单元用于向所述轨道机器人下达各项操作指令，所述通信单元用于实现所述本地控制单元和所述人机交互单元之间的数据互通，所述人机交互单元用于实现所述轨道机器人的远端控制。
本发明中，优选地，所述轨道总成包括轨道、滑触线和集电器，所述轨道设置为工字型轨道，所述轨道的两侧均开设有一字槽，所述滑触线固定安装在所述一字槽上的中部，所述集电器和所述滑触线滑动接触。
本发明中，优选地，所述轨道机器人包括水平运动机构、运载底板、升降云台和摄像头，所述水平运动机构滑动设置在所述轨道上，所述运载底板与所述水平运动机构固定连接，所述升降云台固定安装在所述运载底板的底部，所述摄像头固定安装在所述升降云台的底部。
本发明中，优选地，所述水平运动机构包括四组滑轮安装架和四组滑轮组，所述滑轮安装架的底部固定安装在所述运载底板的顶部，每组所述滑轮组均设置有两个滑轮，所述滑轮通过滑轮轴滚动安装在所述滑轮安装架上，且所述滑轮滑动设置在所述轨道上。
本发明中，优选地，所述本地控制单元包括主控制器模块、电机驱动模块、电源控制模块、温控模块和避障模块，所述主控制器模块与所述电机驱动模块、所述电源控制模块、所述温控模块、所述避障模块均为电性连接，分别用于实现所述轨道机器人的电机驱动、电源供电、温控和避障功能。
本发明中，优选地，所述本地控制单元还包括检测模块，所述检测模块用于对配电设备进行图像采集以及热成像检测，所述检测模块设置为摄像头、升降云台和红外成像仪，所述摄像头和红外成像仪均与所述通信单元的以太网交换机相连，所述升降云台通过RS485总线与所述通信单元的串口服务器相连，所述串口服务器通过LAN总线与实现与所述以太网交换机的通讯，所述主控制器模块的以太网接口通过LAN总线与所述以太网交换机实现数据通讯，所述主控制器模块包括串口接口卡、模拟I/O接口卡和数字I/O接口卡，所述串口接口卡、所述模拟I/O接口卡、所述数字I/O接口卡与所述以太网接口均通过LAN总线实现数据通讯。
本发明中，优选地，所述电机驱动模块包括电机驱动器、光电传感器和电机，所述电机驱动器与电机电性连接，且所述电机驱动器与所述主控制器模块的串口接口卡通过RS232总线相连，所述光电传感器与所述主控制器模块的数字I/O读卡口相连。
本发明中，优选地，所述电源控制模块的继电器组与所述数字I/O读卡口相连，所述继电器组下连六个开关，六个所述开关依次为充电控制、指示灯、云台复位、网络复位、加热控制、散热控制，所述加热控制电性连接有加热带，所述散热控制电性连接有散热风扇。
本发明中，优选地，所述温控模块设置为温度传感器，所述温度传感器与所述主控制器模块的模拟I/O接口卡相连。
本发明中，优选地，所述避障模块设置为测距传感器，所述测距传感器与所述主控制器模块的模拟I/O接口卡相连。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)通过通过水平运动机构、运载底板、升降云台、摄像头、红外成像仪等前端硬件采集设备以及后台识别分析软件之间的相互配合，能够实现轨道机器人状态、装置信号等运行状况信息的实时采集与智能分析，还能监测温度、湿度等环境质量因素，满足电力设备的巡检作业，实现以自主或遥控的方式，无人值守或少人值守的室内环境(如开关室、GIS室、保护室等)进行巡检，可及时发现电力设备的缺陷、异物悬挂、温度异常等异常现象，提高运行的工作效率和质量，自动报警或进行预先设置好的故障处理。它运行灵活自由，真正起到减员增效的作用，能更快地推进电力设备智能巡检的进程。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的电力设备智能巡检机器人的正面结构示意图；
图2是本发明的电力设备智能巡检机器人的侧面结构示意图；
图3是本发明的电力设备智能巡检机器人的的轨道机器人的结构图；
图4是本发明的电力设备智能巡检机器人的电路框图。
图中：1-轨道总成；2-轨道机器人；3-上位机控制系统；4-本地控制单元；5-通信单元；6-人机交互单元；7-轨道；8-滑触线；9-集电器；10-一字槽；12-水平运动机构；13-运载底板；14-升降云台；15-摄像头；16-滑轮安装架；17-滑轮组；18-滑轮；19-滑轮轴；20-主控制器模块；21-电机驱动模块；22-电源控制模块；23-温控模块；24-避障模块；25-检测模块；26-红外成像仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图4所示，本发明提供电力设备智能巡检机器人，包括轨道总成1、轨道机器人2和上位机控制系统3，所述轨道机器人2滑动设置在所述轨道总成1上，所述上位机控制系统3包括本地控制单元4、通信单元5和人机交互单元6，所述本地控制单元4用于向所述轨道机器人2下达各项操作指令，所述通信单元5用于实现所述本地控制单元4和所述人机交互单元6之间的数据互通，所述人机交互单元6用于实现所述轨道机器人2的远端控制。
本实施例中，进一步地，所述轨道总成1包括轨道7、滑触线8和集电器9，所述轨道7设置为工字型轨道，所述轨道7的两侧均开设有一字槽10，所述滑触线8固定安装在所述一字槽10上的中部，所述集电器9和所述滑触线8滑动接触。该轨道7设置为双轨滑条式结构轨道7，轨道7的材质设置为45号钢，轨道7通过浇铸、铣刨一体成型。滑触线8由多股导线及绝缘座组成，固定安装在轨道7的一字槽10中部，集电器9和滑触线8滑动连接实现对轨道机器人2供电和通信。
本实施例中，进一步地，所述轨道机器人2包括水平运动机构12、运载底板13、升降云台14和摄像头15，所述水平运动机构12滑动设置在所述轨道7上，所述运载底板13与所述水平运动机构12固定连接，所述升降云台14固定安装在所述运载底板13的底部，所述摄像头15固定安装在所述升降云台14的底部。
本实施例中，进一步地，所述水平运动机构12包括四组滑轮安装架16和四组滑轮组17，所述滑轮安装架16的底部固定安装在所述运载底板13的顶部，每组所述滑轮组17均设置有两个滑轮18，所述滑轮18通过滑轮轴19滚动安装在所述滑轮安装架16上，且所述滑轮18滑动设置在所述轨道7上。
本实施例中，进一步地，所述本地控制单元4包括主控制器模块20、电机驱动模块21、电源控制模块22、温控模块23和避障模块24，所述主控制器模块20与所述电机驱动模块21、所述电源控制模块22、所述温控模块23、所述避障模块24均为电性连接，分别用于实现所述轨道机器人2的电机驱动、电源供电、温控和避障功能。
本实施例中，进一步地，所述本地控制单元4还包括检测模块25，所述检测模块25用于对配电设备进行图像采集以及热成像检测，所述检测模块25设置为摄像头15、升降云台14和红外成像仪26，所述摄像头15和红外成像仪26均与所述通信单元5的以太网交换机相连，所述升降云台14通过RS485总线与所述通信单元5的串口服务器相连，所述串口服务器通过LAN总线与实现与所述以太网交换机的通讯，所述主控制器模块20的以太网接口通过LAN总线与所述以太网交换机实现数据通讯，所述主控制器模块20包括串口接口卡、模拟I/O接口卡和数字I/O接口卡，所述串口接口卡、所述模拟I/O接口卡、所述数字I/O接口卡与所述以太网接口均通过LAN总线实现数据通讯。
本实施例中，进一步地，所述电机驱动模块21包括电机驱动器、光电传感器和电机，所述电机驱动器与电机电性连接，且所述电机驱动器与所述主控制器模块20的串口接口卡通过RS232总线相连，所述光电传感器与所述主控制器模块20的数字I/O读卡口相连。
本实施例中，进一步地，所述电源控制模块22的继电器组与所述数字I/O读卡口相连，所述继电器组下连六个开关，六个所述开关依次为充电控制、指示灯、云台复位、网络复位、加热控制、散热控制，所述加热控制电性连接有加热带，所述散热控制电性连接有散热风扇。
本实施例中，进一步地，所述温控模块23设置为温度传感器，所述温度传感器与所述主控制器模块20的模拟I/O接口卡相连。
本实施例中，进一步地，所述避障模块24设置为测距传感器，所述测距传感器与所述主控制器模块20的模拟I/O接口卡相连。
系统采用高性能嵌入式CPU控制，全工业化元器件设计，控制协议、视频编解码、接口协议、视频文件格式、传输协议均遵循国家标准的规定；从元件、部件的选型到具体的实施方案，都考虑到系统可靠性的问题。
本系统最大限度的提供可移动视频监控的智能化模式，可与摄像头15同步实现预置位、巡航线功能，实现视频监控系统集中管理控制的模式；采用多重防死机技术最大程度地让机器正常运行，同时也能够避免突然掉电对系统的损坏和遇到一般性软件故障时系统自动重新启动，保证系统工作的可靠性。
本发明的工作原理和工作过程如下：由于上位机控制系统3包括本地控制单元4、通信单元5和人机交互单元6，本地控制单元4用于向轨道机器人2下达各项操作指令，通信单元5用于实现本地控制单元4和人机交互单元6之间的数据互通，人机交互单元6用于实现轨道机器人2的远端控制。操作人员通过监控终端发出轨道机器人2操作指令，监控终端为移动终端，具体为PC机客户端或桌面控制器，监控终端发出的指令信息通过无线接入点与无线网关WLAN连接，经由LAN通讯方式到达以太网交换机，以太网交换机与本地控制单元4实现LAN数据通信。其中，本地控制单元4包括主控制器模块20、电机驱动模块21、电源控制模块22、温控模块23和避障模块24，主控制器模块20与电机驱动模块21、电源控制模块22、温控模块23、避障模块24均为电性连接，主控制器模块20通过总线连接集成有串口接口卡、数字I/O接口卡、模拟I/O接口卡，主控制器模块20接收来自通信单元5的指令信息，并将该指令信息通过串口接口卡、数字I/O接口卡、模拟I/O接口卡分别传输给电机启动模块21、电源控制模块22、温控模块23、避障模块24和检测模块25，从而实现轨道机器人2的电机驱动、电源供电、温控、避障以及检测功能，通过RS232串口连接电机驱动器驱动伺服电机，驱动电机转动并控制电机转速，同时实时获取电机异常状态，从而实现了电机驱动功能；高速数字I/O接口卡采集光电传感器信息，实现定位针检测功能；模拟I/O接口卡采集温度传感器的温度信息、测距传感器的距离信息，实现温控和避障功能；此外，数字I/O接口卡控制六个继电器，分别用于执行散热控制进而启动散热风扇，执行加热控制进而启动加热带，启动充电控制(即导通充电回路)，启动指示灯(即显示轨道机器人的运动状态、网络状态、电量状态等)，启动云台复位(即云台供电线路的通断)和网络复位。
通过TCP/IP通讯协议，与远程监控终端程序建立联接，实时获取控制指令，并反馈轨道机器人2信息。控制指令包括，目标点设置、手动运动控制、手动温度控制、云台部分重启、网络部分重启等。反馈轨道机器人2信息包括：轨道机器人2位置、运动速度、温度、前后障碍物距离、电池电量等。根据由光电传感器实时采集到的数字信号，与相应时刻的里程计信息融合，并与定位针模板匹配，从而判断机器人是否经过定位针。如果经过定位针，则根据先验的定位针布置信息，将当前里程计值修正为与其最接近的定位针位置，从而保证定位针附近的定位精度。根据监控基站的控制指令，实现机器人在轨道上行驶、停靠点停车等功能，导航时的直轨、弯轨的最大速度均可在监控基站中进行设置，此功能又可根据监控基站的控制指令分解为停靠点导航和速度导航模式。此外，固定安装在轨道机器人2前、后的测距传感器用于获取模拟信号，经过滤波、转换获取此时前后障碍物距离。若运动方向上障碍物距离小于避障范围时，控制轨道机器人2急停，实现自主避障功能，避障范围可以在监控基站中设置。通过监控基站的控制指令、电量检测异常处理指令、网络异常处理指令触发，实现轨道机器人2由轨道7上任意位置运行至充电位置，到达位置后通过控制继电器通断，开启机器人充电电路实现充电。根据温度传感器获取到的模拟信号，经过滤波、转换等处理过程，获得当前轨道机器人2内温度，并根据温控范围参数，判断当前是否处于高温或低温异常状态，并相应的通过控制继电器开启加热带或散热风扇，温控范围参数可以在监控基站中调整，也可以通过监控中断控制指令，直接控制开启加热带或散热风扇。通过各个传感器实时采集到的信息，判断机器人是否处于异常状态，从而实现指示灯控制。若轨道机器人2处于欠电异常、充电状态、低温异常、高温异常、串口联网服务器通讯异常、监控基站通讯异常，则控制点亮相应的状态指示灯，如轨道机器人2处于运动状态，则亮起轨道机器人2外壳的红色警示灯。
本发明的特点在于：通过水平运动机构12、运载底板13、升降云台14、摄像头15、红外成像仪等前端硬件采集设备以及后台识别分析软件之间的相互配合，能够实现轨道机器人2状态、装置信号等运行状况信息的实时采集与智能分析，还能监测温度、湿度等环境质量因素，满足电力设备的巡检作业，实现以自主或遥控的方式，无人值守或少人值守的室内环境(如开关室、GIS室、保护室等)进行巡检，可及时发现电力设备的缺陷、异物悬挂、温度异常等异常现象，提高运行的工作效率和质量，自动报警或进行预先设置好的故障处理。它运行灵活自由，真正起到减员增效的作用，能更快地推进电力设备智能巡检的进程。
此外，移动轨道机作为可移动的感知执行平台，可以搭载红外热像仪、可见光高清摄像机、气体检测仪、温湿度传感器、交互式实时对讲平台、声光报警器、超声停障系统等用于特定设备状态监测和操作、行业业务处理等定制服务，具有定时定路径巡检、指定点巡检、遥控巡检、高清可见光与红外实时视频监控、红外测温与故障报警、特殊气体检测与故障报警、巡检报表分析与历史数据分析等功能，以自主或遥控的方式，在无人值守的环境中替代人工执行巡检任务。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.电力设备智能巡检机器人，其特征在于，包括轨道总成(1)、轨道机器人(2)和上位机控制系统(3)，所述轨道机器人(2)滑动设置在所述轨道总成(1)上，所述上位机控制系统(3)包括本地控制单元(4)、通信单元(5)和人机交互单元(6)，所述本地控制单元(4)用于向所述轨道机器人(2)下达各项操作指令，所述通信单元(5)用于实现所述本地控制单元(4)和所述人机交互单元(6)之间的数据互通，所述人机交互单元(6)用于实现所述轨道机器人(2)的远端控制。
2.根据权利要求1所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述轨道总成(1)包括轨道(7)、滑触线(8)和集电器(9)，所述轨道(7)设置为工字型轨道，所述轨道(7)的两侧均开设有一字槽(10)，所述滑触线(8)固定安装在所述一字槽(10)上的中部，所述集电器(9)和所述滑触线(8)滑动接触。
3.根据权利要求2所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述轨道机器人(2)包括水平运动机构(12)、运载底板(13)、升降云台(14)和摄像头(15)，所述水平运动机构(12)滑动设置在所述轨道(7)上，所述运载底板(13)与所述水平运动机构(12)固定连接，所述升降云台(14)固定安装在所述运载底板(13)的底部，所述摄像头(15)固定安装在所述升降云台(14)的底部。
4.根据权利要求3所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述水平运动机构(12)包括四组滑轮安装架(16)和四组滑轮组(17)，所述滑轮安装架(16)的底部固定安装在所述运载底板(13)的顶部，每组所述滑轮组(17)均设置有两个滑轮(18)，所述滑轮(18)通过滑轮轴(19)滚动安装在所述滑轮安装架(16)上，且所述滑轮(18)滑动设置在所述轨道(7)上。
5.根据权利要求1所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述本地控制单元(4)包括主控制器模块(20)、电机驱动模块(21)、电源控制模块(22)、温控模块(23)和避障模块(24)，所述主控制器模块(20)与所述电机驱动模块(21)、所述电源控制模块(22)、所述温控模块(23)、所述避障模块(24)均为电性连接，分别用于实现所述轨道机器人(2)的电机驱动、电源供电、温控和避障功能。
6.根据权利要求5所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述本地控制单元(4)还包括检测模块(25)，所述检测模块(25)用于对配电设备进行图像采集以及热成像检测，所述检测模块(25)设置为摄像头(15)、升降云台(14)和红外成像仪(26)，所述摄像头(15)和红外成像仪(26)均与所述通信单元(5)的以太网交换机相连，所述升降云台(14)通过RS485总线与所述通信单元(5)的串口服务器相连，所述串口服务器通过LAN总线与实现与所述以太网交换机的通讯，所述主控制器模块(20)的以太网接口通过LAN总线与所述以太网交换机实现数据通讯，所述主控制器模块(20)包括串口接口卡、模拟I/O接口卡和数字I/O接口卡，所述串口接口卡、所述模拟I/O接口卡、所述数字I/O接口卡与所述以太网接口均通过LAN总线实现数据通讯。
7.根据权利要求5所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述电机驱动模块(21)包括电机驱动器、光电传感器和电机，所述电机驱动器与电机电性连接，且所述电机驱动器与所述主控制器模块(20)的串口接口卡通过RS232总线相连，所述光电传感器与所述主控制器模块(20)的数字I/O读卡口相连。
8.根据权利要求6所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述电源控制模块(22)的继电器组与所述数字I/O读卡口相连，所述继电器组下连六个开关，六个所述开关依次为充电控制、指示灯、云台复位、网络复位、加热控制、散热控制，所述加热控制电性连接有加热带，所述散热控制电性连接有散热风扇。
9.根据权利要求5所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述温控模块(23)设置为温度传感器，所述温度传感器与所述主控制器模块(20)的模拟I/O接口卡相连。
10.根据权利要求6所述的电力设备智能巡检机器人，其特征在于，所述避障模块(24)设置为测距传感器，所述测距传感器与所述主控制器模块(20)的模拟I/O接口卡相连。
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