一种变电站巡检机器人系统及巡检方法与流程

本发明涉及变电站巡检领域，具体是一种变电站巡检机器人系统及方法。

背景技术：

当前，随着自动化不断的发展与进步，各行各业的部分工作已逐渐由自动化机器人自动完成，不必再采用人工方式。由于自动化方式的便捷性和高效性，变电站的日常巡检工作由人工巡检方式逐渐演变为自动化的方式，即通过巡检机器人完成对变电站的日常巡检工作。

智能巡视机器人主要实现对变电站二次设备指示灯，屏柜硬压板、空气开关、转换开关、显示表记等设备的巡视和记录，实现机器人的自动导航巡视。智能巡视机器人需要具备良好的运动导航性能以及相应的升降系统完成对不同高度设备的巡视。

变电站巡检机器人的工作环境一般都是非结构化的，对变电站巡检机器人进行合理有效的控制是保证变电站巡检机器人正常工作的重要基础。目前对变电站巡检机器人的行走控制是通过在变电站巡检机器人内部安装导航系统，由变电站巡检机器人内部的导航系统沿着固定的轨道移动，当变电站巡检机器人沿着固定轨道移动时，由变电站巡检机器人的监控装置实时监控所经之处变电站的环境情况，将监控结果实时传输到显示终端供操作人员查看，从而实现对变电站的巡检工作。虽然该方式简单易行，但是由于在变电站内设定固定轨道，一方面会增加轨道铺设与维护的成本，另一方面，由于变电站巡检机器人只能沿着固定轨道移动，对于固定轨道之外的变电站环境，变电站巡检机器人的监控装置存在盲区，无法实现对变电站的全面巡检。由于变电站存在巡检盲区，从而增大了变电站的安全隐患。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提出一种变电站巡检机器人系统及方法，能够自动建立变电站巡视地图并能够在狭小路径自由穿梭，自动完成各二次设备的运行状态及信息采集。

一种变电站巡检机器人系统，包括移动机构、信息采集机构、控制机构；

其中，所述移动机构包括位于底部的移动平台，所述移动平台包括对称布置的四个麦克纳姆轮，所述四个麦克纳姆轮分别由电机单独驱动；

所述信息采集机构包括位于所述移动平台上的升降支架，以及安装在所述升降支架顶部的二次设备信息采集装置；

所述控制机构包括安装在移动平台上的控制器、二维激光雷达以及循迹传感器，所述二维激光雷达和循迹传感器连接到所述控制器；所述控制器用于接收二维激光雷达输出信号后首先采用slam导航算法生成场景地图并进行同步定位，然后根据所述场景地图中二次设备的位置进行巡检路径规划来控制巡检机器人依次运动到各二次设备所在位置，所述控制器再根据循迹传感器输出信号来对巡检机器人的位姿进行调整，驱动所述巡检机器人达到预设标志位置后控制所述二次设备信息采集装置工作。

进一步的，所述升降支架采用两段式同步带双滑轨，并通过步进电机驱动。

进一步的，所述控制器接收到循迹传感器输出信号后，计算所述巡检机器相对循迹路径的位置关系，通过逆运动学方程控制所述巡检机器实现对循迹路径的跟踪。

进一步的，所述循迹传感器为视频图像传感器，所述控制器接收到循迹传感器输出信号后，从图像信息中分离出循迹路径信息，实时获得所述巡检机器人相对所述循迹路径的偏距、偏角以及标志位置信息来控制所述麦克纳姆轮运动。

一种变电站巡检方法，采用上述变电站巡检机器人系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤1：确认变电站各二次设备巡检时需要采集的对象，以及所述对象的水平高度；

步骤2：对各二次设备进行建立唯一标识码，并根据巡检时需要采集的对象选择对应的二次设备信息采集装置；

步骤3：在各二次设备所采集对象的正前方地面设置一段循迹路径，所述循迹路径上设置停留标志；

步骤4：将各二次设备的唯一标识码以及所述对象的水平高度信息预先录入巡检机器人的控制器中，并设定所述巡检机器人的巡检频率；

步骤5：所述巡检机器人根据巡检频率自动对变电站各二次设备开始巡检，采用slam导航控制在各二次设备之间运动，并通过视觉循迹控制来对所述巡检机器人位姿进行调整，使所述巡检机器人准确运动到二次设备前的所述停留标志位置；

步骤6：所述巡检机器人控制升降支架运动，带动所述升降支架上装载的二次设备信息采集装置运行到对应的水平高度来对二次设备的运行状态信息进行采集；

步骤7：完成一个周期的二次设备巡检后，所述巡检机器人自动运行到充电桩位置进行自动充电，并将采集信息上传到远程中心，然后等待下一次巡检周期的开始。

进一步的，所述步骤3中，循迹路径为与二次设备平行设置的一段宽实线。

进一步的，所述步骤5中，采用slam导航控制在各二次设备之间运动，包括如下步骤：

步骤a1：巡检机器人在运动过程中通过编码器采集里程信息，然后通过运动模型得到巡检机器人的位姿初估计；

步骤a2：通过巡检机器人上的二维激光雷达采集场内数据，结合观测模型对巡检机器的位姿进行精确修正，得到巡检机器人的精确定位；

步骤a3：在精确定位的基础上，将二维激光雷达采集场内数据添加到栅格地图中；

步骤a4：巡检机器人尺寸在场内运动，重复步骤a1-步骤a4，直至完成场景地图的建立；

步骤a5：根据所述场景地图中各二次设备的位置进行巡检路径规划；

步骤a6：控制巡检机器人根据所述巡检路径依次运动到各二次设备所在位置。

进一步的，所述步骤5中，通过视觉循迹控制来对所述巡检机器人位姿进行调整，包括如下步骤：通过图像采集器采集包含所述循迹路径的图片，然后从图像信息中分离出循迹路径信息，实时获得所述巡检机器人相对所述循迹路径的偏距、偏角以及标志位置信息，通过逆运动学方程控制所述巡检机器实现对循迹路径的跟踪。

进一步的，所述巡检机器人相对所述循迹路径的偏距为l，偏角为a，若循迹路径位于巡检机器人中心点右侧时l>0，否则l<0；所述图像中经过所述巡检机器人中心点的垂直中心线到所述循迹路径的角度为逆时针时a>0，否则a<0。

本发明的一种变电站巡检机器人系统及方法，具备全向移动能力，可实现狭小路径的自由穿梭，通过slam导航实现巡视场景地图的生成以及路径规划，然后通过视觉循迹实现巡检机器人的高精度位姿调整，保证同一二次设备每次的巡视点位置相同，最后通过升降支架调整采集装置的高度来精确采集二次设备的运行状态及信息。

附图说明

图1为本发明巡检机器人的控制系统结构示意图；

图2为变电站自动巡检方法流程图；

图3为巡检机器人的循迹路径识别示意图；

图4为巡检机器人的导航定位示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种变电站巡检机器人系统，包括移动机构、信息采集机构、控制机构。

其中，移动机构包括位于底部的移动平台，移动平台包括对称布置的四个麦克纳姆轮，四个麦克纳姆轮分别由电机单独驱动。信息采集机构包括位于移动平台上的升降支架，以及安装在升降支架顶部的二次设备信息采集装置。升降支架采用两段式同步带双滑轨，并通过步进电机驱动，升降支架的控制精度可以达到1mm。二次设备信息采集装置为光学摄像头以及红外摄像头。

控制机构包括安装在移动平台上的控制器、二维激光雷达以及循迹传感器，二维激光雷达和循迹传感器连接到控制器。其中，移动平台的尺寸小于500mm*500mm；二维激光雷达的扫描距离为20m，测量范围为270度，扫描周期为25ms；循迹传感器为视频图像传感器。

如图1所示，控制器包括用于麦克纳姆轮驱动的运动控制器，用于升降支架控制的升降控制器，slam导航控制器，视觉循迹控制器以及主控制器。视觉循迹控制器用于执行slam算法。slam算法作用为同步与建图，属于现有技术。视觉循迹控制器作用类似，用于执行相应程序，实现通过视觉循迹控制来对巡检机器人位姿进行调整，使巡检机器人准确运动到二次设备前的停留标志位置。运动控制器控制装置各方向运动以及升降。二维激光雷达连接slam导航控制器，随着巡检机器人的运动，slam导航控制器根据二维激光雷达输出信号，采用slam导航算法生成场景地图并进行同步定位。slam导航具备高精度的特点，能够应对复杂的环境，并且不需要额外布置导航辅助设备。升降控制器与主控制器连接，用于在驱动巡检机器人最终达到预设的停留标志位置后，根据主控制器指令控制升降支架运动，带动升降支架上装载的二次设备信息采集装置运行到对应的水平高度来对二次设备的运行状态信息进行采集。

主控制器根据场景地图中二次设备的位置进行巡检路径规划来控制巡检机器人从起始位置依次运动到各二次设备所在位置，然后最终回到起始位置，并且该巡检机器人在起始位置能够完成自动充电。

如图2所示，利用上述变电站巡检机器人系统来进行变电站自动巡检方法，包括如下步骤：

步骤1：确认变电站各二次设备巡检时需要采集的对象，以及对象的水平高度。其中，采集的对象包括二次设备指示灯，屏柜硬压板、空气开关、转换开关、显示表记等。

步骤2：对各二次设备进行建立唯一标识码，并根据巡检时需要采集的对象选择对应的二次设备信息采集装置，一般为光学图像采集设备或红外图像采集设备。

步骤3：在各二次设备所采集对象的正前方地面设置一段循迹路径，循迹路径为与二次设备平行设置的一段宽实线，循迹路径上设置停留标志。

步骤4：将各二次设备的唯一标识码以及对象的水平高度信息预先录入巡检机器人的主控制器中，并设定巡检机器人的巡检频率。

步骤5：巡检机器人根据巡检频率自动对变电站各二次设备开始巡检，采用slam导航控制在各二次设备之间运动，并通过视觉循迹控制来对巡检机器人位姿进行调整，使巡检机器人准确运动到二次设备前的停留标志位置。

slam导航具备高精度的特点，能够应对复杂的环境，并且不需要额外布置导航辅助设备。采用slam导航控制在各二次设备之间运动包括如下步骤：

步骤a1：巡检机器人在运动过程中通过编码器采集里程信息，然后通过运动模型得到巡检机器人的位姿初估计；

步骤a2：通过巡检机器人上的二维激光雷达采集场内数据，结合观测模型对巡检机器的位姿进行精确修正，得到巡检机器人的精确定位；

步骤a3：在精确定位的基础上，将二维激光雷达采集场内数据添加到栅格地图中；

步骤a4：巡检机器人尺寸在场内运动，重复步骤a1-步骤a4，直至完成场景地图的建立；

步骤a5：根据场景地图中各二次设备的位置进行巡检路径规划；

步骤a6：控制巡检机器人根据巡检路径依次运动到各二次设备所在位置，如图4所示。

当移动到接近二次设备位置时，通过循迹传感器能够检测到循迹路径。通过视觉循迹控制来对巡检机器人位姿进行调整，包括如下步骤：

通过图像采集器采集包含循迹路径的图片，然后从图像信息中分离出循迹路径信息，实时获得巡检机器人相对循迹路径的偏距、偏角以及标志位置信息，通过逆运动学方程控制制麦克纳姆轮运动，以此来对巡检机器人的位姿进行调整，实现对循迹路径的跟踪。其中，巡检机器人相对循迹路径的偏距为l，偏角为a，若循迹路径位于巡检机器人中心点右侧时l>0，否则l<0；图像中经过所述巡检机器人中心点的垂直中心线到循迹路径的角度为逆时针时a>0，否则a<0，如图3所示。

步骤6：驱动巡检机器人最终达到预设的停留标志位置后，控制升降支架运动，带动升降支架上装载的二次设备信息采集装置运行到对应的水平高度来对二次设备的运行状态信息进行采集。完成该二次设备信息采集后，再通过slam导航控制器按照巡检路径导航到下一个二次设备，再通过视觉循迹控制器来控制巡检机器人位姿调整后采集二次设备信息，按照该过程以此完成各二次设备的巡检。

步骤7：完成一个周期的二次设备巡检后，巡检机器人自动运行到充电桩位置进行自动充电，并将采集信息上传到远程中心，然后等待下一次巡检周期的开始。

本巡检方法即预先在各二次设备前的地面设置一段循迹路径标记，并在循迹路径上设置巡检机器人最终停留的标志位置。巡检机器人首先在slam导航控制器的控制下，按照巡检路径移动，当移动到接近二次设备位置时，通过循迹传感器能够检测到循迹路径。具体是：视觉循迹控制器接收到循迹传感器输出信号后，从图像信息中分离出循迹路径信息，实时获得巡检机器人相对循迹路径的偏距、偏角以及标志位置信息。然后通过逆运动学方程控制麦克纳姆轮运动，以此来对巡检机器人的位姿进行调整，实现巡检机器人对循迹路径的跟踪。驱动巡检机器人最终达到预设标志位置后控制二次设备信息采集装置工作，完成该二次设备信息采集后，再通过slam导航控制器按照巡检路径导航到下一个二次设备，再通过视觉循迹控制器来控制巡检机器人位姿调整后采集二次设备信息，按照该过程以此完成各二次设备的巡检。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。