礦井變電所機器人巡檢平臺的研究與應用

郭建軍

(神華神東煤炭集團 錦界煤礦， 陜西 榆林 719300)

0 引言

煤礦井下變電所主要有高壓開關、水泵房排水設備及其它電氣設備等。變電所運轉是否正常直接影響煤礦的生產，故要加強變電所的巡檢，保證其正常工作。但目前還存在以下問題：

1) 在運行過程中存在開關柜故障,跳閘后需現場復位，才可進行遠程操作。

2) 變電所開關柜發生短路、拉弧、放炮等特殊故障時，需第一時間進行現場故障原因確認。

3) 變電所開關柜檢修及故障處理時，需監控作業人員是否按標準作業流程進行作業，避免因作業人員違章作業帶來的安全隱患。

4) 需及時監測水泵房主排水泵及電動機因檢修不到位、老化等原因造成設備異常運行。

5) 需定時監測水泵房管路漏水情況，電動閘閥是否開、關到位，以及水泵是否正常上水。

針對以上問題，井下變電所機器人巡檢平臺采用“機械臂+攝像頭+多種傳感器+中控+機器人+巡檢管理平臺”的巡檢方式具有一定的優勢，可以大大節省人力及管理成本，實現變電所、水泵房無死角的監控。機器人安裝各種先進的傳感器，用于自動探測各種異常情況，彌補人力的不足，同時將變電所監控系統和機器人巡檢平臺相結合，真正實現變電所無人化管理。

1 研究內容與預期目標

1.1 研究內容

礦井變電所機器人巡檢平臺主要研究利用機器人代替人工對變電所進行巡檢，研究內容如下：

1) 巡檢機器人采用輪式機器人的運動控制技術，并結合綜合控制系統，實現機器人的遙控巡視和自主巡視等功能。其主要技術包括導航定位、機器人視覺、傳感器融合、可見光、紅外數據檢測、機械臂控制、數據確認等。

2) 巡檢機器人通過視覺技術，在巡檢過程中監控是否著火、冒煙，監控作業人員是否違章作業,以及監測水泵壓力表、真空表、電動閘閥顯示盤狀態等。

3) 巡檢機器人通過紅外熱源監測技術，檢測變電柜內元器件是否高溫、設備旋轉部位是否高溫、線老化是否高溫等。

4) 巡檢機器人通過機械臂控制技術，對變電柜進行復位相關操作。

5) 巡檢機器人與地面監控人員交互，通過機器人代替監控人員的眼睛和手。

6) 巡檢機器人具備自主充電功能。巡檢機器人可以在非工作時間及電量低于設定值的情況下，行進至自主充電工位進行充電。

7) 巡檢機器人可以將視頻圖像實時傳輸至后臺控制室，并由后臺控制室對測試圖像進行分析處理。后臺控制室可實時存儲圖像和視頻文件，機器人自身設有存儲器，可完成72 h的視頻文件存儲。

8) 巡檢機器人可自主巡航，并可基于人工操作輸入進行部分路徑的修改。

9) 巡檢機器人攝像頭及機械臂配有可伸縮結構，可根據巡檢要求調整高度與角度。

1.2 預期目標

研發礦井機器人巡檢平臺，滿足礦井變電所的自動巡檢要求，完全取代人工巡檢及機械復位操作,并通過機器人巡檢平臺建設，對機器人及攜帶的傳感器等設備進行驗證，達到代替變電所巡檢人員的目標。工作場景與巡檢機器人平臺見圖1。

2 系統方案的確定和功能結構

2.1 方案的確定

根據不同的底盤結構，移動機器人平臺可分為輪式機器人、履帶式機器人、足式機器人及仿生機器人等，如圖3所示。室內機器人通常采用輪式移動結構;室外機器人為了適應野外環境，多采用履帶式移動結構;仿生機器人通常模仿某種生物的運動方式而采用相應的移動結構，如機器蛇采用蛇行式移動結構。對此認為,輪式的效率最高，但適應能力相對較差，應用場景有限；而足式的移動適應能力最強，但其效率最低[1]。

(a) 工作場景

(b) 機器人巡檢平臺圖1 工作場景與巡檢機器人平臺

(a) 輪式機器人

(b) 履帶式機器人

(c) 足式機器人

(d) 仿生機器人圖2 移動機器人平臺

由于機器人巡檢平臺的工作環境為室內，故采用效率及穩定性都較高的輪式機器人，且底盤設計為可更換的方式，以便適應不同的工作環境。輪式移動機器人是移動機器人中應用最多的一種機器人。在相對平坦的地面上，用輪式移動方式具有一定的優越性。

輪式移動結構中，四輪移動結構應用最為廣泛。四輪結構可采用不同的方式實現驅動和轉向，既可使用后輪分散驅動，也可用連桿結構實現四輪同步轉向。這種方式比起僅有前輪轉向的車輛可實現更小的轉彎半徑。另外,車輛通過控制左右兩個驅動輪的轉速實現轉向。驅動輪轉速不同時，即使無轉向輪或轉向輪不動作，車身也會旋轉。驅動輪轉速的不同,可通過操作安裝在左右半軸上的兩個單獨的離合器或制動裝置來實現差速轉向[2]。目前幾乎所有的鏈軌(履帶)車輛都采用這個方法實現轉向。差速轉向的優勢在車身可以獲得更小的轉彎半徑，車身可實現原地轉圈的功能。差速轉向的主要缺點在于高速行駛中不穩定、輪胎易磨損等。

綜合考慮平臺穩定性及系統復雜性等方面，本方案采取四輪移動機器人平臺，其中左右輪獨立驅動，通過兩邊差速的方式改變機器人的運動方向。四輪式底盤方案如圖3所示。

圖3 四輪式底盤方案

2.2 系統功能結構

整個系統基于一個移動機器人平臺，并使用基于同時定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping，SLAM)的導航定位算法,實現特定路徑的自主巡航。同時,在此基礎上實現視頻監視、儀表狀態監測、信息上傳等巡檢功能。系統功能結構如圖4所示。

圖4 系統功能結構

3 機器人巡檢功能

3.1 巡航定位系統

3.1.1 系統形式的分析

巡檢平臺支持在非人工干預下進行自主巡航，且不需要鋪設軌道。本巡航定位系統一方面采用基于SLAM的導航定位算法，利用激光雷達探測周圍環境情況，構建環境三維地圖,并對自身進行定位;另一方面利用監控攝像機識別特定位置的二維碼標志，提高定位精度，并據此完成路徑規劃。SLAM通常是指在機器人或其他載體上，通過對各種傳感器數據進行采集和計算，生成對其自身位置姿態的定位和場景地圖信息的系統[3]。SLAM需要解決的核心問題是周圍環境構建及自身所處的位置，進而知道下一步該如何自主行動。圖5為SLAM地圖構建示例。

圖5 SLAM地圖構建示例

目前常見的機器人SLAM系統一般具有兩種形式：基于激光雷達的SLAM(激光SLAM)和基于視覺的SLAM(VSLAM)。VSLAM通過視覺圖像構建環境地圖，其優勢在于攝像頭成本較低,但構建算法需要巨大的計算量，故采取VSLAM的形式對硬件平臺的計算性能有嚴苛的要求[4]。激光SLAM與VSLAM相比計算量小，且容易實現更精確的地圖。因此,本系統采用激光SLAM的方案。

3.1.2 激光SLAM方案的確定

激光SLAM來源于早期基于測距的定位方法(如超聲和紅外單點測距)。激光雷達的出現和普及使得測量更快、更準、信息更豐富。激光雷達采集到的物體信息呈現出一系列分散的、具有準確角度和距離信息的點，被稱為點云。通常激光SLAM系統通過對不同時刻兩片點云的匹配與比對，計算激光雷達相對運動的距離和姿態的改變，也就完成了對機器人自身的定位。

激光雷達距離測量比較準確，誤差模型簡單，在強光直射以外的環境中運行穩定，點云的處理也比較容易。同時，點云信息本身包含直接的幾何關系，使得機器人的路徑規劃和導航變得直觀。激光SLAM理論研究也相對成熟，落地產品更豐富。圖6為激光雷達實物及測量得到的點云。

(a) 激光雷達

(b) 點云圖6 激光雷達與點云

具體硬件方案如圖7所示。輪式機器人正上方安裝三維激光雷達，感知四周環境。除了激光SLAM外，此系統還利用機器視覺的方法識別特定位置的標志圖形來輔助定位。

圖7 激光雷達安裝

3.2 視頻監控系統

視頻監控系統硬件組成包括高清攝像機、紅外攝像機、補光燈與可升降云臺，如圖8所示。攝像機對周圍環境做實時掃描和記錄，一方面,將視頻存儲到機器人自身的視頻硬盤中;另一方面,通過無線網絡將畫面實時傳輸至視頻監控系統的后臺服務，實現多終端遠程畫面監視。機器人正常巡航過程中，云臺按照設定的動作工作，保證對巡視環境的360°無死角監測。云臺還可接受后臺服務的指令指向特定的方向，以實現對監控畫面的遠程控制。

圖8 視頻監控系統硬件組成

系統中高清攝像機主要完成監控畫面的獲取，并通過LED補光燈來保證在環境低照度光線條件下的成像質量。紅外攝像機不受可見光照的影響，且除了紅外成像之外，還能對設備的異常狀態進行檢測。

紅外攝像機技術分主動紅外攝像機技術和被動紅外攝像機技術。被動紅外攝像機技術(熱成像技術)是利用物體自身向外輻射紅外線的原理，所有溫度高于絕對零度(-273 ℃)的物質都不斷地輻射著紅外線。紅外線是一種人眼不可見的光波，它是由物質內部的分子、原子的運動所產生的電磁輻射。由于物體輻射紅外線的強度與溫度相關，所以捕獲環境中紅外線的強度便可形成基于溫度的畫面。主動紅外攝像機技術則是利用特制的紅外光發光源產生紅外輻射，產生人眼看不見而普通攝像機能夠捕捉到的紅外光，輻射“照明”景物和環境，利用普通低照度攝像機來感受周圍環境反射回來的紅外光，從而實現夜視功能。

普通成像與紅外熱成像如圖9所示。本系統采用被動紅外攝像機，成像畫面見圖9(b)。成像畫面直接反映了環境的溫度分布，能夠發現普通視覺無法察覺的設備異常溫度狀況。當系統發現機柜等設備存在異常溫度時，及時向巡檢系統服務端發出報警。

(a) 普通成像

(b) 紅外熱成像圖9 普通成像與紅外熱成像

3.3 儀表監測系統

儀表監測系統是巡檢平臺的智能化部分，通過二維碼定位，完成對設備工作狀態的監測。

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息。在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖像輸入設備或光電掃描設備自動識讀,以實現信息自動處理。它具有條碼技術的一些共性，每種碼制有其特定的字符集，每個字符占有一定的寬度，并具有一定的校驗功能等，同時,還具有對不同行的信息自動識別功能以及處理圖形旋轉變化等特點。常見的一種矩陣式二維碼QR CODE最多可以存儲數千個字母者數字，完全滿足本系統對儀表標簽的要求。圖10是一個標簽示例。實際應用中，該標簽中會包含上方9個指示燈及4個旋鈕相對該標簽的位置等信息。利用從標簽中獲取的信息及識別指示燈及旋鈕的形狀、顏色等信息，系統完成對目標的分割。

3.4 機械臂控制系統

機械臂放置在車輛中央平衡重心,采用三軸自由度專用機械結構，末端附加單點觸覺傳感。三軸自由度需要1個上下移動自由度(對齊按鈕)、1個徑向伸縮自由度(點擊按鈕或補齊小車定位誤差距離)和1個旋轉自由度(補齊小車旋轉誤差)。其機械安裝見圖11，具體結構見圖12，主要參數及傳感器控制見圖13。機械臂結構部分包括三自由度、底座旋轉、平臺升降及觸點伸縮。

圖10 儀表標簽

圖11 機械臂安裝

馬達直連外置-BC 馬達直連內置-M馬達左折-BL 馬達右折-BR

(a) 主要參數規格(b) 傳感器接線(c) 速度與行程

3.5 自動充電系統

自動充電系統要求機器人在自主巡航狀態下檢測到自身電量不足時，能自動回到充電樁充電。通過SLAM地圖構建與標簽輔助定位，巡檢平臺能夠自主規劃路徑到充電樁位置，但完成充電需要機器人與充電樁進行物理充電接口對接，這便要求更加精確的定位與控制。

系統采用多組紅外收發器組合定位的方案實現精準對接。首先，在機器人端會有接收紅外編碼的紅外接收三極管，在檢測到特定頻率的載波紅外信號時會有電平輸出。一般常見的載波頻率有38 kHz和56 kHz兩種。而自動充電座里面就是紅外發射管，通過驅動電路，使二極管通電斷電，不斷地發出紅外光線，并且頻率通常和接收端匹配，也就是38 kHz或者是56 kHz的占空比為50%的PWM波形，利用載波傳遞數據。

不同的紅外發射管發射不同的編碼信息，多個接收管通過判斷接收到的信號來推算此時機器人與充電座的相對位置，對自己的姿態進行矯正,從而實現對準。圖14為自動充電示意圖。充電樁上有4個紅外發射管，機器人上有4個紅外接收管。

3.6 信息系統

巡檢機器人平臺通過無線網絡與巡檢系統服務器相連，完成視頻及其他信息的交互。信息系統網絡結構如圖15所示。

圖15 信息系統網絡結構

巡檢機器人將監控視頻畫面實時上傳至巡檢系統服務器，并實時報告自身的位置及上傳SLAM構建的地圖數據。當檢測到儀表時，將儀表狀態及時上傳。此外,機器人接收服務器發來的指令，包括人工規劃的路徑、運行及云臺控制信息、強制返回充電等。

巡檢服務器支持連接多臺終端，實現多終端根據權限訪問巡檢機器人采集的信息或對機器人進行遠程控制。

4 結論

本礦井變電所機器人巡檢平臺采用了“機械臂+攝像頭+多種傳感器+中控+機器人+巡檢管理平臺”的巡檢方式,大大節省人力及管理成本,真正實現了變電所無人化管理,基本滿足了國家安全生產監督管理總局提出的要求。