【文章內(nèi)容簡介】 變電站設(shè)備進行無人值守巡檢 ,從而代替繁重的變電站設(shè)備人工巡檢 ,提高了變電站巡檢的自動化、智能化水平 ,確保了智能電網(wǎng)的安全可靠運行。 該變電站電力機器人產(chǎn)品外殼采用無污染、抗沖擊、高絕緣的 ABS 樹脂材料，具有較好的環(huán)保性和安全性；產(chǎn)品外觀采用了“仿人”化創(chuàng)新性設(shè)計，整體顏色融合變電站“環(huán)境”因素，同時配以紅色的機器人頸部繞圈與多色的告警指示燈點綴，使得整體設(shè)計簡約而富有活力。該產(chǎn)品控制系統(tǒng)具有過流過壓充放電保護 、待機低功耗、遠(yuǎn)程喚醒等功能，具有較好的節(jié)能性和經(jīng)濟性。變電站智能電力機器人的專利群，包括 10 項核心發(fā)明專利， 33 項外圍專利。 目前，國內(nèi)已經(jīng)投用的 57 臺變電站電力機器人。傳統(tǒng)的變電站值班員進行人工巡檢，受人員的生理、心理素質(zhì)、責(zé)任心、外部工作環(huán)境、技能技術(shù)水平等影響較大，存在漏巡，缺陷漏發(fā)現(xiàn)的可能性，并存在較大的巡視過程風(fēng)險，巡視效率低下。貴州省凱里供電局研制的變電站智能電力機器人，根據(jù)操作人員在基站的任務(wù)操作或預(yù)先設(shè)定任務(wù)，操作人員只需通過后臺基站計算機收到的實時數(shù)據(jù)、圖像等信息，即可完成變電站的設(shè)備巡 視工作，從而代替人工巡檢。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 電力機器人的應(yīng)用 當(dāng)前，機器人在電力系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其中用于無人值守變電站設(shè)備電力機器人對高壓設(shè)備檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一是給機器人的運動控制系統(tǒng)提供連續(xù)、實時、精確的位置、航向等導(dǎo)航信息，使其沿預(yù)定的路徑行駛并完成檢測任務(wù)。機器人有多種導(dǎo)航方式，這些導(dǎo)航方式各有其特點，適用于不同的應(yīng)用環(huán)境，其中 GPS/DR 組合導(dǎo)航系統(tǒng)是一種較為成熟的導(dǎo)航方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陸地車輛（裝甲戰(zhàn)車、軌道列車等）組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。 (1)高壓線路電力機器人 高壓輸電線路是 電力傳輸?shù)闹饕緩?，對輸電線路定期巡檢，及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)防重大事故，對電力系統(tǒng)有重要意義。傳統(tǒng)巡檢方法主要有人工目測法和直升機航測法。人工巡線費用低廉但效率低，復(fù)巡周期長，且由于地理環(huán)境因素存在巡檢盲區(qū)，巡檢數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率也不高；直升機航巡效率較高，但存在飛行安全隱患且費用極其昂貴。針對這些缺陷，高壓巡線機器人應(yīng)運而生。機器人巡線具有近距離、高精度特點，不存在巡檢盲區(qū)，巡檢費用相對于直升機低廉很多，因此已成為特種機器領(lǐng)域的研究熱點。 從 20 世紀(jì) 80 年代末開始，日本、美國、加拿大等國在巡線機器人領(lǐng)域的研究先 后展開。 1988 年，東京電力公司的 Jun Sawada 等人研制了光纖復(fù)合架空地線巡線移動機器人。該機器人可以借助導(dǎo)軌越塔，但總重達(dá) 100kg，并且不能爬 30 度以上斜坡，所以無法廣泛應(yīng)用。 1999 年，美國 TRC 公司研制了一臺懸臂自治巡線機器人原型。但這種機器人仍然無法攀爬 30 度以上斜坡。 20xx 年，加拿大魁北克水電研究院的Montambault 等人研制了一臺 HQ LineROVer 遙控小車。這種遙控小車非常輕便，但沒有越障能力，只能在兩塔之間工作。 1991 年， Hisato Kobayashi 等設(shè)計了一種 具有防震構(gòu)造的自治分散控制機器人。 1998 年 Jaydev P Desai 等人給出了一種光纖架空地線機器人設(shè)計，之后泰國的 S． Peungsungwa1 等也設(shè)計了一種應(yīng)用紅外探測技術(shù)、具有視覺導(dǎo)航能力的巡線機器人。但這些巡線機器人都存在功耗過高或只能跨越特定類型障礙等種種問題。 國內(nèi)巡線機器人的研究始于 20 世紀(jì) 90 年代末。 20xx 年，武漢大學(xué)吳功平等研制成功具有沿 220kV 單分裂導(dǎo)線全程線路行駛和作業(yè)的電力機器人樣機，并在機器人機構(gòu)、電能在線補給、機器人局部自治和系統(tǒng)與技術(shù)集成等關(guān)鍵技術(shù)上取得了實質(zhì)性突破。20xx 年，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出的超高壓輸電線路電力機器人在東遼二線上成功完成了沿線行走，但沒有越障能力。翌年，沈陽自動化研究所的王魯單等完成了巡線機器人越障控制研究，實現(xiàn)了巡線機器人沿線行走及跨越障礙的功能。 綜合來說，國內(nèi)外對于高壓巡線機器人的研究大多處于實驗階段，但巡線機器人由于其控制簡單，成本適中，自動化程度高等特點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展，是巡線技術(shù)的總體發(fā)展方向。利用仿真技術(shù)建立機器人虛擬樣機模型，對機器人進行動力分析、運動分析等，有助于提高機器人本體設(shè)計的質(zhì)量和效率。 電力機器人造型設(shè)計 8 合肥供電公司肥 西公司針對高壓輸電線路巡檢工作，闡述了一種巡線機器人作業(yè)方案。根據(jù)該方案，利用三維動畫軟件 3DS MAX 建立了該機器人的虛擬模型，并對巡線機器人越障動作重點進行了可視化仿真，模擬機器人爬行及越障的實際運動狀態(tài)。通過模擬和分析，驗證了機器人設(shè)計方案的合理性。 仿真技術(shù)應(yīng)用于機器人，國內(nèi)從 80 年代后期才開始這一方面的研究工作。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、沈陽自動化研究所及上海交通大學(xué)等做了起步工作，取得了一定成果。南京理工大學(xué)于 1994 年用 C 語言開發(fā) ROBGSS． ROLOPS 系統(tǒng)，逐漸形成了較完善的機器人仿真系統(tǒng)。劉 又午教授等人針對由底座、大臂、小臂和 3 個腕關(guān)節(jié)構(gòu)成，且每個關(guān)節(jié)皆為圓柱鉸接，只有 1 個分支，共計 6 個自由度的典型機器人多體系統(tǒng)，對程序進行了簡化，開發(fā)出工業(yè)機器人動力學(xué)分析專用程序。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)周一鳴教授等引入GMCADS 符號體系，建立了機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，進而采用哈密爾頓正則方程進行機構(gòu)動力學(xué)分析，開發(fā)了 GMCADS 廣義機構(gòu)計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)。但是，國內(nèi)的軟件都只停留在實驗室中，離軟件商品化還有很大距離。 上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院根據(jù) 500kV 超高壓架空輸電線路的結(jié)構(gòu)及障礙特點，設(shè)計多傳感器、多驅(qū)動器電力機 器人越障控制方案，提出采用多傳感器二次定位方法實現(xiàn)電力機器人越障時的空間定位。闡述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和越障原理，通過線下模擬實驗環(huán)境，不斷測試生成合理的知識庫，實際越障時根據(jù)實測信號自動調(diào)用知識庫完成自主越障動作。實驗結(jié)果表明：傳感器工作可靠，知識庫和空間定位方法設(shè)計合理，電力機器人能高效、快速、高精度地完成巡檢及越障任務(wù)。 機器人自主跨越架空線上的障礙物是電力機器人研究中的關(guān)鍵內(nèi)容。作者針對電力機器人越障軌跡的要求，完成對控制系統(tǒng)整體的設(shè)計及優(yōu)化；根據(jù)機器人的工作環(huán)境和作業(yè)內(nèi)容，通過人機交互界面，在模擬環(huán)境中摸索 出所需要的翻越各種障礙物的動作組合，完成知識庫的建立和修改；分析電力機器人跨越障礙原理，針對越障過程中手臂上線時空間定位這一難點，提出采用多傳感器二次定位的方法，其優(yōu)點是節(jié)省手臂上線時間，提高空間定位的準(zhǔn)確性。 在這篇文章中，機器人的控制系統(tǒng)實行分級控制，即遠(yuǎn)程管理主機控制系統(tǒng)和機器人本體控制系統(tǒng)，機器人本體控制系統(tǒng)包括機器人本體主控機和執(zhí)行層。 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)開放實驗室和中國科學(xué)院研究生院聯(lián)合分析出了一種改進的超高壓輸電線路電力機器人越障方法。文章中介紹了一種新型的超高壓輸電線路電力機 器人，闡述了分階段的控制策略。主要針對越障的工程實際問題，從理論上分析了越障階段的難點：質(zhì)心調(diào)節(jié)，輸電線的辨識與定位問題。進行了仿真和試驗 ,驗證了控制策略和理論分析的正確性。 越障是電力機器人典型的工程實際問題，也是電力機器人研究的關(guān)鍵之一。輪臂復(fù)合機構(gòu)能夠提供伸縮和旋轉(zhuǎn)配合，使得機器人具有跨越障礙的能力。分階段控制策略分解了越障的運動過程，降低了編程難度。根據(jù)工程實際，詳細(xì)分析了越障階段的難點：山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 質(zhì)心調(diào)節(jié)、辨識和定位問題。根據(jù)實驗環(huán)境的實際情況，進行了實驗算例的參數(shù)分析和越障運動過程的仿真，驗證了控制策略和 理論分析的正確性。 在初步的實驗室實驗中，遇到由于慣性造成的機器人旋轉(zhuǎn)角度過大、多次重復(fù)辨識定位才能正確上線等問題，解決方法還在研究中。 (2)變電站電力機器人 隨著科技進步和電力體制改革的不斷發(fā)展，以“信息化、數(shù)字化、自動化、互動化”為特征的智能電網(wǎng)建設(shè)逐漸深入。為保證變電站設(shè)備的安全可靠運行，更好更快地推進變電站無人值守進程，變電站電力機器人部分替代人工巡檢已經(jīng)成為一種趨勢。傳統(tǒng)的變電站巡視主要是通過人工方式，綜合運用感官以及一些配套的檢測儀器對變電設(shè)備進行以簡單定性判斷為主的檢查，該方式存在勞 動強度大，檢測質(zhì)量分散，主觀因素多，巡檢不到位難以監(jiān)控，巡檢結(jié)果數(shù)字化不便等缺陷，不符合智能電網(wǎng)的發(fā)展方向。變電站電力機器人集成最新的機電一體化和信息化技術(shù)，采用自主或遙控方式，部分替代人對變電站室外設(shè)備進行可見光、紅外、聲音等檢測，對巡檢數(shù)據(jù)進行對比和趨勢分析，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行的事故隱患和故障先兆，如：異物、損傷、發(fā)熱和漏油等。電力機器人為提高變電站的數(shù)字化程度和全方位監(jiān)控的自動化水平，確保設(shè)備安全可靠運行發(fā)揮了重要作用。 山東魯能智能技術(shù)有限公司和浙江省電力公司嘉興電力局，共同研究了變電站電力機器人檢測 及控制系統(tǒng)，并發(fā)表了論文。文章針對全天候、強電磁等復(fù)雜背景下，要求變電站電力機器人適應(yīng)性強、可靠性高、控制靈活及檢測結(jié)果準(zhǔn)確等因素，介紹一種抗干擾能力強、實用化程度高、完全自主運行，能夠滿足變電站設(shè)備巡檢要求的機器人檢測及控制系統(tǒng)，主要包括導(dǎo)航定位及運動控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、云臺控制系統(tǒng)、圖像及聲音檢測系統(tǒng)。檢測及控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，為電力機器人長期自主運行提供了有力支持。 ○ 1 導(dǎo)航定位及運動控制系統(tǒng) 機器人采用磁導(dǎo)航，由安裝于機器人前部的磁傳感器組檢測機器人相對 于磁軌跡的偏移，從而引導(dǎo)機器人沿預(yù)定路線運行。其主要優(yōu)點是導(dǎo)引原理簡單而可靠，導(dǎo)航定位精度高并且重復(fù)性好，抗干擾能力強，缺點是磁軌跡鋪設(shè)工作量大，地面處理工作量大，路徑靈活性差。機器人依靠 RFID 標(biāo)簽定位，定位精度較高，可達(dá)厘米級。 ○ 2 云臺控制系統(tǒng) 變電站電力機器人按照規(guī)劃路線運行至檢測點后，調(diào)用云臺的預(yù)置位功能，云臺帶動可見光攝像機、紅外熱像儀等檢測設(shè)備對準(zhǔn)待檢電力設(shè)備。云臺性能直接影響可見光、紅外圖像質(zhì)量。本文對云臺本體采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊堅固，齒輪間隙小于 176。具 有 IP67 防護等級。云臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含直流伺服電機、角度傳感器、硬件限位和云臺控制板，它們分別負(fù)責(zé)云臺水平和垂直運動時的驅(qū)動、位置反饋、行程保護和系統(tǒng)控制。 電力機器人造型設(shè)計 10 (3)校園巡邏機器人 電力機器人作為服務(wù)機器人的一種，是隨著近年來社會經(jīng)濟的發(fā)展，超級商場、機場、車站、會展中心及物流倉庫等大型人流、物流場所規(guī)模和數(shù)量不斷擴大，保安自動化需求日趨迫切這一環(huán)境下而催生的一種新型機器人。采用電力機器人進行定時、定點監(jiān)控巡邏或不間斷流動巡邏將是解決當(dāng)前情況的一種可行方案。巡邏機器人是一個集環(huán)境感知、路線規(guī)劃、動態(tài) 決策、行為控制以及報警裝置于一體的多功能綜合系統(tǒng)。將機器人用于保安工作，具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來已受到國內(nèi)外的重視，成為服務(wù)機器人的一個新研究方向。 山東大學(xué)的一名研究生在 20xx 年 5 月發(fā)表的碩士論文中提到了校園巡邏機器人定位與避障技術(shù)研究。文章針對校園環(huán)境下移動機器人的定位與避障技術(shù)展開研究 ,并取得了一定成果，具體研究內(nèi)容如下： ○ 1 針對校園環(huán)境范圍大、結(jié)構(gòu)簡單的特點，結(jié)合 RFID 傳感器信息傳遞功能，提出一種大范圍拓?fù)洵h(huán)境學(xué)習(xí)與建模新方法。根據(jù)校園環(huán)境上下文信息需求 ，設(shè)計 RFID 標(biāo)簽格式，指導(dǎo)機器人進行環(huán)境學(xué)習(xí)，且以標(biāo)簽的分布代表環(huán)境整體結(jié)構(gòu)，由標(biāo)簽內(nèi)容傳遞導(dǎo)航任務(wù)，由此構(gòu)建環(huán)境模型。 ○ 2 針對激光數(shù)據(jù)存在噪聲干擾的問題，設(shè)計了一種動態(tài)自適應(yīng)中值濾波方法，利用激光數(shù)據(jù)時間和空間上的相關(guān)性，剔除噪聲干擾，平滑激光數(shù)據(jù)。 ○ 3 根據(jù)校園道路特點，采用激光傳感器利用路沿高度區(qū)分路面區(qū)域，完成機器人定位，并針對單一傳感器無法可靠定位的問題，提出了基于擴展卡爾曼濾波的激光與慣導(dǎo)模塊角度信息融合方法，大大提 高了機器人直道定位的精度和可靠性。在路口區(qū)域，使用 RFID、激光、慣導(dǎo)模塊與里程計相互配合，彌補缺陷 ,保證了路口區(qū)域機器人的定位精度。 ○ 4 為保障機器人安全巡邏，在總結(jié)常用避障策略的基礎(chǔ)上，提出一種新的角度勢場法，將機器人所處環(huán)境的勢場力轉(zhuǎn)化到角度信息上，通過綜合分析各角度的可通行性，得出機器人最佳方向選擇。同時針對傳統(tǒng)障礙檢測方法的不足，采用傾斜向下安裝的激光檢測一個傾斜面，兼顧機器人前方與激光位置下方區(qū)域，獲得更好的檢測效果。 視覺作為機器人定位的常用方法， 能夠提供豐富、準(zhǔn)確的環(huán)境信息，且設(shè)備價格低廉，易于安裝使用，因此，視覺定位一直是機器人定位問題研究的熱點。視覺定位通 過分析采集的圖像，從中提取出能夠提供定位信息的人工地標(biāo)或自然地標(biāo)信息，從而完成對機器人的定位。邱波等通過視覺檢測導(dǎo)航線及定位路標(biāo) ,實現(xiàn)了機器人在變電站的無人巡檢。 Saeedi 等人提出了一種通過提取閣像特征的兩步特征跟蹤算法，并通過卡爾曼濾波提高了環(huán)境特征和移動本體的位賞估計精度，取得了較好的效果。對于完全非結(jié)構(gòu)化的環(huán)景， Yang Cheng 等設(shè)計的三維立體視覺定位方法在“機遇”號火里車上得到了成功應(yīng)用。雖然視覺定位取得了廣泛的應(yīng)用，但視覺定位算法復(fù)雜 ,定位的實時性較差，且受環(huán)境中光照、尺度及部分遮擋等因素的 影響較大，這都會對圖像信息的理解和分析山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 帶來較大的困難。 設(shè)計定位 通過對電力機器人的調(diào)研，我了解到電力機器人運行在一些行業(yè)中發(fā)揮了很大的作用。目前各電力公司（尤其是山東省電力供電局）和研究所以及部分大學(xué)的人員均對它進行了深入的研究和探討。本文主要對