一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)及其巡檢方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)及其巡檢方法，包括遠程監(jiān)控中心和與其通信的若干個機器人終端，所述機器人終端包括控制機器人在三維空間運動的控制模塊，所述控制模塊驅動運動模塊，帶動機器人沿著軌道做X、Y和Z軸方向運動，行走到目標檢測位置，檢測模塊對該位置進行環(huán)境監(jiān)測，并將監(jiān)測數據傳輸給遠程監(jiān)控中心，在機器人行駛、監(jiān)測的過程中，安全防護模塊保持檢測障礙物和防止機器人出軌，所述遠程監(jiān)控中心對每個機器人終端進行調度。本發(fā)明有效降低工作勞動強度，降低變電站運維成本，提高正常巡檢作業(yè)和管理的智能化和自動化水平，為智能變電站和無人值守變電站提供檢測手段和全方位的安全保障。
【專利說明】
一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)及其巡檢方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)及其巡檢方法。
【背景技術】
[0002]長期以來，變電站室內設備巡檢工作多采用人工方式進行，傳統(tǒng)的人工巡檢方式不僅存在勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、手段單一等不足之處，而且事后也無法將人工所檢測的數據準確、及時地傳送到管理信息系統(tǒng)。隨著無人值守模式變電站的推廣，伴隨而來的是變電站巡檢工作量越來越大，巡檢到位率、及時性更加無法得到保證。特別是在高原、戈壁等特殊地理條件或如大風、霧天、冰雪、冰雹、雷雨等極端天氣發(fā)生后，造成人工無法及時巡檢，并且受條件限制巡檢存在較大安全風險，此時變電站一旦發(fā)生意外事故，決策者因無法及時獲取直觀的現(xiàn)場信息，往往會貽誤最佳處理事故的時機，造成不必要的經濟損失甚至人員傷亡等重大的事故。
[0003]近年來，隨著科技的發(fā)展，變電站智能機器人的出現(xiàn)，實現(xiàn)自動完成變電站日常設備巡視、紅外測溫、操作前后設備狀態(tài)檢查等工作，從而大大提高對變電站設備巡視的工作效率和質量，降低人員勞動強度和工作風險，提升變電站智能化水平，為變電站無人值守提供強大的技術支撐。變電站智能機器人已經成為變電站設備巡檢的重要輔助手段。
[0004]目前變電站智能巡檢機器人主要針對變電站的室外設備，變電站的室內電力設備一方面需要有足夠的可靠性，另一方面也需要及時檢測以便發(fā)現(xiàn)并檢修存在潛在隱患的設備，確保電力系統(tǒng)正常運行。室內設備的實時檢測對保證其可靠安全運行有重要意義。采用組合軌道的機器人系統(tǒng)可方便靈活地對室內設備進行實時檢測，了解設備的運行狀態(tài)，將設備運行狀態(tài)及時反饋。
[0005]現(xiàn)有變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)存在的技術問題如下:
[0006]1、檢測范圍有限。主要采用直線軌道方式和曲線軌道方式。這些軌道只能沿著軌道的固定路線進行檢測。檢測范圍有限。設備布局的限制，要實現(xiàn)全方位的檢測功能，需要布設多條軌道，成本較高而且不太美觀。
[0007]2、室內軌道機器人沒有全局路徑規(guī)劃功能。對特定設備進行巡視時，巡檢機器人沒有對路徑進行優(yōu)化，需要走一些不必要的路徑，既浪費了電能，又加長了巡檢機器人到位檢測的時間，檢測效率不尚。
[0008]3、缺乏安全防護系統(tǒng)。室內巡檢機器人在調試運行和正常巡檢過程中，由于缺乏有效的防護手段，致使巡檢機器人在出現(xiàn)意外情況時，可能與設備發(fā)生碰撞，這對電力設備的運行可能產生影響。
[0009]4、模式識別功能薄弱。當前的變電室內設備的工作狀態(tài)，多靠人工巡視或在線監(jiān)測，人工巡視勞動強度大、工作效率低;巡視/核查不到位，與現(xiàn)有管理信息系統(tǒng)對接周期長;所提到的巡檢機器人在線監(jiān)測采樣信號較少、數據不足;對運動過程缺乏記錄;分析精度不高，診斷結論缺乏說服力等缺點。
【發(fā)明內容】
[0010]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)及其巡檢方法，本發(fā)明以組合軌道式巡檢機器人為核心，整合現(xiàn)有機器人技術、電力設備非接觸檢測技術、多傳感器融合技術、模式識別、以及物聯(lián)網技術等。它具有能夠實現(xiàn)變電站室內設備智能巡檢和監(jiān)控，實現(xiàn)對巡檢監(jiān)控數據智能存儲，同時利用模式識別，有效降低工作勞動強度，降低變電站運維成本，提高正常巡檢作業(yè)和管理的智能化和自動化水平，為智能變電站和無人值守變電站提供創(chuàng)新型的技術檢測手段和全方位的安全保障，更快地推進變電站無人值守的進程的優(yōu)點。
[0011 ]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0012]—種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，包括遠程監(jiān)控中心和與其通信的若干個機器人終端，所述機器人終端包括控制機器人在三維空間運動的控制模塊，所述控制模塊驅動運動模塊，帶動機器人沿著軌道做X、Y和Z軸方向運動，行走到目標檢測位置，檢測模塊對該位置進行環(huán)境監(jiān)測，并將監(jiān)測數據傳輸給遠程監(jiān)控中心，在機器人行駛、監(jiān)測的過程中，安全防護模塊保持檢測障礙物和防止機器人出軌，所述遠程監(jiān)控中心對每個機器人終端進行調度。
[0013]所述運動模塊，包括設置在機器人上的X軸、Y軸、Z軸三個運動機構和驅動各個運動機構的電機，驅動相應方向上的電機，使機器人沿著相應的方向進行運動，以沿著軌道到達三維空間的任意位置。
[0014]優(yōu)選的，所述X軸與Y軸運動機構采用同步帶驅動結構，主要由同步帶和皮帶輪組成。Z軸運動機構為剪叉式伸縮結構，主要由剪叉式支架和吊帶組成。
[0015]所述控制模塊，包括至少一臺運動控制器和三臺伺服驅動器，運動控制器與伺服驅動器通過控制線纜連接，三臺伺服驅動器分別與運動模塊的不同的電機連接，運動控制器向伺服驅動器發(fā)送控制指令，伺服驅動器根據指令來驅動電機執(zhí)行相應的動作。
[0016]所述機器人終端上還設有與遠程監(jiān)控中心通信的通訊模塊。通訊模塊為無線模塊時，通過網絡交換機與設置于遠程監(jiān)控中心的基站無線模塊通信。
[0017]所述檢測模塊，包括溫濕度檢測模塊、可見光攝像機和紅外熱像儀，溫濕度檢測模塊檢測當前環(huán)境溫度，可見光攝像機實時記錄現(xiàn)場的環(huán)境，紅外熱像儀采集變電站內設備的溫度。
[0018]所述安全防護模塊，包含安裝在機器人的不同方向上的超聲檢測模塊，檢測各個方向上可能存在的障礙物，并將將超聲信號轉換成障礙物的距離信息發(fā)送給運動控制器。
[0019]所述安全防護模塊，包括設置在軌道上終端的限位開關模塊，且限位開關模塊與運動控制器相連，當機器人運動到軌道的兩側邊緣時限制機器人的運動，防止機器人出軌。
[0020]優(yōu)選的，所述運動控制器還連接有光電檢測模塊，檢測軌道上的障礙信息。
[0021]基于上述的巡檢機器人巡檢方法，具體包括以下步驟:
[0022](I)對室內環(huán)境建模，形成平面地圖，根據地圖上的障礙物規(guī)劃機器人的巡檢路徑；
[0023](2)遠程控制中心根據巡檢要求下發(fā)任務信息，并將任務發(fā)送到軌道機器人控制模塊，控制軌道機器人的X軸和Y軸運動，使機器人運動到平面地圖上目標檢測點；
[0024](3)當機器人到達目標檢測點時，停止移動X軸和Y軸，控制Z軸運動機構升降使機器人到達要檢測設備的高度，對準變電站設備進行檢測，并將檢測模塊檢測到的視頻和圖像數據通過通信模塊發(fā)送至遠程控制中心；
[0025](4)遠程監(jiān)控中心根據采集的視頻和圖像數據，基于模板匹配，對設備的狀態(tài)進行識別，同時判斷被檢測設備溫度是否超過預警值，如果是則發(fā)出超溫報警；
[0026](5)繼續(xù)下一個檢測點的監(jiān)測，直至完成巡檢任務，機器人返回初始點，等待下個巡檢任務。
[0027]所述步驟(2)中，任務可以為定時巡檢任務，每到設定時間軌道機器人自動按照預設路線進行巡檢。
[0028]所述步驟(5)中，遠程監(jiān)控中心接收到巡檢結束消息，分析處理本次巡檢數據，形成巡檢報表。
[0029]所述步驟(I)中，對室內環(huán)境建模，以機器人的X軸，Y軸的電機脈沖絕對位置作為機器人在平面的坐標值，通過手動控制機器人運動，確定機器人在二維平面安全位置的運動范圍，并利用激光測距儀等輔助手段測量障礙物的位置，繪制出整個平面的地圖，地圖包含了整個平面內機器人的運動范圍以及障礙物位置信息。
[0030]所述步驟(4)中，模版匹配的方法采用基于特征點的圖像匹配算法，用當前設備的圖像特征點與模版圖像特征點作匹配，識別出當前設備的工作狀態(tài)。遠程數據中心記錄識別的結果，與數據庫中的正常狀態(tài)進行比較，如出現(xiàn)異常信息上報給工作人員進行處理。
[0031]本發(fā)明的有益效果為:
[0032](I)本發(fā)明的組合軌道式巡檢機器人采用基于平面地圖的路徑規(guī)劃算法對巡檢路徑進行優(yōu)化，行駛路線短，機器人到位檢測時間快，能夠及時發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)問題；
[0033](2)本發(fā)明的機器人具有模式識別功能，包括基于可見光檢測技術、模板匹配技術實現(xiàn)變電站室內設備狀態(tài)識別，這些模塊和算法運算速度快，圖像識別率高，提高了自動巡檢和識別的效率，可滿足現(xiàn)場的實時巡視要求；
[0034](3)本發(fā)明的機器人終端可以全天任何時間段對設備進行檢測，提高了設備缺陷檢測的及時性;通過在室內軌道機器人變配電設備檢測單元中結合紅外、可見光檢測的優(yōu)勢，可提高設備缺陷檢測的效率，準確可靠的對設備缺陷進行定位；
[0035](4)本發(fā)明通過超聲檢測模塊、光電檢測模塊等裝置，檢測機器人各個方向的障礙物，防止機器人自動運行時發(fā)生意外碰撞;限位開關模塊限制機器人的運行范圍，使機器人在安全范圍內運行，全方位的安全防護可以使智能巡檢機器人自動安全運行，防止巡檢機器人意外碰撞或跌落；
[0036](5)本發(fā)明通過自主導航定位實現(xiàn)巡檢任務的全自主運行，無需人工干預；智能化程度高，巡檢數據一致性好，采用智能巡檢機器人實現(xiàn)變電站室內設備全方位、多角度、定時間自動化巡檢，數據不受巡檢人員素質能力等主觀因素的影響。
【附圖說明】
[0037]圖1是組合式室內軌道機器人系統(tǒng)總體結構圖；
[0038]圖2是機器人終端系統(tǒng)組成結構圖；
[0039]圖3是運動模塊結構圖；
[0040]圖4是運動機構示意圖；
[0041]圖5是控制模塊結構圖；
[0042]圖6是通信模塊結構圖；
[0043]圖7是供電模塊結構圖；
[0044]圖8是檢測模塊結構圖；
[0045]圖9是安全防護模塊結構圖；
[0046]圖10是組合式室內軌道機器人系統(tǒng)巡檢方法流程圖。
[0047]圖中1.遠程監(jiān)控中心，2.機器人終端系統(tǒng)，3.運動模塊，4.控制模塊，5.通信模塊，
6.供電模塊，7.檢測模塊，8.安全防護模塊，9.X軸電機，1.Y軸電機，11.Z軸電機，12.X軸運動結構，13.Y軸運動結構，14.Z軸運動結構，15.運動控制器，16.伺服驅動器，17.基站無線模塊，18.終端無線模塊，19.網絡交換機，20.220V交流電源，21.24V開關電源，22.溫濕度傳感器，23.可見光攝像機，24.紅外熱像儀，25.超聲檢測模塊，26.光電檢測模塊，27.限位開關模塊。
【具體實施方式】
:
[0048]下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0049]如圖1所示，一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，包含遠程控制中心I和軌道機器人終端系統(tǒng)2。
[0050]遠程控制控制中心I與至少一個軌道機器人終端系統(tǒng)2通過網絡連接；
[0051]如圖2所示，軌道機器人終端系統(tǒng)2，它包含機器人運動模塊3，控制模塊4，通信模塊5，供電模塊6，檢測模塊7和安全防護模塊8。
[0052]如圖3和圖4所示，運動模塊3，它包含X軸電機9，Y軸電機10，Z軸電機11和X軸運動機構12、Y軸運動機構13、Z軸運動機構，三臺電機分別安裝在三個運動機構上，X軸運動機構12上的電機9驅動Y軸運動機構13沿水平面X軸方向運動，Y軸運動機構13上的電機10驅動Z軸運動機構14沿水平面Y軸方向運動，Z軸運動機構14上的電機11驅動機器人沿Z軸方向升降運動。通過驅動三臺電機，使機器人能夠在整個三維空間內任意位置運動。
[0053]如圖5所示，控制模塊4，它包含至少一臺運動控制器15和三臺伺服驅動器16，運動控制器15與伺服驅動器16通過控制線纜連接，三臺伺服驅動器16分別與三臺交流伺服電機
9、10、11連接。運動控制器15向伺服驅動器16發(fā)送控制指令，伺服驅動器16根據指令來驅動電機執(zhí)行相應的動作。
[0054]所如圖6所示，機器人通訊模塊5，它包含基站無線模塊17，終端無線模塊18，網絡交換機19。
[0055]基站無線模塊17和終端無線模塊18為基于802.1lN的無線網橋。
[0056]如圖7所示，供電模塊6包含220V交流電源20和24V開關電源模塊21，交流電源20給伺服運動器16供電，24V開關電源給運動控制器15，通信模塊5，檢測模塊7和安全防護模塊8供電。
[0057]如圖8所示，機器人檢測模塊7，它包含溫濕度檢測模塊22，可見光攝像機23，紅外熱像儀24。溫濕度檢測模塊22檢測當前環(huán)境溫度，可見光攝像機23可以實時記錄現(xiàn)場的環(huán)境，紅外熱像儀24用來采集設備的溫度。它們將采集到的信息通過通信模塊5傳送到遠程控制中心I。
[0058]如圖9所不，機器人安全防護模塊8，它包含超聲檢測模塊25，光電檢測模塊26，限位開關模塊27，超聲檢測模塊25，它安裝在機器人本體的前后左右下五個方向，用來檢測各方向上可能存在的障礙物。超聲檢測模塊25與運動控制器15連接，將超聲信號轉換成障礙物的距離信息發(fā)送給運動控制器15。
[0059]光電檢測模塊226，它與運動控制器15相連，作為超聲檢測模塊25的輔助模塊，將檢測到的障礙信息傳送給運動控制器。
[0060]限位開關模塊27與運動控制器15相連，當機器人運動到軌道的兩側邊緣時限制機器人的運動，防止機器人出軌。
[0061]如圖10所示，巡檢方法包括以下步驟:
[0062]步驟1、上電初始化;組合軌道的變電站室內智能巡檢機器人接通交流電源20后，X軸運動機構12、Y軸運動機構13、Z軸運動機構14分別運動到每個軸的零點位置，然后以該位置作為系統(tǒng)的坐標原點。沒有收到巡檢任務指令時，智能巡檢機器人保持初始狀態(tài)，等待巡檢任務下發(fā)；
[0063]步驟2、路徑規(guī)劃;路徑規(guī)劃時，首先對這個室內環(huán)境建模，形成室內環(huán)境的平面地圖，然后根據地圖上的障礙物，規(guī)劃機器人巡檢的路徑，保證機器人以最快最安全的方式到達巡檢位置。
[0064]步驟3、任務下發(fā)及執(zhí)行;遠程控制中心根據巡檢要求下發(fā)任務信息，并將定時任務通過通信模塊5發(fā)送到軌道機器人控制模塊4;首先控制軌道機器人的X軸運動機構13和Y軸運動機構14運動，使機器人運動到平面地圖上目標檢測點。
[0065]步驟4、?？奎c檢測；當機器人到達目標檢測點時，停止X軸運動機構13和Y軸運動機構14的運動，控制Z軸運動機構15升降使機器人到達要檢測設備的高度。對準變電站設備進行檢測，并將檢測模塊7檢測到的視頻和圖像數據通過通信模塊5發(fā)送至遠程控制中心I進行數據處理、分析、存儲；
[0066]步驟5、模式識別；基于機器人可見光攝像機23檢測采集的視頻和圖像數據，利用模板匹配的技術，對設備的狀態(tài)進行識別;基于機器人紅外熱像儀24檢測采集的視頻和圖像數據，對檢測設備的溫度進行識別，遠程控制中心對檢測數據進行分析判斷，必要時發(fā)出超溫警報；
[0067]步驟6、順序執(zhí)行任務，直至巡檢任務完成，軌道機器人返回初始原點，等待下個定時巡檢任務；
[0068]步驟7、巡檢報表生成;全部任務完成，遠程控制中心I接收到巡檢結束消息，分析處理本次巡檢數據，形成巡檢報表，本次巡檢結束;巡檢人員可以在基站的巡檢時間實時監(jiān)控巡檢全程;也可以在巡檢完成后瀏覽巡檢報表;也可以定期通過歷史數據檢索，查看巡檢歷史數據。
[0069]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:包括遠程監(jiān)控中心和與其通信的若干個機器人終端，所述機器人終端包括控制機器人在三維空間運動的控制模塊，所述控制模塊驅動運動模塊，帶動機器人沿著軌道做X、Y和Z軸方向運動，行走到目標檢測位置，檢測模塊對該位置進行環(huán)境監(jiān)測，并將監(jiān)測數據傳輸給遠程監(jiān)控中心，在機器人行駛、監(jiān)測的過程中，安全防護模塊保持檢測障礙物和防止機器人出軌，所述遠程監(jiān)控中心對每個機器人終端進行調度。2.如權利要求1所述的一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:所述運動模塊，包括設置在機器人上的X軸、Y軸、Z軸三個運動機構和驅動各個運動機構的電機，驅動相應方向上的電機，使機器人沿著相應的方向進行運動，以沿著軌道到達三維空間的任意位置。3.如權利要求1所述的一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:所述控制模塊，包括至少一臺運動控制器和三臺伺服驅動器，運動控制器與伺服驅動器通過控制線纜連接，三臺伺服驅動器分別與運動模塊的不同的電機連接，運動控制器向伺服驅動器發(fā)送控制指令，伺服驅動器根據指令來驅動電機執(zhí)行相應的動作。4.如權利要求1所述的一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:所述機器人終端上還設有與遠程監(jiān)控中心通信的通訊模塊。通訊模塊為無線模塊時，通過網絡交換機與設置于遠程監(jiān)控中心的基站無線模塊通信。5.如權利要求1所述的一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:所述檢測模塊，包括溫濕度檢測模塊、可見光攝像機和紅外熱像儀，溫濕度檢測模塊檢測當前環(huán)境溫度，可見光攝像機實時記錄現(xiàn)場的環(huán)境，紅外熱像儀采集變電站內設備的溫度。6.如權利要求1所述的一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:所述安全防護模塊，包含安裝在機器人的不同方向上的超聲檢測模塊，檢測各個方向上可能存在的障礙物，并將將超聲信號轉換成障礙物的距離信息發(fā)送給運動控制器。7.如權利要求1所述的一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:所述安全防護模塊，包括設置在軌道上終端的限位開關模塊，且限位開關模塊與運動控制器相連，當機器人運動到軌道的兩側邊緣時限制機器人的運動，防止機器人出軌。8.如權利要求1所述的一種變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)，其特征是:所述運動控制器還連接有光電檢測模塊，檢測軌道上的障礙信息。9.基于如權利要求1-8中任一項所述的變電站室內巡檢機器人系統(tǒng)的巡檢方法，其特征是:具體包括以下步驟: (1)對室內環(huán)境建模，形成平面地圖，根據地圖上的障礙物規(guī)劃機器人的巡檢路徑； (2)遠程控制中心根據巡檢要求下發(fā)任務信息，并將任務發(fā)送到軌道機器人控制模塊，控制軌道機器人的X軸和Y軸運動，使機器人運動到平面地圖上目標檢測點； (3)當機器人到達目標檢測點時，停止移動X軸和Y軸，控制Z軸運動機構升降使機器人到達要檢測設備的高度，對準變電站設備進行檢測，并將檢測模塊檢測到的視頻和圖像數據通過通信模塊發(fā)送至遠程控制中心； (4)遠程監(jiān)控中心根據采集的視頻和圖像數據，基于模板匹配，對設備的狀態(tài)進行識另IJ，同時判斷被檢測設備溫度是否超過預警值，如果是則發(fā)出超溫報警； (5)繼續(xù)下一個檢測點的監(jiān)測，直至完成巡檢任務，機器人返回初始點，等待下個巡檢任務。10.如權利要求9所述的巡檢方法，其特征是:所述步驟(2)中，任務可以為定時巡檢任務，每到設定時間軌道機器人自動按照預設路線進行巡檢。
【文檔編號】B25J9/18GK105835063SQ201610388101
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】趙欣洋, 隋吉超, 侯亮, 劉婷, 王思, 楊稼祥, 唐鑫, 李磊, 葉濤, 趙希洋, 黃欣, 李敏, 靳武, 吳昊, 仇利輝, 陳洋
【申請人】國網寧夏電力公司檢修公司, 山東魯能智能技術有限公司