智能巡檢四足機(jī)器人打造智慧燃機(jī)電廠的方法研究

馮庭有，蔡承偉，劉希念，肖晨宇，田際

[摘? ? 要]文章圍繞智能巡檢四組機(jī)器人的特性進(jìn)行了分析。以此為基礎(chǔ)，就智能巡檢四足機(jī)器人應(yīng)用于燃機(jī)電廠智能巡檢四組機(jī)器人應(yīng)用于現(xiàn)代智慧燃機(jī)電廠的功能要求和性能要求、智能機(jī)器人360°視頻環(huán)視監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建要求、Sim2Real智能燃機(jī)電廠巡檢仿真驗(yàn)證平臺(tái)的建立加以闡述，以供參考。

[關(guān)鍵詞]智能巡檢四足機(jī)器人;智慧燃機(jī)電廠;關(guān)節(jié)自由度

[中圖分類號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–00–02

Research on the Method of Intelligent Inspection Four-Legged

Robot to Build A Smart Gas Turbine Power Plant

Feng Ting-you，Cai Cheng-wei，Liu Xi-nian，Xiao Chen-yu，Tian Ji

[Abstract]This article analyzes the characteristics of four groups of intelligent inspection robots. On this basis， the application of intelligent inspection quadruped robots to gas turbine power plants， the functional requirements and performance requirements of the four groups of robots used in modern intelligent gas turbine power plants， the construction requirements of the intelligent robot 360° video surround view monitoring system， Sim2Real The establishment of the patrol inspection simulation verification platform for intelligent gas turbine power plants is explained for reference.

[Keywords]intelligent inspection quadruped robot; intelligent gas turbine power plant; joint freedom

燃機(jī)電廠是指對(duì)環(huán)境危害小、整體發(fā)電循環(huán)作業(yè)效率高，在同能條件下投資較少的新型火力發(fā)電廠。盡管環(huán)保性能更強(qiáng)、發(fā)電效率更高，但燃機(jī)電廠的機(jī)組設(shè)備在規(guī)模方面，與常規(guī)火力發(fā)電廠相比并無明顯區(qū)別。故，在日常巡檢機(jī)組設(shè)備是否發(fā)生故障時(shí)，即使已經(jīng)做好了諸多安全準(zhǔn)備工作，但只要有人工作業(yè)，安全事故發(fā)生率在理論上便不可能降為零。基于此，基于智能巡檢四足機(jī)器人打造智慧燃機(jī)電廠具備可行性，值得探討。

1 智能巡檢四足機(jī)器人特性分析

（1）智能巡檢四足機(jī)器人的主要特性為：①具有能夠靈活伸縮，能夠自由旋轉(zhuǎn)的（一般設(shè)有五個(gè)“自由度”）機(jī)械臂。②搭載視頻傳感器、紅外測(cè)溫儀、氣體檢測(cè)傳感器的設(shè)備，能夠?qū)⒀矙z區(qū)域的實(shí)時(shí)景象、溫度、氣味相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)收集，經(jīng)過清洗、分析、重組、整理后，形成三維環(huán)境模型以及地形概率地圖，進(jìn)而使機(jī)器人具備導(dǎo)航規(guī)劃、自主避障等功能。③運(yùn)維人員只需身處控制中心，向機(jī)器人發(fā)送各項(xiàng)指令，即可使機(jī)器人按照預(yù)定的線路對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全面、自動(dòng)巡檢，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的突然發(fā)情況，臨時(shí)改變巡檢路線。

（2）智能巡檢四足機(jī)器人裝載強(qiáng)壯的“軀干”，四肢十分矯健（通過設(shè)置在肩膀、關(guān)節(jié)等處的齒輪、軸承等，經(jīng)由內(nèi)部智能系統(tǒng)的程序控制算法，可使該智能巡檢四足機(jī)器人的“四肢”如同真正的生物一樣，實(shí)現(xiàn)大幅度、大范圍旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)。但相較于真正生物四肢活動(dòng)的局限性，如在特定的角度下，肢體無法繼續(xù)移動(dòng)，該機(jī)器人的靈活程度更高，完全沒有死角，故無須擔(dān)心四肢伸展方向受限問題）、嗅覺敏銳（在機(jī)器人“頭部”設(shè)有多種傳感器，可對(duì)多種氣味進(jìn)行精確辨別）、頭腦聰明（配備智能處理器，可根據(jù)目標(biāo)巡檢區(qū)域可能發(fā)生的各類事件，將相關(guān)信息存儲(chǔ)在內(nèi)置的存儲(chǔ)器中）。不僅如此，智能機(jī)器人還配備向外發(fā)射探測(cè)波的設(shè)備，可對(duì)掃描區(qū)域前后左右一段范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的某種情況與存儲(chǔ)器中預(yù)設(shè)的某種情況相符合時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)預(yù)定方案，采用最佳方案處理當(dāng)前情況，可盡量避免機(jī)器人本身受到傷損）。該智能巡檢四足機(jī)器人對(duì)隧道內(nèi)的高壓電纜、通道等情況能夠進(jìn)行綜合判斷，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)遠(yuǎn)程交互、數(shù)據(jù)挖掘分析等全智能化運(yùn)檢管控功能。

2 基于智能巡檢四足機(jī)器人打造現(xiàn)代智慧燃機(jī)電廠的要點(diǎn)梳理

2.1 智能巡檢四組機(jī)器人應(yīng)用于現(xiàn)代智慧燃機(jī)電廠的功能要求和性能要求

（1）四足機(jī)器人的功能要求：①具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，較強(qiáng)的越障、爬坡能力。不僅能夠在平坦的地面上行走，還要求能爬越斜坡，上下樓梯。②機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。盡量減小機(jī)器人整體尺寸，滿足輕量化設(shè)計(jì)，提高巡檢機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性能。③負(fù)載能力強(qiáng)，車體能夠搭載多種傳感器。巡檢機(jī)器人需要搭載熱像儀、攝像頭、激光雷達(dá)等多種傳感器設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息的采集。④具有較高的可靠性，巡檢機(jī)器人必須具有防水、防塵能力。⑤可實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控，并在無人環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和自主避障功能。

（2）四足機(jī)器人的具體性能要求：①爬45°樓梯，35 cm臺(tái)階，30°斜坡，30 cm間隔，高度60 cm空間行走;②自帶6個(gè)深度攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境感知;③IP67防護(hù)等級(jí)，可以防塵防水;④最大負(fù)載能力不小于15 kg;⑤水平地面上的最大速度1.6 m/s;⑥行走、跳躍、奔跑等高性能步態(tài);⑦續(xù)航時(shí)間不少于2 h;⑧電量從低于5 %到100 %滿電的充電時(shí)長(zhǎng)不超過2 h。

2.2 智能機(jī)器人360°視頻環(huán)視監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建要求

（1）由于燃機(jī)電廠內(nèi)部存在多個(gè)車間且總面積較大，由此據(jù)定了一個(gè)智能巡檢四足機(jī)器人應(yīng)用的前置條件——機(jī)器人必須在精準(zhǔn)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的指導(dǎo)下活動(dòng)，一旦移動(dòng)軌跡偏離了正常范圍，不僅無法完成巡檢任務(wù)，還會(huì)造成損失。此外，機(jī)器人本體沿著指定路線行進(jìn)時(shí)，還需要考慮到機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)間性能的差異性以及在行進(jìn)過程出現(xiàn)的總偏差。

在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，機(jī)器人還要能夠在監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及特殊位置處實(shí)現(xiàn)定位，從而能夠比較準(zhǔn)確地在監(jiān)測(cè)點(diǎn)停止并對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。燃機(jī)電廠需要進(jìn)行24 h全場(chǎng)景監(jiān)控，故使用四足機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)，務(wù)必保證機(jī)器人具備360°視頻環(huán)視監(jiān)控功能。

機(jī)器人實(shí)時(shí)拍攝的照片、視頻可以達(dá)到“高清”標(biāo)準(zhǔn)，且能夠?qū)囬g各個(gè)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，甚至完成對(duì)各個(gè)儀表數(shù)值的精準(zhǔn)讀取，并做到場(chǎng)景全覆蓋，無監(jiān)控死角，能夠隨時(shí)播放現(xiàn)場(chǎng)情況。具體而言：①機(jī)器人應(yīng)該實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像，實(shí)時(shí)監(jiān)控車間環(huán)境，并支持視頻的播放、停止、重啟、抓圖、開始錄像、停止錄像、全屏顯示等功能。②機(jī)器人需要對(duì)整個(gè)車間如頭頂?shù)墓艿馈⒌孛嬖O(shè)備、四周管道等進(jìn)行多方位監(jiān)控，做到場(chǎng)景全覆蓋，無死角。進(jìn)行檢測(cè)，并將視頻實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)程智能巡檢管理平臺(tái)。③燃機(jī)電廠中大型設(shè)備較多，且具有一定的危險(xiǎn)性，即使智能巡檢四足機(jī)器人性能良好，也總有無法到達(dá)的位置，因此，技術(shù)人員需要對(duì)廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行全面巡查，在機(jī)器人無法到達(dá)之處設(shè)置固定攝像頭，用于補(bǔ)充檢查。

（2）為了使360°視頻環(huán)視監(jiān)控功能得到更加良好的運(yùn)用，需應(yīng)用2D無軌定位導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖1所示，為2D無軌定位導(dǎo)航顯示模式下的燃機(jī)電廠平面圖。巡檢路線涵蓋：起點(diǎn)——機(jī)組汽機(jī)本體區(qū)域——機(jī)組燃機(jī)罩殼區(qū)域——機(jī)組高壓給水泵變頻器室——機(jī)組閉冷水泵變頻器室——機(jī)組燃機(jī)潤(rùn)滑油區(qū)域——機(jī)組燃機(jī)密封油、氫氣區(qū)域——機(jī)組燃機(jī)勵(lì)磁小間——機(jī)組汽機(jī)勵(lì)磁小間——機(jī)組汽機(jī)潤(rùn)滑油區(qū)域——機(jī)組汽機(jī)EH油區(qū)域——機(jī)組凝汽器抽真空區(qū)域——機(jī)組高、中壓給水泵區(qū)域——機(jī)組柴油機(jī)房——機(jī)組高、中、低壓汽包區(qū)域——機(jī)組循環(huán)水泵房區(qū)域——循泵房配電間——循環(huán)水泵變頻器室——終點(diǎn)。

2.3 Sim2Real智能燃機(jī)電廠巡檢仿真驗(yàn)證平臺(tái)的建立

將燃機(jī)電廠整個(gè)廠區(qū)建設(shè)成一個(gè)虛擬模型，且以智能巡檢四足機(jī)器人的視角作為“中心移動(dòng)點(diǎn)”，在控制中心的計(jì)算機(jī)顯示屏中會(huì)實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過虛擬化處理后的現(xiàn)場(chǎng)鏡像以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物景象。虛擬景象，如圖2所示。對(duì)Sim2Real仿真驗(yàn)證平臺(tái)的具體要求為：

（1）虛擬的環(huán)境中除了智能巡檢四足機(jī)器人外，還應(yīng)注意對(duì)燃機(jī)電廠內(nèi)部其他設(shè)備進(jìn)行“虛擬化作業(yè)”，且機(jī)器人的行進(jìn)路徑同樣應(yīng)該明確標(biāo)出，如圖2所示。

（2）在全天候的虛擬環(huán)境中，四足機(jī)器人的導(dǎo)航、定位、路徑規(guī)劃等可通過虛擬圖進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。如圖2中的兩個(gè)“圓圈”實(shí)際上是技術(shù)人員在控制端虛擬場(chǎng)景中，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊的位置。均表明機(jī)器人應(yīng)該前往對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行再次檢查（顏色有區(qū)別表明具體地點(diǎn)存在功能行的差異，一種顏色是行進(jìn)路線，表明該處沒有其他物體;另一種顏色指代該處有障礙物，機(jī)器人無法行進(jìn)至此）。不僅如此，虛擬場(chǎng)景中還有一個(gè)特性，即不同物質(zhì)之間的區(qū)分十分明顯，如圖2中位于右側(cè)的罐狀設(shè)備的下方有紅色標(biāo)注的物體，這些與設(shè)備顏色不同的物體可能是管道開關(guān)，也可能是儀表。進(jìn)行如此設(shè)計(jì)的目的在于：基于不同的顏色，燃機(jī)電廠中各個(gè)設(shè)備的重點(diǎn)區(qū)域、關(guān)鍵位置均被清晰標(biāo)出，有助于控制智能機(jī)器人迅速前往查看。不僅如此，技術(shù)人員在操縱和監(jiān)控的過程中，可同時(shí)對(duì)虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比查看，可進(jìn)一步提高巡檢效率及質(zhì)量，避免遺漏。

（3）需對(duì)巡檢路線和巡檢點(diǎn)位進(jìn)行模擬驗(yàn)證，點(diǎn)位的結(jié)果會(huì)直接傳輸?shù)街悄軝C(jī)器人的硬件系統(tǒng)中。

（4）Sim2Real仿真驗(yàn)證平臺(tái)支持域隨機(jī)化;支持CAD、URDF等多種文件格式導(dǎo)入;支持光線和路徑追蹤渲染器，具有高層次物流逼真度和功能逼真度;可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠包含智能巡檢四足機(jī)器人在內(nèi)的多種類型機(jī)器人，且傳感器和驅(qū)動(dòng)模塊均可靈活導(dǎo)入，并提供模塊話的標(biāo)準(zhǔn)接口來支持第三方軟件開發(fā)，如圖1所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能巡檢四足機(jī)器人應(yīng)用于現(xiàn)代智慧燃機(jī)電廠時(shí)，主要工作在于，替代人接近一些危險(xiǎn)或特殊區(qū)域，從而實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)信息的收集于傳迪。而在此過程中，機(jī)器人本身的“行走”是否處于穩(wěn)定狀態(tài)至關(guān)重要。因此，必須同時(shí)對(duì)燃機(jī)電廠的基礎(chǔ)信息進(jìn)行全面了解，對(duì)機(jī)器人的行走自由度等參數(shù)是否處于正常狀態(tài)進(jìn)行判定，從而實(shí)現(xiàn)操控智能巡檢四足機(jī)器人檢查燃機(jī)電廠運(yùn)行情況的目的。

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