变电站巡视机器人自动导航定位的研究

王琳

摘要：自动化、智能化技术的发展，推动了电网改革的步伐。当下自动化技术在变电站设备巡检工作上，已有了广泛的应用。巡视机器人自动导航定位系统能保障机器人工作的有效性，有利于无人值守变电站的推广，是电力领域的一项创新。本文分析了变电站巡视机器人的总体结构、自动导航方法和自充电电源系统，以供参考。

关键词：变电站;巡视机器人;自动导航定位

前言：当下机器人的应用范围已逐渐扩大到了变电站巡检工作之中，利用巡检机器人，能解决变电站人工巡检中的许多常见问题，是推动无人值守变电站发展的基础。变电站巡视机器人导航方式有GPS定位、传感器导航及多种组合的导航方式，具有效率高、定位精准的优势。国内电气工程师在机器人图像识别、寻迹算法等方面技术也做出了重要的贡献。

1.变电站巡视机器人的应用意义

变电站为保持长期稳定的运行，需做好变电维护工作，实现高质量和及时的设备检测维护。变电站维护作业包括监视控制、巡视检修和大修技改这几个方面，负责检查、记录现场设备故障，解决故障问题，更换设备和技术改造等工作[1]。巡视则是检查电力设备发热、运行声音，其中人工巡视工作强度大，危险度高，在实际巡视中存在巡视质量差、积极性不强等问题。同时，不同巡视人员技术水平高低不齐，对业务的熟练程度會影响其巡视效果。而巡视机器人在变电站的应用。能实现巡视作业的标准化、统一化，能克服外界负面环境因素，大大减轻了人力劳动量，提高了巡视效率，是保障工作人员安全、降低员工劳动强度的重要措施、

2.巡视机器人总体结构

变电站巡视机器人以红外摄像仪、可见光摄像机为图像采集设施，通过自动或手动遥控的方式，来检查电气设备有无发热、漏油等故障，为运维人员提供故障先兆数据。

2.1 导航整体结构

巡视机器人整体结构相当于监控系统，由摄像机、无线通讯设备、传声器等组成。基站负责监控与管理移动本体，机器人信息数据汇集到网络集线器中，利用基站与移动本体组建的局域网，将信息发送至监控管理中心。

2.2 功能使用

变电站工作人员在监控中心下达指令后，指令经由无线通讯传输至巡视机器人，机器人启动并执行指令信息，开启自动导航，并移动到指定位置。之后，机器人识别到设备缺陷或故障后，会执行报警或直接消除操作。巡视机器人可通过摄像头来采集电力设备的图像和运行声音，来判断设备运行情况，若有故障则报警上传。无线通讯设备能使机器人与监控中心进行实时通信，将机器人反馈的报警信息可视化，显示在监控中心的显示器上[2]。

3.自动导航方法

3.1 图像采集

巡视机器人图像采集系统建立在计算机技术基础上，包括视觉传感器、图像采集与处理系统等。视觉传感器在摄像头捕捉到设备与线路图像后，将图像采集结果传输到视频处理软件中，通过计算机系统来分析设备运行状态。

3.2 移动控制系统

巡视机器人自动导航通过全局路径规划和局部路径规划来建模，其中，地理信息系统负责提供全局路径规划，选择路径最短的运动轨迹。局部路径规划是通过对现场环境的采集，并与全部路径规划结果进行对比，实时优化巡视机器人的最佳局部路径。计算结果通过可编程控制器，来实现对机器人各个电机速度的控制，从而完成巡视机器人自动运行的要求[3]。

3.3 寻迹定轨

若巡视机器人匀速前进，检测到设定在路边的金属片定轨时输出高电平，记为1，反之记为0。巡视机器人主控制器会定期采集传感器中1和0状态量，并与机器人内所有传感器状态量进行叠加，通过主控器的计算与对比，来判断机器人轨迹偏移程度，之后调节驱动方向，使机器人能依照预定轨迹方向行驶。

若机器人行进方向偏离预定轨中心线，偏向方向的传感器，输出的信号会更加密集，另一侧则信号稀疏。偏移程度过大时，传感器脱离检测范围，不会输出脉冲信号。变电站寻迹定轨铺设间隔一般为一米，每条金属横道铺设完成后，会按顺序编号并存储到主控器中。巡视机器人正常行驶时，会将采集到的编号顺序与编号表对比，来判断机器人实时位置。若需机器人前往指定位置，则可在远程控制中心上选择指定编号。机器人在预定轨迹上移动时，传感器采集信号并分析后，将结果传输至远程控制中心，工作人员可通过远程监控终端来向机器人下达急停、转移等指令，指令通过无线传感器接口和通信接口，连接到机器人微处理器，来完成操作[4]。

4.多媒体监控平台

多媒体监控平台由图像、声音检测单元、通信系统、远程控制中心组成。远程控制中心位于变电站集控时计算机上，通过无线通讯网络，来连接计算机通信系统。机器人内部计算机与站内无线路由器进行数据传输时，若距离WLAN较近，无线数据传输速度则要快于 3G/GPRS，反之则速度减慢。因而，WLAN链路是机器人导航无线通讯的备用链路。

5.自充电电源系统

电源是巡视机器人的运行动力，其状态决定了机器人能否正常运行。自动巡视机器人需要有一套全自动状态监测电源系统，充电管理是电源管理系统的一部分，负责检测电池电量，实现充放电过程控制、人机界面交互功能。根据机器人载重需要，配备相应数量的蓄电池，并实时监测携带型蓄电池电量状态，可根据蓄电池电流、采样时间等参数来计算其剩余电流百分比[5]。

为提高蓄电池电压测量精度，简化检测电路，蓄电池电量检测硬件由传感器、存储器等部件组成。传感器检测到电流值后，模数转换模块将电流信号转化为数字信号，通过计算来得出蓄电池剩余电量百分数，再显示在监控管理终端界面上。当剩余电量在 10% 以下时，蓄电池自动充电。

自动充电工作流程，是当巡视机器人电力下降到一个设定值时，机器人会利用剩余电力移动到指定充电位置。之后对接控制器发出命令，电机停止转动，启动馈电至动作，合上电源电路控制开关，机器人处于充电状态。充电完成后，对接控制器发出命令，电源开关断开，自动充电过程完成，巡检机器人进入待机状态，等待远程监控中心指令。

6.巡视机器人的未来发展前景

巡视机器人是电网自动化改造的重要组成，未来会有很大的需求量和广阔的发展前景与提升空间。

国内变电站超过2万座，未来将会实现全国范围内的智能变电站改造。若按每年改造率提升 10% 计算，则未来三年里需要 2000-3000台巡视机器人。结合配电网建设改造计划要求分析可得，未来五年内，我国变电站机器人需求量将会超过 10万台。

结束语：新时期国内变电站对巡视机器人的需求越发强烈。为提高变电站设备检测质量，减少人为因素的干扰，巡视机器人被引入电力系统中，为实现变电站自动化、推动电力事业改革发挥了重要的作用。巡视机器人连续、精确的定位检测，与多样化的导航模式，能够应用于各种工作环境中，大大减轻了运维工作量，是智能变电站和无人值守变电站推广的基础。

参考文献：

[1]王锐，牛姣蕾，彭向阳，岳卫兵，王柯，王硕.基于红外图像匹配的变电站机器人辅助导航技术[J].广东电力，2017，30（04）：120-124+136.

[2]江渊，刘珍，张慕婕，石旭刚，王骜.机器人智能导航技术在变电站的研究与应用[J].电工技术，2019（22）：126-127+142.

[3]向真，张欣，吕启深，张裕汉. 基于多传感器融合的变电站巡检机器人定位导航算法研究[C]. 中国自动化学会、杭州市人民政府、浙江省科学技术协会.2019中国自动化大会（CAC2019）论文集.中国自动化学会、杭州市人民政府、浙江省科学技术协会：中国自动化学会，2019：326-331.

[4]廖佳威. 变电站巡检机器人定位导航技术研究[D].成都理工大学，2019.

[5]代雅婷. 基于环境特征识别的移动机器人室内复合导航研究[D].武汉科技大学，2018.