变电站设备巡检机器人.doc

变电站设备巡检机器人一机器人在电网领域应用概述国家电网公司电力机器人重点实验室国家电网公司电力机器人重点实验室实验室成立以来，根据“立足电力行业，以机器人技术和产品服务于电力生产，体现电力系统高新技术水平，注重发展自身优势学科，在机器人及机电自动化领域突出体现电力行业特点”的总体定位，先后投入上千万元，围绕变电站设备巡检机器人、高压带电作业机器人、锅炉管道检测机器人以及电力特种机器人所涵盖的机电一体化技术、计算机控制技术、人工智能技术、多传感器融合技术等学科在电力生产中的应用开展了一系列的研究，始终保持在电力特种机器人研究领域处于国内领先地位。承担了多个国家、省、部级重点项目，开发并形成了一系列具有自主知识产权的高科技产品，获得了多项技术专利、软件著作权及各类科技成果，多项技术达到国际先进水平，并自主研发出国内首台“变电站设备巡检机器人”和“高压带电作业机器人”。研究方向1、针对电力特种机器人的定向基础理论研究 为了保证电力特种机器人的可靠性、环境适应性、灵活性以及该类产品的推广应用，在基础理论研究方面主要开展电力特种机器人动态的不确定性与鲁棒控制问题、交直流传动系统的自适应控制、电力特种机器人智能控制问题、电力特种机器人产品标准、应用技术规范等基础理论研究。2、电力特种机器人基础技术探索性研究 主要进行动力单元控制实验、机器人运动控制实验、多传感器融合技术、机器人嵌入式测控系统、计算机仿真技术、人工智能和模式识别、现代机械设计等基础技术探索性研究。3、电力特种机器人应用技术开发实验室先后开展了“10kV高压带电作业机器人”、“变电站设备巡检智能移动机器人”和“锅炉热交换管道检测机器人”项目的技术研究，为进行机器人产品的开发奠定了技术基础。目前，实验室结合当前所开发的 “变电站设备巡检智能移动机器人”项目的应用需求，重点进行视觉导航、目标识别、动力能源、运动控制等技术的研究，为产品的实用化提供技术支持和技术储备。依靠雄厚的研发实力和完善的实验室设备，以及多年来在电力机器人研究的技术和经验积累，实验室逐渐形成了从理论研究、系统仿真、算法优化、软硬件设计与调试、现场试验、直到正式投入运行完全自主地完成的优势和特色。二变电站设备巡视机器人的科研成果转化应用实验室自主研发的第二代变电站设备巡检机器人已于2005年10月在济南500kv长清变电站成功运行（第一台*2005年10月，“变电站设备巡检机器人”第一台产品在500kV长清变电站参加华北电网公司“红旗变电站”竞赛评比时，赢得了专家评委的一致认可，成为变电站应用高科技手段，实现少人值班逐步向无人值班过渡的一大亮点，为今后市场推广应用和产业化运作打下了坚实的基础。各大媒体纷纷响应，对公司“变电站巡检机器人”十分关注，其信息在人民日报、大众日报、中国电力信息网、电力设备网、新华网等报刊网站媒体进行了相关报道，其优异的实际运行效果得到用户和专家的一致认可和称赞），第三代变电站设备巡检机器人于2007年12月在天津500kv吴庄变电站（第二台2007年12月11日，变电站设备巡检机器人在天津吴庄变电站正式投入运行，相比第一台机器人，它具有更加强大的数据库系统、视频采集压缩传输系统及可靠的自足充电管理系统，通过防尘、防水、散热、通过性能等设计，达到了变电站内设备巡检机器人全天候工作的要求；而且通过合理化设计开发实现了机器人精确巡检 、安全防护功、变电站设备运行状态分析诊断等功能。）、2008年10月在南宁变电站（第三台2008年10月，该机器人已经在南宁变电站正式投入运行，代替人工进行变电站设备巡检工作。较之前两台已经投运的机器人，该机器人在软件系统、软件系统的架构以及摄像机外壳进行了重新设计，大大提高了机器人的灵活性和可靠性。同时采用新型充电机构与电源管理模块，保证了机器人充电可靠性，提高了机器人电池的使用寿命。）分别顺利投入运行。同时，性能更为优化的第三代变电站设备巡检机器人也将服务于西北电网公司750KV乾县变电站（2010年最新的应用成果目前国内应用电压等级最高750千伏*2010年6月9日，国内首个750千伏变电站机器人巡检系统6月9日在西北电网公司乾县750千伏变电站正式投入运行，这也是目前国内应用电压等级最高的变电站机器人巡检系统。该系统可实现对站内不同电压等级设备的全自主自动巡检，利用红外推焦技术的测温拍照以及基于三维电子地图的自动检测和分析等功能，有效克服了750千伏变电站站区面积大、运行环境复杂、人工巡检的视差等因素，实现了变电站电气主设备的实时运行状态检测，为超高压设备的安全稳定运行提供了重要保障。该项目由西北电网公司和山东鲁能集团共同合作，历时18个月开发完成，采用了多传感器融合、模式识别、导航及行为规划、机器人视觉等先进技术，克服了超高压强磁干扰下无线网桥的通讯等难题，自主研发了机器人智能电源管理模块，并结合磁导航、超声避障、RFID定位、电子地图等技术，实现了机器人自动导航、定位和自主充电等功能，具有较高的智能化水平。该系统的投入运行，对降低生产运行人员劳动强度、提高变电站巡检自动化水平和检测准确性提供了创新型的技术检测手段，对于提高电网运行可靠性具有重要意义。）、浙江嘉兴王庄变电站（嘉兴嘉兴汾湖变电站（2010年2月25日，在浙江嘉兴汾湖变电站（也是500kv），一个身高1.2米、安装了GPS卫星导航系统的巡检机器人（山东电研院研制）正在一丝不苟地对变电设备进行巡视、扫描。这是山东电力研究院所属的山东鲁能智能技术有限公司正式投运的第七台变电站设备巡检机器人，也是首台采用卫星导航和惯性智导相结合移动定位系统的变电站巡检机器人，日前已经顺利通过鉴定验收，正式投入运行。目前，机器人一切运行正常，主要对主变压器、开关、绝缘子、避雷器等设备进行定点检测，并对其所采集到的设备运行数据进行存储、分析、上传。完成正常巡视后，可自动走回充电室进行充电。机器人巡视有自动定时和遥控特巡两种方（自主或遥控的方式），前者为正常情况下机器人按既定设置的程序指令进行定时定点的自主巡视；后者为非正常条件下，机器人脱离预先设定的巡视路线，紧急按照运行人员临时设定的程序指令进行特巡。）以及山东超高压泰安变电站，目前项目正处于前期紧张的优化设计、系统测试及现场施工阶段。第四代变电站设备巡检机器人顺利投入运行2009年10月，实验室开始进行第四代变电站设备巡检机器人的研发工作；2010年7月份，第四代机器人顺利在北京顺义变电站投入运行；青岛午山变电站（220kV午山数字化变电站）的第四代机器人也将于9月份投入运行（2010年最新的应用成果*）。第四代巡检机器人在尺寸和重量上都有所减少，工作起来也更加轻便、灵活。机器人采用了锂电池，在电池散热上有很大改进，从而使得机器人一次充电后的工作时间延长。科技含量进一步提高。主要体现在：（1）针对变电站的主要设备，增加了声音采集、音频分析和故障诊断的功能。（2）实现了功能自由路径轨化，增加了路径灵活性，提高了工作效率，从而适应了智能变电站顺控的要求。（3）实现了一个变电站内多台机器人交互运作，与原来一个变电站只能有一台机器人运行相比，是一个很大的进步。（4）在后台运作上，采用最新型的充电室，自动门的使用，增加了机器人运行的灵活性。此外，充电室内空调的安装也增加了机器人对温度的适应力。第四代机器人无论是在外形上还是在性能上都更加满足用户的需要，它的研发和推广，将进一步提高变电站设备的巡检智能化水平和巡检作业质量，减轻巡检人员的劳动强度、降低劳动风险，从而更有利于变电站无人值守的实现。 未来，机器人实验室将进一步强化基础研究平台建设，深化电力机器人基础理论、基础技术、应用技术以及产品技术标准和行业应用规范的研究，加快提升自主创新能力，扎实推进电力机器人的研究和推广应用，以满足电力行业对智能机电技术的现实和潜在需求，为电力系统安全稳定运行提供有效支撑。坚持以高水平的研究成果持续推进电力企业技术进步，为人类电力事业作出更大的贡献。三变电站设备巡视机器人的简介变电站设备巡视机器人项目意义 电力对国民经济的发展有着极其重要的作用，随着电力工业向着大机组、大容量与高压供电的方向迅速发展，保证供电系统的安全运行和保障电力设备时刻处于稳定良好的状态，成了电力管理的突出问题。而变电站是整个电网的核心，它起着调度电力供应的重要作用。因此，保证变电站设备正常运行至关重要。另外，随着变电站自动化水平的提高以及无人值守的普及，设备运行的安全性受到更加严格的考验，变电站巡检受到了更大的重视。传统的巡视已经满足不了现代化变电站发展的要求，机器人代替人工巡视将是未来的主要发展方向。 该项目采用机器人技术，红外线热成像检测、模式识别、多传感器信息融合等技术研制出了适合全天候运行的变电站巡检机器人，该机器人能够以自主或遥控的方式（机器人巡视有自动定时和遥控特巡两种方式，前者为正常情况下机器人按既定设置的程序指令进行定时定点的自主巡视；后者为非正常条件下，机器人脱离预先设定的巡视路线，紧急按照运行人员临时设定的程序指令进行特巡），利用图像处理与模式识别技术，对变电站高压设备进行实时巡检，自动检测变电站设备的运行状况，大大提高了变电站设备状态检测精确性、实时性和自动化水平，项目成果达到了国际领先水平，具有广阔的应用前景。功能简介 变电站巡检机器人主要应用于室外变电站代替巡视人员进行巡视检查。该机器人系统可以携带红外热像仪、可见光CCD等有关的电站设备检测装置，以自主和遥控的方式，代替人对室外高压设备进行巡测，以便及时发现电力设备的内部热缺陷、外部机械或电气问题如：异物、损伤、发热、漏油等等，给运行人员提供诊断电力设备运行中的事故隐患和故障先兆的有关数据。 该机器人系统应可以部分地代替人在合适的时间进行巡视检查工作，并且能生成报表，如机器人可以在值班人员不便于巡视的时间（如凌晨00：00或者03：00）或恶劣天气情况，在不要监控人员的参与下按照固定的路线进行巡检，并且能自动返回出发地点。 组成结构 该机器人主要由移动站和基站组成。移动站包括移动车体、微机系统、避障系统、导航定位系统、通讯系统、检测设备组成（机器人本体以移动站控制计算机和移动站音像处理计算机为核心. 机器人本体的控制任务主要由移动站控制计算机来完成 ,在控制计算机内部的串行通信分配器的接口上 ,共连接了数个串口设备.控制计算机编写的控制服务程序实现各个设备的实时控制和调节. 需要后台实时分析的数据可以通过无线局域网直接传输到基站. 移动站音像处理计算机担负着可见光图像的分析和移动目标识别的功能 , 红外图像的分析更需要占据相当大的计算量 ,视频服务器的引入减少了音像处理计算机的计算分析的工作量 ,提高了工作的速度和实时性能.），基站主要由后台控制软件和数据库组成。移动本体是该系统的核心和关键。有了这样的一个移动本体后，我们才能在此平台上建立不同的工作体系，基站的主要用途是对移动本体进行有效的监视、控制和管理，同时可以最终获取应用、工作层送来的数据。机器人本体通过无线通信系统和基站构成一个整体（无线数据通信系统负责完成传输可见光视频数据、 红外检测实时图像数据、 音频数据、 车体及云台的控制数据、 GPS差分数据、 移动站状态分析数据等数据信号的任务.实现了基站显示分析移动站位置、 速度、 加速度、 控制计算机的 CPU、 内存的占有率、 可见光图像和红外热成图像、 语音识别状态、 移动目标侦测情况、 仪表识别情况、 电源使用情况、 设备故障情况以及移动站在电子地图的方位,同时完成基站手动控制移动站的运动和移动站云台的状态,并且在基站的任务规划后,完成向移动站下达任务等功能.）四、巡检机器人软件体系结构设计变电站巡检机器人是一种集各种视频、音频、状态、控制的数据流的通信软件系统 ,是一个非常复杂的软件体系工程.为了简化开发过程中的复杂关系 ,易于开发 ,实现程序的模块化设计思想 ,这里引入了实时数据库的概念. 使用动态链接库创建实时数据暂存区域 ,在通信实时主动更新数据的情况下 ,实现了各个执行模块之间的数据交互功能 ,这个实现数据交互的区域我们称为实时数据库.为了存储机器人的各种历史数据 (包括状态数据、控制过程数据、视频音频数据等 )和保存异常情况下的现场 ,我们采用了历史数据库.该数据库使用Orical8 i构建 ,具有 C /S(客户/服务 )的功能 ,方便了基站和移动站之间的历史数据的通信 ,有利于异常情况下各种状态现场的保护. 并且融合硬件的设计思路 ,使得各个子系统能有很好的接口方式 ,采用了分层模块化设计的指导思想. 4.1、基站分层结构设计基站软件系统主要是用于人机交互 ,接收监控人员的各种操作 ,并将这些操作下达到机器人 ,同时基站系统也是用户了解机器人的工作情况和结果的直接渠道.具体由以下几个模块构成:基站框架、电子地图、状态报警处理、 全局路径规划、数据库、实时库、工作模块 (包括图像、声音处理模块 ) 4 .2、移动站分层结构设计移动站系统主要包括两个子系统:运动及控制系统和工作系统.运动及控制系统主要负责机器人在巡视过程中的运动、行为的控制.如何实现机器人自主运动,有 3个关键的算法,即全局路径规划、局部行为规划和车体运动学建模.*全局路径规划：由电子地图提供相应的地图信息和任务信息,按照路径最短、转弯最少、综合最优等策略,规划出机器人的运动路径。*局部行为规划：对机器人各传感器收集到的周围环境数据和全局路径规划的结果进行综合分析,实时给出机器人的局部路径,即移动机器人的速度和转向角命令,传输给车体运动控制系统。*车体运动学建模：运动控制系统通过实时接收局部行为规划结果,对车体进行动力学建模,将接收到的速度指令分解到各个电机,解算出各个电机需要承受的速度,并由 PMAC实现对各个电机的控制,从而实现机器人的自主运动。五、变电站设备巡视机器人相关技术解析4.1红外线热成像检测任何物体就是一个自然的生物红外辐射源，能够不断向周围发射和吸收红外辐射。一般情况下变电站正常运行时，变电站设备的温度分布具有一定的稳定性和特征性，物体各部位温度不同，形成了不同的热场。当某个电气设备的某处发生故障，运行不稳或功能改变时，就会导致该处局部温度改变，表现为温度偏高或偏低。红外热像仪的测温灵敏度极高，能描记低于0.030.05度的微温度变化，直观的反映出变电站电气设备异常温区，在许多电气故障的前期，电网变电还是会正常的运行，不会影响电网运行的效果（或者说是运行部稳定），温变早于质变，通过远红外热成像仪采集温度变化的信息，能够在电站设备没有明显体征情况下解读出潜在的隐患，能更早地发现问题。远红外热图比结构影像可提前半年乃至更早发现质变，为事故的早期发现与防治赢得宝贵的时间。主要通过热成像系统采集变电站设备的红外辐射，并转换为数字信号，形成伪色彩热图，利用专用分析软件，经变电运行人员对热图分析，判断出变电电气设备异常的部位与的程度，为变电运行人员提供可靠依据。即时发现运行设备的异常、缺陷和故障，以便即时处理，保障系统运行的安全可靠。4.2CCD图像摄像机该技术的核心为CCD图像传感器（面阵CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体）电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。4.3、机器人运动控制系统本系统采用四轮结构 ,两个驱动轮 ,两个导向轮。驱动轮采用DC伺服电机,电机的驱动通过DSP实现,驱动板通过串口与主板连接,上位机向DSP发指令驱动电机,电机控制器的主控芯片采用面向数字控制的 DSP芯片 TM320LF2407,再由DSP发出 PWM控制信号来实现驱动系统的闭环控制 ,控制过程如图 2。机器人平台的运动控制除了必需的硬件基础外 ,还需要上位机程序,在VC+的编译环境下,创建一个运动控制类CDrive类 ,在该类中定义运动控制函数,如图3所示。用这些函数来实现机器人运动状态的控制。drive_forward ( fl oat V )控制小车以速度V向正前方运动,V为正表示向前,为负表示向后,为0表示停车; drive _ for ward _ positi on (float V , short distance) ,控制小车正前方以速度V运动,距离为 dis2tance,并停止; drive_velocity (short phei, float V) ,控制小车方向,并以速度V运动; drive_ rotate_position(short angle, float V) ,控制小车转动 angle角度 ,轮子转动的速度为V ,并停止,这样就可以实现诸如前进、后退、转弯、启动、停车等基本的小车运动控制。4.4、避障算法的实现当传感器检测到障碍物 ,采集外围数据信息 ,数据经过处理 ,与避障规则相比较 ,采用一条最优化的匹配规则后 ,调用相应函数 ,实现诸如左转、 右转、 前进、 后退等的动作 ,从而实现机器人避开障碍物 ,实现机器人的自主避障功能。在程序中定义一个避障控制类来实现避障控制。避障规则的定义是以机器人外围上的 8路超声 , 16路红外传感器为基础 ,通过对它们返回的数据做出判断 ,执行相应的运动控制来实现。常用的避障算法有 P I D、VFF、VFH、VFH +、PFM、VFH3等六种算法.局部避障是移动机器人导航过程中安全驾驶的必要策略. PID针对的是路径跟踪 ,其他五种算法适用于避障.考虑到路径跟踪和局部避障在算法上的统一性、 有效性 ,我们最后选用了 PFM与 VFH +算法 ,这是因为:虚拟力场法 (VFF)中 ,由于栅格的不连续性 ,位置的改变是从一个单元格到另一个单元格 ,因此合力有可能剧烈的改变.矢量场分布图法 (VFH)克服了 VFF的缺点并保留了所有的优点。VFH +方法相比于 VFH方法在四个方面进行了改进:考虑了车体尺寸对实际避障问题的影响;对主极线图进行了二值化 ,得到二元极线图;选取避障方向时考虑了最大转弯半径;用代价函数判断驾驶方向,考虑了目标方向、车体方向、前次选择驾驶方向的综合因素,接近实际驾驶情况.但是 ,该算法也有8个参数需要确定 ,协调这些参数也是很困难的.是一种前瞻校验的算法.当有一个精确的环境地图时,可以比 VFH +算法更为有效,但是避障算法中更多地考虑未知情况的判断 ,从这个意义考虑 , 并不比 VFH +算法有太大的改进. 另外, 方法中参数的选取是很困难的 ,选取过大 ,可能造成选取失败;选取过小 ,可能导致算法很慢 ,无法实时完成判断. PFM算法虽然比较适用于传统的机器人避障算法 ,但是有其固有的缺点.在躲避距离很近的物体或者通过狭窄的通道时 ,车体振荡剧烈并且不能通过 ,对精度要求比较苛刻. 这里引入了VPH (Vect or Polar Hist ogram)的概念,即 PFM和VFH +的结合算法. VPH使用了三步的过程来得出车体前进的方向。 第一步和第二步根据激光雷达的数据得到柱极线图,从而得到一个二进制的柱状图 ,建立一个阈函数对所有二进制数据进行比较.第三步 ,通过比较一个价值函数得到车体前进的方向。在局部规划模块中 ,对车体速度大小和速度方向进行规划 ,其中重点是对速度方向的规划 ,伪代码如下:LocalPlanning:获得全局路径规划结果;获得计算控制数据时所需的各种参数;while (true)if (正常结束 | |非正常结束 ) break;更新初始化信息;根据路况计算规划点到达标志 Arrive;if (Arrive) /如果标志有效，则控制巡检机器人到达该有效规划地点switch (当前路况 ) case直道: if (需要避障 )避障算法; else直线跟踪算法; break; / case拐