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电力巡检机器人智能巡检系统设计适用于多种应用场景

发布时间:2019/02/22浏览数量:2576发布出处:本站
作者:深圳华瑞通科技有限公司
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随着电网规模的增大、电压等级的提高,对供电安全可靠性要求也更加严格,变电站正常运行成为保障电力系统供电安全的重要环节。目前中国电网主要采用人工巡检作业方式,即采用人工巡视、手工记录的模式对运行中的变电设备进行检查。人工巡检存在劳动强度大、工作效率低、巡检质量不稳定等缺点,恶劣气象条件对巡检人员身体也存在危害。一方面人工巡检问题和劣势不断显现,另一方面电力巡检需求还在不断释放,两方面的矛盾,让电力巡检机器人迎来了发展良机。




1.巡检系统组成

机器人巡检系统由机器人本体、充电系统、无线传输系统、本体监控后台及辅助设施组成。系统组成框图如图1所示。


系统具有以下特点:

(1)使用无轨导航方式,实现快速部署,可方便站间调配;

(2)采用四轮独立驱动,适应于各种复杂环境,提供高清晰度红外及可见光视频图像,测温精度达0.5℃;

(3)采用基于激光雷达和惯导组合的精确地形匹配的导航方案,定位精度达到1 cm;

(4)超声防撞,提供高可靠性安全保障,可原地全方位运动,为巡检提供更强的易用性。





2.机器人本体

机器人本体由外形结构部件、运动控制系统、供电系统、传感器系统和导航系统组成。

1)外形结构部件


机器人外形结构设计以简洁实用、硬朗可靠为基本原则,配合良好的平面切割技术,兼顾重量、稳定性和防护等级要求;表面采用喷塑和阳极氧化工艺处理,具有较强的防腐性能;机器人结构大量采用铝合金材料,重量小于100 kg。


2)运动控制系统机器人运动控制系统主要由运动控制器、电机驱动器、电机、减速器、车轮、超声波避障模块、手动遥控模块、状态指示灯等组成


为适应变电站户外运行需求,机器人车体选用轮式四轮驱动,在运动控制中应用PID控制及PMSM矢量控制算法进行车体控制,实现转速精确控制和转矩快速响应,保证了控制算法的成熟性和稳定性。4轮独立驱动及柔性匹配控制实现了零转弯半径,原地360°旋转,现场路径规划灵活,环境适应能力强。驱动电机使用低磁阻大扭矩驱动电机,系统调速范围宽、效率高、可靠性好,机器人最大运行速度可达1.1

m/s,可越过10 cm障碍物、爬坡能力达到25°。



3)供电系统

(1)电池选型。采用磷酸铁锂电池供电,电池额定电压36 V,电池容量50 Ah,为满足电池充放电及储运状态下的安全要求,电池安装在防爆、阻燃材料制作的专用电池箱内。



(2)电源管理系统设计。锂电池组电源管理系统(BMS)采用集中式管理。BMS由主控单元(CMU)和若干个监控单元(BMU)组成。BMU检测和均衡管理电池模块的电压和温度,并将数据传给CMU。CMU检测锂电池组的总电压、总电流及绝缘度,负责与机器人控制系统及充电机通信,对电池组充放电进行保护。



(3)BMS性能改进。锂电池间各个参数不可避免地存在一些微小差异,由于内阻、自放电影响及充放电次数增多,电池间参数差异会放大,将减少锂电池寿命甚至产生电源安全隐患。通过BMS实施均衡管理,电池组将保持较好的一致性,可延长电池寿命和降低成本,确保电池一次充电后续航能力不小于5

h,提高系统可靠性和稳定性。



4)传感器系统

(1)可见光探测。可见光摄像机用于观察设备外观和读取仪表数值,具备自动或手动对焦功能,视频分辨率达1

080

p,光学变焦倍数达30倍。采用自动光圈设计,通过检测视频信号平均值,自动控制镜头光圈的扩大或缩小,即可在不同照度下获得标准视频信号电平。机器人云台上安装了强光LED照明灯和雨刷器,实现可见光夜间和雨天探测。照明灯和雨刷器由本地监控后台或远程集控后台进行控制。



(2)红外热像探测。红外热像仪的红外探测器接收物体辐射热量,把它转换成电信号,经后续放大、滤波、模数转换,CPU处理后在图像显示器上显示。在实际测温中,首先采用高精度黑体进行标定,找出黑体温度与图像灰度值的对应关系。红外热成像仪具备自动对焦功能,可在实时影像中叠加显示温度最高点位置及温度值,红外热像仪热灵敏度优于50

mK,测温精度优于2 K。


(3)声音探测。机器人安装有扩音器和麦克,可实现与监控后台双向语音对讲和现场声音采集。同时,通过采集运行设备的正常和异常声音,提取出声音的特征参数,建立正常和异常声音模型库。将机器人采集的噪声数据传送到控制后台,基于音频诊断软件和模型库进行运行状态识别,判断设备异常声音,并发出警报。


现有的变电站巡检机器人自动化和智能化程度不高,部分使用用GPS定位、电磁导航或者视觉导航,本公司产品可以采用磁导航与视觉导航相配合从而精确定位。



声音分析软件主要由信号处理、信号特征提取和信号显示等部分组成。信号处理部分包括端点检测、分帧和加窗。端点检测用来检测输入声音信号中的有效语音成分,采用倒谱特征法;分帧是将原始语音信号分为小段,并做帧移处理;加窗是在分帧之后使频谱平滑、防止高频泄漏。信号特征提取过程包括FFT求取功率谱、带通滤波器组、求取对数能量、离散余弦变换和提取一阶差分MFCC系数。显示部分能够显示被测声音中各个频率的数字化信号图形。



(4)全方位智能云台。云台安装在机器人平台上方,用于承载可见光、红外以及声音传感器。云台以直流伺服电机驱动,使云台具有水平和垂直2个相互独立的旋转自由度。云台俯仰框装有红外和可见光光窗。云台运动控制核心部分采用数字信号处理器(DSP)芯片,该芯片负责水平和俯仰2个自由度的电机运动控制以及与接口转换模块通信。云台主要性能指标满足如下要求:云台预置位数量≥10

000个,垂直运动范围–30°~+90°,水平运动范围0°~+360°连续,定位精度±0.1°,水平旋转速度0.01~60°/s,垂直旋转速度0.01~30°/s。

1.2.5 导航系统



机器人依靠激光雷达、惯导、里程计综合导航,利用多传感器融合技术,得到车体定位信息,实现按照预设路线和停靠位置自主行走和停靠功能。激光雷达选用SICK公司LMS511高性能室外型激光扫描雷达,测量距离达80

m,扫描范围190°,分辨率0.166 7°,扫描频率高达25 Hz。可在–30 ℃~+55

℃恶劣环境中工作。惯导可提供车体三轴姿态角(或角速率)以及加速度信息,分辨率0.05°,误差1.5°。里程计信息包括车体当前坐标,由车体运动学模型和4轮转速位移等信息计算得到,误差在3%以内。



3. 充电系统

充电房由充电柜、充电座、无线通信设备和自动卷帘门组成。充电柜和充电座用于机器人自动对接充电,无线通信设备选用与本地监控后台相同的无线网桥和天线,天线安装在充电房的顶部。



机器人工作状态分为巡检、充电、空闲等3种。收到巡检命令后,机器人检查电池电量是否充足,充足即进入巡检状态,开始执行巡检任务,否则拒绝执行并报警。巡检完成后,机器人返回充电房。机器人在巡检中实时检测电池电量,如果电量不足则返回充电房充电,充电过程完全自动化。



4.无线传输系统

机器人通过无线网桥与本地监控后台实现双向、实时信息交互。信息交互内容包括机器人本体状态和被检测设备图像、语音和指示性数据。机器人采用5.8

GHz频段高质量等级的室外专用数字无线网桥,实现长距离多路视频、音频以及数据的实时传输,最长传输距离达10

km,数传误码率≤10-6,数传时延≤20 ms,图传时延≤300

ms,由于此频段的无线网桥无需申请无线执照,比其他有线网络设备更方便部署。机器人通过无线网桥接收监控后台的控制指令,进行云台转动、设备检测、车体运动和自动充电,并检测机器人状态和各类预警、告警信息并进行上报。在通信中断、接收的报文内容异常等情况下,图像、语音、数据不丢失,同时系统将发出告警信息,并在通信恢复后自动续传。



5. 本地监控后台

本地监控后台由计算机、无线通信设备、监控分析软件和数据库等组成。机器人与监控后台通过无线局域网连接,采用TCP/IP协议进行数据交互,传输内容如图5所示。监控后台软件采用C++语言开发,基于.NET架构,可以在Windows的各个版本操作系统跨平台运行,软件组成



(1)实时监控模块负责查看机器人运行过程中的图像信息、车体状态信息、车体行进信息、电池状态信息、巡检现场气象信息、巡检任务信息等。



(2)任务规划模块分为例行、特巡任务规划和遥控巡检3种模式,可随时进行任务模式的切换。根据变电站巡检需求,例行任务规划可提前生成若干巡检任务,每天定期巡检;特巡任务规划可实时生成临时巡检任务,执行特殊巡检任务。



(3)远程遥控模块可以实时遥控机器人到规定地点做规定动作。该模块可通过手柄控制云台方位和俯仰,控制车体速度和方向。



(4)配置中心模块包括设备配置、地图配置和基本配置3个子界面。设备配置界面包括红外配置、可见光配置、车体配置和云台配置。



(5)历史查询和数据分析模块可实现可见光图像、红外图像、声音及表计读数、设备位置状态、注油设备油位等信息的存储、诊断和查询。



6.环境适应性

机器人按照全国各地区变电站极端环境气候设计,针对暴风大雨、湿热、高海拔、寒冷等恶劣气候条件,变电站强电场、强磁场环境,通过“三防”设计、防风设计、电磁兼容性、抗震设计以及温度适应性等设计,确保机器人在不同气候条件下长期可靠、安全稳定运行。



1)  “三防”设计

机器人外壳采用静电喷涂工艺,具有防腐蚀、防水、防氧化三防功能,机器人内部传感、控制均采用模块化设计,标准化生产。机器人采用一体化结构设计,具有防水、防尘功能。整机满足GB 4208中IP54的设计要求,最大涉水深度大于10 cm。



2)  防风设计

机器人采用四轮驱动底盘结构,设备重心低,有利于机器人在地面上稳定运行。机器人本体结构紧凑设计和密封性高,具备抵抗10级风能力。



3)  电磁兼容设计

机器人电子元器件,电源、通信等模块采用屏蔽、隔离处理,关键信号通过阻抗匹配设计、各设备模块采用等电势共地设计,输入输出接口的滤波和保护设计等技术确保各模块的信号完整性、安全和可靠性。



4)防振动设计

机器人在变电站巡检过程中,由于受路面环境的影响,不可避免地会有一定程度的振动,针对可能出现的固定螺丝松动、部件断裂等问题,采取以下防振措施:(1)对所有紧固件增加弹垫、齿形垫圈、涂加螺纹胶及采用防松螺母等设计提高螺栓螺钉紧固效果及紧固强度;(2)对部件断裂部分优化设计提高部件强度;(3)增加防护套、减振弹簧等措施,减缓外力对管路连接部位的作用。



5) 温度适应性设计

为保证在炎热或寒冷环境下正常工作和长期储藏,机器人所有部件和元器件均选用宽温度范围的工业级产品;在云台护罩内安装排热风扇和加温板,可自动对护罩内环境进行排热或加温,有利于护罩内可见光相机和红外探测器在不同温度环境下正常工作。机器人工作环境温度为–25

℃~+55 ℃,存储环境温度为–30 ℃~+65 ℃,工作和存储环境相对湿度为5%~95%(无冷凝水)。


华瑞通科技机器人分为三类:轮式电力巡检机器人、轨道电力巡检机器人、履带式电力巡检机器人。



轨道智能巡检机器人:室内导轨型智能巡检机器人系统实现开关柜红外测温、局放检测、柜面及保护装置信号状态指示等的全自动识别,继保室保护屏柜压板状态、空开位置、电流端子状态、装置信号灯指示以及数显仪表的全自动识别读数。系统采用导轨滑触式供电方式,实现24小时不间断巡视,也可自定义周期和设备进行特殊巡视。


轮式智能巡检机器人:专为复杂环境下的巡检工作而设计的,其基本功能为移动监测平台,属于监测技术与机器人技术相融合的新型监测设备,可以适应规模较大的作业场地,同时也兼顾空间较小机柜过道巡检任务。


履带式电力巡检机器人:根据固定路线行驶,视觉检测识别工业上、生产线上的各种仪表的参数变化并判断是否处于正常工作状态;检测生产线各阀门、通风口的开闭状态及是否存在跑冒滴漏情况;检测生产线区域是否存在气体泄漏,即有毒有害气体的浓度;还可以检测空气湿度、工作噪音、生产线工作发热点等。并在发现异常情况会及时发出警报并标定位置。


智能电力巡检机器人除了可以完成电力巡检以外还可以应用于能源站、桥梁隧道、化工、港口、管道、无人工厂、居住社区、城市等多种场景,能有效的降低成本、能以高效率的智能巡检方式解决巡检难题,提升巡检的效率和精度。

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