一种变电站巡检机器人的制作方法

本发明属于智能机器人技术领域，特别是一种变电站巡检机器人。

背景技术

随着智能电网系统的发展，变电站、电力线的覆盖范围越来越广，在给人们的生活带来便利的同时也为设备的检修维护带来了不少新的问题。在日常的维护中，若是采用传统的人工巡检方式，不仅会耗费大量的人力，还会造成工作效率低下的情况，同时巡检的覆盖率，及时性以及准确性也无法得到保证。针对人工巡检可能带来的种种问题，利用变电站巡检机器人来代替人工巡检逐渐成为一种趋势。

传统的变电站巡检机器人多是采用可充电的锂电池进行充电，由于锂电池在0℃以下时放电效率下降严重，因此大多数巡检机器人由于续航问题都无法应用在我国西部的边远地区。另外，由于巡检机器人自身高度上的缺陷，高空处的一些设备往往难以有效地采集到信息，不能完全地达到取代人工巡检的作用。现有的巡检机器人多是两驱加万向轮或者四驱结构，前者虽然转弯半径小、运动灵活但是越障能力较差，而后者虽然越障能力强但是只能差速转向的方式使得转弯半径较大，不能适应道路偏窄的情况，容易出现跌落情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够适应极端气候、有效采集高空设备信息的变电站巡检机器人，同时兼具较强的越障能力与零转弯半径。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种变电站巡检机器人，包括机器人本体、数据采集模块、主控模块、运动控制模块、温度控制模块、通信模块、电源管理模块，其中：

所述机器人本体采用四轮机器人小车的结构，包括底部的四个轮子以及轮子上方的主体，主体的舱体由外壳完全覆盖，主体的下方设有底板，以机器人行进方向为前方，外壳的顶部前端设有云台，云台的升降杆由机器人主控模块控制；

所述数据采集模块利用传感器进行周围环境的检测，包括检测视频图像、红外温度、实时位置、运行状态，并将检测到的信息传递给机器人主控模块；

所述主控模块是机器人的数据处理和逻辑控制中心；

所述运动控制模块对机器人的各运动部件的动作进行集中控制，与机器人行进机构进行配合以完成机器人行走控制，与升降机构进行配合以完成云台的升降控制；

所述温度控制模块包括风扇、温度传感器、电加热器以及plc，其中温度传感器设置在主体的外壳的内侧壁上，电加热器以及plc均设置在主体内部，在主体的外壳前、后壁上方分别开孔设置风扇；

所述通信模块采用无线通信方式，将视频图像、红外温度、实时位置、运行状态的数据实时传输到本地后台监控子系统；

所述电源管理模块为系统各模块正常工作提供所需要的电源。

进一步地，所述数据采集模块包括热成像仪、可见光摄像头、激光雷达、拾音器、摄像头、小型激光雷达、超声波雷达，其中：

所述可见光摄像头与热成像仪一同固定于云台上，云台能够实现水平方向360°连续旋转以及俯仰方向-45°～60°的旋转；

所述拾音器、激光雷达、补光灯、摄像头、小型激光雷达从上至下设置于主体前端；拾音器通过拾音器固定支架固定于激光雷达固定支架上部，用于采集现场设备噪声；激光雷达固定于激光雷达固定支架中部，基于激光slam算法进行自主定位和导航；摄像头通过支架固定于底板的前端，用于采集路面信息，辅助导航，所述补光灯为摄像头补充光线；小型激光雷达通过支架固定于机器人主体前端的底部，小型激光雷达与地面的高度为30cm，扫描范围设置为宽于车身的矩形区域，安装时与竖直线的夹角设置为25°；

超声波雷达通过支架固定于底板的后端，通过超声波测距原理实时检测机器人与地面的高度，防止机器人在后退时出现跌落的现象。

进一步地，所述主控模块的功能具体包括以下几点：

1)接收来自热成像仪的数据信息，进行设备温度的获取及超温、差温的判定；

2)接收来自可见光摄像头的数据信息，进行供电设备所含仪表盘指针数据、数显数据、运行状态灯、开关及刀闸状态的识别；

3)接收来自激光雷达的数据信息，通过运用slam算法进行自主定位导航；

4)接收来自拾音器的数据信息，通过对音频进行分析处理，判断现场设备的运行状态是否有异常；

5)接收来自小型激光雷达以及超声波雷达的数据信息，进行前行方向上的障碍识别以及实现后退过程中的防跌落功能；

6)接收来自后台的巡检任务指令，根据下发的任务自主完成巡检作业管理。

进一步地，所述温度控制模块中，温度传感器实时检测主体的温度，并将数据通过rs485通讯传递给plc，plc根据电池的最佳工作温度范围预设有温度上限值tmax、下限值tmin以及常温值t，plc将检测到的温度值与预设的温度上下限作比较，如果检测到的温度值超过了tmax，plc下发指令打开风扇进行降温，直至温度降到t时关闭风扇；如果检测到的温度值低于tmin，plc下发指令打开电加热器进行加热，直至温度升到t时关闭加热器。

进一步地，所述机器人行进机构包括运动伺服电机、转向伺服电机、旋转平台以及车轮；

当机器人直线行驶时，四个运动伺服电机分别给同轴连接的车轮提供动力，进而带动机器人向前或向后运动；当机器人在道路拐角需要进行转弯时，机器人首先停止运动，然后四个转向伺服电机分别驱动对应旋转平台，旋转平台再带动对应的车轮原地转动45°，使得机器人前面两个车轮变成内“八”模样、后面两个车轮变成外“八”模样，然后根据左转还是右转由运动伺服电机驱动车轮进行旋转直至机器人车体转过-90°或90°，最后再由四个转向伺服电机分别驱动对应旋转平台，旋转平台再带动对应的车轮按与之前相反方向原地转动45°，使得四个车轮回到直线行驶的位置。

进一步地，所述升降机构包括搭载检测设备的云台和设置在主体内部前端的升降杆，将云台固定于升降杆上，通过同时改变升降杆的高度以及云台的姿态，使机器人对高空设备进行信息采集。

进一步地，所述通信模块中的无线通信设备包括设置于主体内部的无线ap及双ap天线、设置于主体内部的zigbee模块及zigbee天线，双ap天线和zigbee天线均设置于外壳顶部的后端。

进一步地，所述电源管理模块包括电池，电池置于主体的舱体内，外壳的后壁开设电池舱口和自充充电插口，电池舱口用于将电池从主体内取出或置入；

所述电源管理模块的功能包括电压转换、电压监测以及自主充电，自主充电功能基于自主导航定位算法，当机器人检测到电量低于阈值时便返回充电屋进行充电，自充充电插口内设置有一对充电电极，与充电屋内的自动充电插座相互配合以完成自主充电。

进一步地，该机器人还包括报警模块，所述报警模块通过状态指示灯发送声音、灯光信号来传递机器人当前状态；所述状态指示灯设置于机器人主体的外壳的后端，能够通过颜色的变化来指示当前机器人的状态，同时状态指示灯包含了一个扬声器模块，扬声器模块能够发出提示音，进一步对工作人员进行指示。

进一步地，该机器人还包括保护机构，所述保护机构包括防护罩、风琴罩；所述防护罩固定于云台上，包裹可见光摄像头以及热成像仪，用于可见光摄像头和热成像仪的防护；风琴罩设置于升降杆外侧，用于保护升降杆，同时防止雨水和尘土通过缝隙进入机器人主体内部。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过风扇和加热器对电池进行温度控制，使得电池能够工作在更加严酷的环境之中；(2)固定于升降推杆上的云台上的高清摄像机和热成像仪，能够拥有比其他产品更好的视角，提高图像的识别率，提高后期图像分析的准确度；(3)全向全驱的运动结构极大地提高了机器人的越障爬坡能力，同时可原地转向的运动方式实现了0转弯半径，即使在较窄的道路上也可以很安全地完成转弯。

附图说明

图1是本发明变电站巡检机器人的整体结构正面示意图。

图2是本发明变电站巡检机器人的整体结构左面示意图。

图3是本发明变电站巡检机器人的整体结构的后侧示意图。

图4是本发明变电站巡检机器人的模块结构图。

图中标号如下：1、热成像仪；2、防护罩；3、可见光摄像头；4、ap天线；5、风琴罩；6、云台；7、zigbee天线；8、主体；9、风扇；10、激光雷达固定支架；11、运动伺服电机；12、车轮；13、拾音器固定支架；14、拾音器；15、激光雷达；16、补光灯；17、摄像头；18、小型激光雷达；19、旋转平台；20、转向伺服电机；21、状态指示灯；22、外壳；23、超声波雷达；24、底板；25、电池舱口；26、自充充电插口。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

结合图1～4，本发明变电站巡检机器人，包括机器人本体、数据采集模块、主控模块、运动控制模块、温度控制模块、通信模块、电源管理模块，其中：

所述机器人本体采用四轮机器人小车的结构，包括底部的四个轮子以及轮子上方的主体8，主体8的舱体由外壳22完全覆盖，主体8的下方设有底板24，以机器人行进方向为前方，外壳22的顶部前端设有云台6，云台6的升降杆由机器人主控模块控制；

所述数据采集模块利用传感器进行周围环境的检测，包括检测视频图像、红外温度、实时位置、运行状态，并将检测到的信息传递给机器人主控模块；

所述主控模块是机器人的数据处理和逻辑控制中心；

所述运动控制模块对机器人的各运动部件的动作进行集中控制，与机器人行进机构进行配合以完成机器人行走控制，与升降机构进行配合以完成云台6的升降控制；

所述温度控制模块包括风扇9、温度传感器、电加热器以及plc，其中温度传感器设置在主体8的外壳22的内侧壁上，电加热器以及plc均设置在主体8内部，在主体8的外壳22前、后壁上方分别开孔设置风扇9；

所述通信模块采用无线通信方式，将视频图像、红外温度、实时位置、运行状态的数据实时传输到本地后台监控子系统；

所述电源管理模块为系统各模块正常工作提供所需要的电源。

作为一种具体示例，所述数据采集模块包括热成像仪1、可见光摄像头3、激光雷达15、拾音器14、摄像头17、小型激光雷达18、超声波雷达23，其中：

所述可见光摄像头3与热成像仪1一同固定于云台6上，云台6能够实现水平方向360°连续旋转以及俯仰方向-45°～60°的旋转；

所述拾音器14、激光雷达15、补光灯16、摄像头17、小型激光雷达18从上至下设置于主体8前端；拾音器14通过拾音器固定支架13固定于激光雷达固定支架10上部，用于采集现场设备噪声；激光雷达15固定于激光雷达固定支架10中部，基于激光slam算法进行自主定位和导航；摄像头17通过支架固定于底板24的前端，用于采集路面信息，辅助导航，所述补光灯为摄像头补充光线；小型激光雷达18通过支架固定于机器人主体8前端的底部，小型激光雷达18与地面的高度为30cm，扫描范围设置为宽于车身的矩形区域，安装时与竖直线的夹角设置为25°；

超声波雷达23通过支架固定于底板24的后端，通过超声波测距原理实时检测机器人与地面的高度，防止机器人在后退时出现跌落的现象。

作为一种具体示例，所述主控模块的功能具体包括以下几点：

1)接收来自热成像仪1的数据信息，进行设备温度的获取及超温、差温的判定；

2)接收来自可见光摄像头3的数据信息，进行供电设备所含仪表盘指针数据、数显数据、运行状态灯、开关及刀闸状态的识别；

3)接收来自激光雷达15的数据信息，通过运用slam算法进行自主定位导航；

4)接收来自拾音器14的数据信息，通过对音频进行分析处理，判断现场设备的运行状态是否有异常；

5)接收来自小型激光雷达18以及超声波雷达23的数据信息，进行前行方向上的障碍识别以及实现后退过程中的防跌落功能；

6)接收来自后台的巡检任务指令，根据下发的任务自主完成巡检作业管理。

作为一种具体示例，所述温度控制模块中，温度传感器实时检测主体8的温度，并将数据通过rs485通讯传递给plc，plc根据电池的最佳工作温度范围预设有温度上限值tmax、下限值tmin以及常温值t，plc将检测到的温度值与预设的温度上下限作比较，如果检测到的温度值超过了tmax，plc下发指令打开风扇9进行降温，直至温度降到t时关闭风扇9；如果检测到的温度值低于tmin，plc下发指令打开电加热器进行加热，直至温度升到t时关闭加热器。

作为一种具体示例，所述机器人行进机构包括运动伺服电机11、转向伺服电机20、旋转平台19以及车轮12；

当机器人直线行驶时，四个运动伺服电机11分别给同轴连接的车轮12提供动力，进而带动机器人向前或向后运动；当机器人在道路拐角需要进行转弯时，机器人首先停止运动，然后四个转向伺服电机20分别驱动对应旋转平台19，旋转平台19再带动对应的车轮12原地转动45°，使得机器人前面两个车轮12变成内“八”模样、后面两个车轮12变成外“八”模样，然后根据左转还是右转由运动伺服电机11驱动车轮12进行旋转直至机器人车体转过-90°或90°，最后再由四个转向伺服电机20分别驱动对应旋转平台19，旋转平台19再带动对应的车轮12按与之前相反方向原地转动45°，使得四个车轮12回到直线行驶的位置。

作为一种具体示例，所述升降机构包括搭载检测设备的云台6和设置在主体8内部前端的升降杆，将云台6固定于升降杆上，通过同时改变升降杆的高度以及云台6的姿态，使机器人对高空设备进行信息采集。

作为一种具体示例，所述通信模块中的无线通信设备包括设置于主体8内部的无线ap及双ap天线4、设置于主体8内部的zigbee模块及zigbee天线7，双ap天线4和zigbee天线7均设置于外壳22顶部的后端。

作为一种具体示例，所述电源管理模块包括电池，电池置于主体8的舱体内，外壳22的后壁开设电池舱口25和自充充电插口26，电池舱口25用于将电池从主体8内取出或置入；

所述电源管理模块的功能包括电压转换、电压监测以及自主充电，自主充电功能基于自主导航定位算法，当机器人检测到电量低于阈值时便返回充电屋进行充电，自充充电插口26内设置有一对充电电极，与充电屋内的自动充电插座相互配合以完成自主充电。

作为一种具体示例，该机器人还包括报警模块，所述报警模块通过状态指示灯21发送声音、灯光信号来传递机器人当前状态；所述状态指示灯21设置于机器人主体8的外壳22的后端，能够通过颜色的变化来指示当前机器人的状态，同时状态指示灯21包含了一个扬声器模块，扬声器模块能够发出提示音，进一步对工作人员进行指示。

作为一种具体示例，该机器人还包括保护机构，所述保护机构包括防护罩2、风琴罩5；所述防护罩2固定于云台6上，包裹可见光摄像头3以及热成像仪1，用于可见光摄像头3和热成像仪1的防护；风琴罩5设置于升降杆外侧，用于保护升降杆，同时防止雨水和尘土通过缝隙进入机器人主体8内部。

实施例1

本发明变电站巡检机器人包括主体8，主体8设置在底板24之上，主体8底部四角设置有车轮12，4个车轮12支撑着底板24，每个车轮12内侧设置有运动伺服电机11，主体8两侧位置设置有旋转平台19以及转向伺服电机20。

主体8设有外壳22，云台6通过固定于底板24上的升降杆设置于主体8的外壳22顶部的前端，可见光摄像头3与热成像仪1均设置于云台6上，且能够随升降杆进行上下移动；主体8的外壳22顶部后端设置有ap天线4、zigbee天线7和状态指示灯21；主体8的外壳22前壁左上方以及后壁右上方开孔设置有风扇9；主体8的前端从上至下依次设置拾音器14、激光雷达15、补光灯16、摄像头17、小型激光雷达18；主体8的外壳22后壁设置电池舱口25、自充充电插口26；主体8的后端设置有超声波雷达23，

可见光摄像头3与热成像仪1外侧设置有防护罩2；升降杆外侧设置有风琴罩5；底板24前端设置有激光雷达固定支架10，激光雷达15固定于激光雷达固定支架10中部；拾音器固定支架13固定在激光雷达固定支架10上部，拾音器14固定于拾音器固定支架13上。

如图1～3所示，机器人控制模块包括主控模块、温度控制模块、电源管理模块、运动控制模块以及通信模块，位于主体8内部；

数据采集模块利用机器人所配备的传感器进行周围环境的检测，并将相关信息传递给机器人主控模块，包括热成像仪1、可见光摄像头3、激光雷达15、拾音器14、摄像头17、小型激光雷达18、超声波雷达23。

热成像仪1用于变电站设备测温，可见光摄像头3用于采集道路和现场表计信息，可见光摄像头3与热成像仪1一同固定于云台6上，云台6可以实现水平方向360°连续旋转以及俯仰方向-45°～60°的旋转，极大地提高了巡检的效率；拾音器14通过拾音器固定支架13固定于激光雷达固定支架10上部，用于采集现场设备噪声；激光雷达15固定于激光雷达固定支架10中部，基于激光slam算法进行自主定位和导航；小型激光雷达18通过小支架固定于机器人主体8前端的底部，小型激光雷达18与地面的高度为30cm，所选型号是sick公司的tim351，将扫描范围设置为比车身稍宽的矩形区域，安装时与竖直线的夹角设置为25°，这样根据勾股定理当障碍物位于机器人前方0.5m时，根据小型激光雷达18传回的距离值可以判断出障碍物的高度是否高于6cm，如果高于6cm便及时停止运动并记录下前方有障碍的信息，否则将其看作类似于公路上减速带的物体，直接行驶过去，这样的避障处理方法既保障了机器人的自身安全，又避免了检测到细小障碍物便停车的不合理性；摄像头17通过支架固定于底板24的前端，用于采集路面信息，辅助导航；超声波雷达23通过支架固定于底盘24的后端，通过超声波测距原理实时检测机器人与地面的高度，防止机器人在后退时出现跌落的现象。

温度控制模块包括风扇9、温度传感器、电加热器以及plc。温度传感器设置在主体8的外壳22的内侧壁上，电加热器以及plc均设置在本体8内部，在主体8的外壳22前壁左上方以及后壁右上方分别开孔设置了两个风扇9。温度传感器实时检测机器人主体8温度，并将数据通过rs485通讯传递给plc，plc根据电池的最佳工作温度范围预设有温度上限25℃、下限5℃以及常温值15℃，plc将检测到的温度值与预设的温度上下限作比较，如果检测到的温度值超过了25℃，plc下发指令打开前后风扇9加快空气流通起到降温的作用，直至温度降到15℃才关闭风扇9；如果检测到的温度值低于5℃，plc下发指令打开电加热器进行加热，直至温度升到15℃才关闭加热器。这样的设计可以将电池的工作环境温度保持在5℃～25℃，同时不会对风扇9和加热器频繁进行开关操作，使得机器人电池即使在乌鲁木齐这样具有极端气候的地区也可以正常地工作。

电源管理模块主要为系统各模块正常工作提供所需要的电源，电池可在一定时间内持续稳定的具有电能，是整个机器人正常运作的基础，且电池可通过打开电池舱口25很方便地从主体8内取出，极大地简化了后期地维修更换工作。该模块主要功能包括电压转换、电压监测以及自主充电，自主充电功能基于自主导航定位算法，当机器人检测到电量低于20％时便返回充电屋进行充电，自充充电插口26内设置有一对充电电极，与充电屋内的自动充电插座相互配合以完成自主充电。

运动控制模块对机器人的各运动部件的动作进行集中控制，与机器人行进机构进行配合以完成机器人行走控制，与升降机构进行配合以完成云台6的升降控制。

行进机构主要包括运动伺服电机11、转向伺服电机20、旋转平台19以及车轮12。当机器人直线行驶时，四个运动伺服电机11分别给同轴连接的车轮12提供动力，进而带动机器人向前或向后运动；当机器人在道路拐角需要进行转弯时，机器人首先停止运动，然后四个转向伺服电机20分别驱动对应旋转平台19，旋转平台19再带动对应的车轮12原地转动45°，使得机器人前面两个车轮12变成内“八”模样、后面两个车轮12变成外“八”模样，然后根据左转还是右转由运动伺服电机11驱动车轮12进行旋转直至机器人车体转过-90°或90°，最后再由四个转向伺服电机20分别驱动对应旋转平台19，旋转平台19再带动对应的车轮12按与之前相反方向原地转动45°，使得四个车轮12回到直线行驶的位置。这样的全向全驱的运动方式不仅在直线行驶时能极大地提高机器人的运行速度以及增强爬坡越障能力，而且可以实现0转弯半径地变向，使得机器人即时在较窄的道路上也可以很安全地工作。

升降机构主要包括搭载检测设备的云台6和设置在主体8内部前端的升降杆，特别的将云台6固定于升降杆上，通过同时改变升降杆的高度以及云台6的姿态，使得机器人对高空设备的信息采集也可以清晰而准确，真正实现覆盖到全设备的巡检功能。

主控模块是机器人的数据处理中心和逻辑控制中心，主要功能包括以下几点：(1)接收来自热成像仪1的数据信息，进行设备温度的获取及超温、差温的判定；(2)接收来自可见光摄像头3的数据信息，进行供电设备所含仪表盘指针数据、数显数据、运行状态灯、开关及刀闸状态等的识别；(3)接收来自激光雷达15的数据信息，通过运用slam算法进行自主定位导航；(4)接收来自拾音器14的数据信息，通过对音频进行分析处理，判断现场设备的运行状态是否有异常；(5)接收来自小型激光雷达18以及超声波雷达23的数据信息，进行前行方向上的障碍识别以及实现后退过程中的防跌落功能(6)接收来自后台的巡检任务指令，根据下发的任务自主完成巡检作业管理(定时自动巡检、指令巡检)。

通信模块为无线通信方式，该模块主要功能为机器人通过无线通信设备将视频图像、红外温度、实时位置、运行状态等数据实时传输到本地后台监控子系统，无线通信设备主要包括设置于主体8内部的无线ap及双ap天线4、设置于主体8内部的zigbee模块及zigbee天线7，双天线的设计有利于增强传输信号的质量。

报警模块的功能在于通过发送人眼可见、人耳可听的信息方便现场人员得知机器人当前状态，从而做出及时适当的应对，包括但不限于状态指示灯21以及状态提示音，状态指示灯21位于机器人主体8的外壳22的后端，能够通过颜色的变化来指示当前机器人的状态，同时状态指示灯21包含了一个扬声器模块，扬声器模块能够发出提示音，进一步对工作人员进行指示。

保护机构的作用在于提升机器人的防护等级，以便使得机器人能够适应更加复杂恶劣的环境，包括但不限于防护罩2、风琴罩5以及外壳22，所述防护罩2固定于云台6上，包裹住了可见光摄像头3以及热成像仪1，用于可见光摄像头3和热成像仪1的防护；风琴罩5位于升降杆外侧，用于保护升降杆，同时防止雨水和尘土通过缝隙进入机器人主体8内部；外壳22能够将上述机器人主体8的舱体部分完全覆盖，以起到保护作用。

综上所述，本发明变电站巡检机器人，通过风扇和加热器对电池进行温度控制，使得电池能够工作在更加严酷的环境之中。固定于升降推杆上的云台上的高清摄像机和热成像仪，能够拥有比其他产品更好的视角，提高图像的识别率，提高后期图像分析的准确度。全向全驱的运动结构极大地提高了机器人的越障爬坡能力，同时可原地转向的运动方式实现了0转弯半径，即使在较窄的道路上也可以很安全地完成转弯；通过双天线设置，保证远距离状况下的通信质量。