一种具有图像功能的电力巡检自站立移动机器人

叶思琪，刘 飘，罗金满，余 凌，王湘女

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523008）

0 引言

电力系统及其附属的大量电气设备长时间不间断运行过程中，通常采用定期巡检等方式对电力系统或设备进行排查，以便及时发现有故障甚至潜在故障的电力设备。当前电力设备巡检，多需要运维人员携带对应设备，到电力现场进行电气设备的逐一巡检，存在工作量大、效率低的问题。

针对当前人工巡检效果过于依赖人工经验的问题，电力领域也逐步采用移动机器人进行电气设备的巡检［1-4］。尤其对于地形复杂、环境恶劣、高压危险的特种电力区域的巡检工作，依靠人工进行巡检存在不及时、人工投入大、效率低、危险性高等缺点，采用移动机器人巡检有助于解决上述问题［5-8］。目前巡检机器人最常用的移动结构多为轮式或挂轨式。轮式移动结构简单，操作方便，但其地形适应能力较差，仅适用于较为平坦的地面，如因外部环境如地面摩擦力不足、地方陡峭或者启动、急停时都会导致机器人失稳摔倒。挂轨式机器人巡检有精确的定位精度和响应速度，如文献［9］开发了一款具有云台升降功能的挂轨式巡检机器人，提高了海上升压站巡检智能化水平。但以上两种移动结构的机器人大多存在跌倒后无法自站立或运动路径单一的问题，本项目将研发一种具有自站立功能的巡检机器人。

自站立功能巡检机器人将借鉴人体行走的机理，研发一种跌倒后可自站立的机器人，解决当前电力领域机器人普遍存在的不可自站立的问题，同时辅以高清摄像头，进行特种电力区域的运行状况和环境拍摄，实现特种电力区域信息的记录和检测，同时兼具智能巡线、自动避障等功能。

1 自站立机器人原理

轮式移动机器人具有较为固定的前进方式，与地面的接触面积大，前行稳定性较好，控制方式较为简单，因此，在当前的电力巡检中得到广泛应用。但是轮式移动机器人只适用于地面平稳的电力应用场景，对于路面不平整或障碍物较多的电力巡检应用，则受限太多无法很好完成巡检任务［10-12］。

随着机器人技术的发展，具有脚足的自站立机器人逐步得到了应用，尤其在地面曲折、台阶较多等复杂地理的电力巡检，具有脚足的自站立机器人能够完成轮式移动机器人无法完成的巡检任务，而且具有自站立功能，能避免机器人意外摔倒时无法重新站立，从而不能继续巡检的弊端。

自站立机器人由物理手足、执行模块、驱动模块和控制模块等主要模块组成，如图1 所示。物理手足是机器人的物理本体，完成机器人的肢体支撑、行走摆动以及抓持工件等特定动作，物理手足数量根据所需完成的任务来决定［13-14］。对于电力巡检来说，巡检机器人的物理手足数量越多，自站立机器人灵活性越好，但控制难度也更大，所需的控制要求也更高。

图1 自站立机器人原理图Fig.1 Schematic diagram of self-standing robot

执行模块和驱动模块是实现自站立机器人灵活控制的直接操作单元，共同协作完成自站立机器人的脚足摆动站立、倾斜、卧倒、前行甚至跨越等对应动作。自站立机器人执行模块和驱动模块的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为自站立机器人的自由度，自由度越多，自站立机器人的灵活性越大，通用性越广，但结构也越复杂。

控制系统是自站立机器人的“大脑”，通过接收传感器的位置、速度等信息，完成自站立机器人的方位、状态识别并进行路径规划等功能，将下一步需要完成的功能，通过执行模块和驱动模块反馈到物理脚足，操作物理脚足执行对应动作。

2 自站立机器人信息模型

图2 自站立机器人信息模型图Fig.2 Information model diagram of self-standing robot

传统的机器人信息来源，多依赖于位置传感器、速度传感器等纯数值型的传感数据，为了提高机器人的状态精度，通常需要布置大量的传感器，增加了机器人设计的成本［19-22］。另外，仅靠机器人纯数值型的传感数据，获得机器人自身的地理位置信息，不容易获悉周边环境的信息，尤其无法从全局上全面了解机器人的位置以及精准掌握下一步的最优行动路径。

因此，本文设计的自站立机器人，在传统机器人配备的位置传感器、速度传感器基础上，配备自由度高清晰广角摄像头，该摄像头不仅可以实时采集机器人自身的位移信息，与位置传感器、速度传感器构建基于数值和图像数据融合的自站立机器人信息模型。自站立机器人实时采集摄像头所拍摄的图像信息，首先进行灰度化、几何变换、图像增强等图像预处理技术，提高所采集的机器人图像信息的可用度，并基于所构建的机器人采样数值、图像多样信息融合模型，不仅可以更加精准地确定机器人位置方位、是否跌倒等关键信息，而且还可以通过图像获悉障碍物等周边环境信息，为自站立移动机器人设计能完成视觉巡线、自动避障、自主站立等功能提供有力的信息模型支撑。

3 主要硬件电路设计

自站立机器人的具体电路设计上，在遵循经典的“感知-分析运算-执行”的3 个控制逻辑基础上，结合当前最新的半导体发展技术，在“感知-分析运算-执行”3 个环节都采用对应的先进技术，更好发挥自站立机器人的性能［23-25］。在感知环节，采用位置感知和图像感知相结合的全域地理感知方式，避免自站立机器人陷入局部甚至不可跨越障碍物的前进路径搜寻。在分析运算环节，由于采用了高级算法进行自站立机器人的位置分析、路径规划等应用，涉及的算法较为复杂、耗时较大［26-35］，因此采用具有浮点计算功能的高性能数字信号控制器作为主控制器［23-25］。对于自站立机器人，涉及多个自站立机器人脚足的控制，控制环节较多，需要选用控制接口丰富的控制器。

具体表现在，首先通过位置传感器实时采集机器人的物理位置，并通过图像传感器采集机器人周边地理环境，实现机器人含周边环境及其前进路径规划的全域地理信息收集。在位置地理传感信息收集基础上，通过位置判断、路径规划等高级应用算法，自站立机器人的控制器采用具有主频高、计算能力强的数字信号控制器，实现复杂算法的高效运行。自站立机器人脚足主要是实现PWM 控制，涉及到的PWM 接口控制多。

综合自站立机器人的设计方案，选择经典的控制单元F28335 作为主控制器。F28335 具有丰富的内置AD 采样模块，可以进行位置等传感信息的模数转换，形成传感信息的数字量；F28335具有数字信号控制体系的高性能浮点计算功能，可以同时高效完成自站立机器人位置判断、路径规划等复杂算法；最重要的是，F28335 控制器本身具有多个PWM 控制接口，可以方便地进行自站立机器人脚足PWM控制输出。

自站立移动机器人以F28335控制器为核心，并由传感器模块、高清摄像头、锂电池供电及其人机界面模块、通信模块、PWM 信号输出放大及电机执行电路模块、通信模块、机器人脚足以及铝合金支架等主要模块组成，如图3所示。

图3 自站立机器人硬件设计Fig.3 Hardware design of self-standing robot

传感器模块方面，采用速度传感器、足端传感器等多传感器融合及时检测机器人步行状态，防止机器人摔倒或在摔倒后及时做出应对措施。所配备的足端传感器可以准确获得脚步支撑信息，足端传感器为可拆卸部件，如不需要可去除。

锂电池供电及其人机界面模块方面，机器人采用锂电池为整机进行能量供应，并配备当前锂电池容量显示界面，实时提醒运行人员当前锂电池的容量情况，防止自站立机器人工作过程中由于电量不足导致工作异常。

PWM 信号输出放大及电机执行电路模块，直接决定了自站立机器人的性能。本设计充分利用F28335 控制器自身配备的充足PWM 接口，只需直接将PWM 接口管脚接入驱动放大电路，并驱动电机进行自站立机器人的位移。自站立机器人转动的角度是由调整PWM 波的脉冲宽度来决定的，其脉冲宽度与电机的转角相对应。自站立机器人每一条脚足的关节处都有小型电机，小型电机的作用是驱动自站立机器人脚足实现转动，驱动机器人实现肢体的前进和后退移动行走，在自站立机器人跌倒时，还具有自站立功能。

通信接口方面，自站立机器人配备多种通信方式以满足不同电力应用巡检要求，首先利用F28335控制器自身配备的UART 接口，方便扩充成当前电力应用现场常见的RS485通信接口。该自站立机器人进一步配备4G通信模块，可以将自站立机器人采集到的电力巡检信息，高效地传递到远方的运维中心，减少运维人员到现场的需求。

高清摄像头是本设计的重点之一，采用高清晰广角摄像头对巡检现场进行记录，灵活广泛的摄像角度极大方便巡检人员的观测，甚至可以到达人工无法观测的位置。自站立机器人采用改造过的海康威视的云台摄像头7533IW-A 进行信息采集，头部可以上下左右转动，搭载360°广角高清晰度摄像头，使得机器人的视觉识别范围更大，摄像机支持手动调焦，使用更方便，并支持500 万像素，兼容多系统操作windows、Linux、Openwrt，以及USB 免驱连接，能够满足全视觉拍摄要求。视频采集完后，可将视频存储于摄像头底盘的视频传储器，也可通过无线网络传输到机器人所配置的APP 上，从APP 上获得由摄像头所传回的高清视频。

4 主要软件流程设计

自站立机器人运行过程中，根据所分配的电力运维任务，按事先规划的原始路径逐步前行，机器人在前行过程中，通过位置传感器、加速传感器等传感单元不断采集当前的位置和移动速度等表征机器人运行状态的数值型信息，同步采集图像，将图像信息和机器人运行状态的数值型信息融合后进行全域的机器人当前状态判断，其程序设计如图4所示。

图4 主要软件流程设计Fig.4 Main software process design

首先判断当前机器人是否处于跌倒状态，如果处于跌倒状态，则先通过控制机器人的脚足站立，恢复机器人的站立状态，并通过传感器和摄像机，实时采集当前机器人的位置方位信息，同时规划机器人前行的下一步路径。

接着判断所规划的路径是否存在障碍物，如果有障碍物，则结合图像的障碍物大小尺寸，进一步判断机器人是否能跨越障碍物，如果不可用，则重新规划前进路径，并按机器人所规划的路径继续前行，前行过程中不断采集传感信息和图像信息，并结合两者信息分析机器人当前状态和规划前行路径。

自站立机器人软件运行过程中，机器人软件首先就这些软件开始自检和初始化，然后按照电力巡检任务进行路径规划，并按规定的路径进行PWM输出控制机器人的脚足电机操作。机器人前行过程中，通过位置传感器、速度传感器等传感器和摄像机进行机器人位置状态及其周边环境的信息采集，并基于所采集的数据，进行机器人位置方位、是否跌倒、周边障碍物等机器人的状态识别，同时不断进行下一步路径规划和操作。

自站立机器人软件运行过程中，不断通过人机界面面板的运行灯提示当前机器人的运行状态，而且可以通过RS485 以及4G 通信口将所获得的运行数据和巡检信息发送给运行人员。

5 现场应用

所研制的自站立机器人，具有四条脚足，具有较好的适应不平整路面及障碍物较多的电力运行场景，该机器人已应用于电力评测机房巡检，代替了人工巡检，节省了运维成本，并对验证机器人巡检路线导航规划、动态避障和自主定位、自站立功能和图像传输功能进行验证。巡检路线规划和现场实物如图5 所示，在现场测试应用中，机器人按所设定的巡检路线进行巡检，并设定在规定点进行定位拍摄，在遇到障碍物时，可自动避开并绕行障碍物步行至规定点，实验表明，机器人能够按所设定路线进行，并在指定点完成规定动作。

图5 机器人实验路线图Fig.5 Course map of robot test

工作人员在利用APP监测机器人的运动路径和所传输回来的定位拍摄图像，并通过相关指令观察执行是否正确和控制机器人摄像头转向，通过监测可得，视频观看度清晰流畅，控制指令发送正确且机器人执行指令正确，且通信流畅。

将机器人放倒，改变了传统轮式移动机器不能翻身、只能空转，无法继续按规划路径前进和完成巡检任务的缺陷，自站立机器人跌倒后，依靠脚足可以很快站立，并继续前行完成既定的巡检任务。

6 结语

电力运维涉及面广、设备多，传统的人工运维工作量大、效率低，随着机器人技术发展，现在逐步采用轮式移动机器人代替人工巡检，但轮式移动机器人难以适应地面不平整、环境复杂的情况，因此，本文研发了一种具有自站立移动机器人，该机器人在配备经典的传感器基础上，装载高清摄像头实现机器人位置和周边环境的全域数据采集，实现更准确的机器人控制。基于自站立移动机器人的特种电力区域巡检，通过自动巡检方式，实现特种电力区域运行状态的监测，有助于减少人工巡检、提高巡检效率。