基于機器視覺的電力巡檢機器人系統自動化設計

摘要：隨著人工智能和機器學習技術的發展，機器視覺作為其中的重要組成部分，已經在各個領域取得了顯著成果，為電力巡檢工作的自動化和智能化提供了新的可能性。基于機器視覺，設計了一款電力巡檢機器人系統，實現對電力設備的自動化巡檢和數據分析，從而提高巡檢效率、降低成本，保障電力供應的穩定性和安全性。

關鍵詞：機器視覺；電力巡檢；機器人系統；自動化

中圖分類號：TP242；TP391.41 文獻標識碼：A

0 引言

隨著變電站規模的日益壯大，如何保證其平穩運行面臨嚴峻的挑戰，同時，也使得巡檢工作的執行變得愈發困難。現階段的變電站主要依賴于人工巡檢，但這常常導致誤檢和漏檢等問題的發生，進而可能造成不必要的經濟損失。此外，還有一部分變電站采用了遠程監視技術作為巡檢方式，然而在此過程中往往會出現一些監控盲點，并且由于遠程監視受到通信帶寬的制約，因此難以實現大規模的普及應用。

1 機器視覺原理

機器視覺主要是基于收集、處理和解讀圖像信息，以達成對特定對象的辨識、解析和理解。在實際實施機器視覺的過程中，主要涵蓋了三大關鍵環節，包括圖像捕捉、圖像處理和圖像辨識。①圖像捕捉是指利用攝像頭等設備，獲取目標物體的圖像信息，并將這些圖像轉化為數字化信號；②圖像處理則是針對圖像進行預先處理、強化、壓縮等一系列操作，以期能更有效地進行后續的圖像辨識與解析工作；③圖像辨識則是借助計算機算法，從圖像中抽取特征并進行分類，從而實現對目標物體的精確識別與深入分析。借助于機器視覺系統，研究人員可以實現對電力設備與線路的自動化識別、檢測與分析，對電力設備的運行狀況進行實時監控與預警，進而提高電力運維的效率與穩定性[1]。

2 機器視覺在電力巡檢中的應用

傳統的電力巡檢方式通常需要大量的人力、物力，而且存在巡檢過程中的盲區和安全隱患。機器視覺通過攝像頭獲取實時圖像或視頻，對電力設備進行自動識別、分析和評估，大大提高了巡檢效率和準確性。首先，機器視覺在電力巡檢中可以實現對電力設備的自動識別。傳統的巡檢方式需要巡檢人員逐一目測，存在漏檢和誤檢的情況，而機器視覺可以通過圖像處理算法實現對電力設備的自動識別，識別準確率高，能夠快速找到電力設備的位置。其次，機器視覺可以實現對電力設備的狀態評估。通過對電力設備的圖像進行分析，可以實時監測設備的運行狀態，發現異常情況并及時報警。例如，溫濕度傳感器和溫振變送器可以檢測設備的溫度、濕度、震動等參數，判斷設備是否存在故障風險，為運維人員提供及時的參考。另外，機器視覺在電力巡檢中還可以實現對設備周圍環境的監測。電力設備往往安裝在復雜的環境中，存在雜草覆蓋、異物堆積等情況，這些都可能影響設備的正常運行[2]。

3 系統硬件設計

3.1 充電房模塊設計

在充電房模塊的設計中，首要任務便是將充電房打造成為機器人的自動充電站點。為了能夠構建一個設施齊全的充電房，選擇設備區域的中心地帶作為理想的建設場所，以便讓巡檢機器人能夠隨時隨地得到充足的電力補給，從而有效規避機器人因長時間工作而導致電量耗盡的潛在風險。此外，為了便于鋪設電線電纜，在充電房的底部鋪設了一層厚實的水泥地面，以防止可能出現的地面下沉。標準地基的尺寸為3.0 m×3.0 m（長×寬），在底部增加了10 cm的墊層，并設置了排水孔，確保充電房內不會出現積水的情況。充電房的建設工作完成之后，通過接地線將其與接地體或者附近的電纜溝緊密相連，以防止高壓帶電設備產生感應電[3]。

3.2 本體機械模塊設計

在制作機器人本體機械模塊的過程中，對驅動系統單元、本體單元以及電源單元等關鍵環節都進行了周密的規劃和專業的設計。驅動系統單元選擇靈活、可靠的電動機來驅動，主要采用輪轂電機這一創新技術實現精密的驅動功能。為滿足機器人巡檢作業的獨特需求，選擇一種應用廣泛、適應性強的電動車輪轂電機，并且根據實際工況對其尺寸參數進行微調，以確保其達到最佳性能。DMK28-DEC2838微型轉向電機具有出色的性能表現，以及低噪聲和高扭矩兩大優點。經過嚴格的動平衡校正后，其能夠穩定運行且不會產生任何振動現象，并對電機外表面進行電鍍處理，防止生銹以及其他可能的污染問題。

設計轉向電機的運轉過程主要通過選取合適的編碼器、聯軸器和減速器等關鍵零部件，將其產生的驅動力有效傳遞至輪叉部位，然后與機器人的力矩輸出軸進行緊密銜接。設計電機支撐板，以確保轉向電機能夠穩定地安裝在連接架上。輪轂電機固定于輪叉上，并且憑借連接支架在機器人車體上固定整個運動機構。采用以上固定方式，并精確控制轉向電機，就能實現對車輪轉角的精確定制，還可以利用編碼器將車輪轉向角的相關信息反饋給控制單元。通過控制轉向電機和輪轂電機，機器人能夠達到靈活、迅速的移動效果。本文所選的編碼器為12位編碼器，型號為EAC90P15BS6XPCR-4096；聯軸器采用了鼓形齒式聯軸器，型號為GICL-23；減速器選擇了輕載模塊化減速器，型號為H/B36。

為確保數據交互和信息采集等功能的順利實現，整合了兩大核心組成部分：雙視云臺和移動載體。雙視云臺主要采用了先進的非接觸式監測技術，即雙視紅外監測設備。該設備具備強大的數據采集能力，能夠根據系統實際需求，在預先設定的位置上高效獲取相關數據；通過在機體上安裝無線通信設備，可以實時監控輸變設備的運行狀況。移動載體主要職責是搭載導航設備與可視設備，使機器人能夠在預設的路徑和限定范圍內自由、靈活地運動[4]。

電源能實現包括自檢報警、實時監測電源使用情況以及對電源狀況的精確檢測等功能。為滿足需求，構造了兩大重要模塊，分別為本體承載電源模塊和電源管理模塊。其中，電源管理模塊的主要職責是時刻監控機器人的剩余電量，一旦發現機器人電量即將耗盡，該模塊會立刻發出警示信號，同時啟動自動充電程序。此時，機器人能夠自主地搜索并尋找周圍的充電設備，以進行高效便捷的充電操作。此外，電源管理模塊所選用的芯片型號為TC1185-5.0VCT713，電源管理模塊電路如圖1所示。

4 系統自動化設計

4.1 自動路徑規劃

通過自動路徑規劃，機器人可以在復雜的電力設備環境中有效地規劃最佳巡檢路徑，以確保電力設備的安全和穩定運行。在電力巡檢機器人系統中，需要考慮電力設備的復雜性和空間限制等因素，因此需要選擇適合對應場景的路徑規劃算法。在實際應用中，可以根據具體的巡檢任務和場景特點選擇不同算法，以保證機器人能夠高效地完成巡檢任務。在實際應用中，路徑規劃算法需要與地圖數據、傳感器數據等進行融合，以獲取準確的環境信息和實時的位置數據。通過不斷地優化策略，使機器人在規劃路徑時更加智能和高效[5]。

4.2 遠程監控與控制

遠程監控與控制可以實現對機器人的實時監控和遠程操作，從而提高系統的效率和安全性。在遠程監控方面，操作人員可以通過網絡實時查看機器人的位置、狀態和運行情況，以及傳感器采集的數據，從而及時發現問題并做出相應處理。在遠程控制方面，操作人員可以通過遠程控制臺對機器人進行遠程操作，如遙控機器人的移動、打開關閉設備、調整傳感器參數等。在電力巡檢機器人系統中，遠程監控與控制的實現主要依賴于通信技術和軟件系統。通信技術包括有線通信和無線通信兩種方式，有線通信通常采用以太網或者串口連接；無線通信通常采用Wi-Fi、藍牙或者4G/5G等無線網絡進行連接。通過這些通信方式，機器人可以實現與遠程控制中心的數據傳輸和命令交互。軟件系統方面，需要設計一個可視化的遠程監控與控制界面，使操作人員可以直觀地監控機器人的狀態、獲取數據并下發指令。遠程監控與控制的實現需要考慮系統的穩定性、實時性和安全性。在設計遠程監控與控制系統時，需要充分考慮網絡通信的穩定性和帶寬要求，確保數據傳輸的及時性和準確性。

5 結語

本文探討了一種以機器視覺為基礎的電力巡檢機器人系統的全自動設計方案，深度挖掘并發揮機器視覺在電力巡檢領域的獨特優勢。本設計涵蓋了系統整體構架、傳感器選用及集成、機器學習算法的實際運用等多個層面，最終成功實現了自動路徑規劃、數據分析與報表生成以及遠程監控與操控等多樣化的功能。在經過嚴謹的實驗驗證與高效的性能評估之后，此系統展現出了卓越的性能，極大地提升了電力巡檢工作的效率與精確度，為電力產業向智能化方向的轉型升級提供了有力的技術支撐。

參考文獻

[1] 劉勝峰，楊學成，王子俊.基于機器視覺的核電廠巡檢機器人冷卻設備水跡檢測方法[J].智能物聯技術，2024，56（2）：122-125.

[2] 黃松濤.基于機器視覺的電力巡檢機器人自動化系統設計[J].自動化技術與應用，2024，43（1）：35-38，43.

[3] 黃嘉東，廖俊蓉.電力機房智能巡檢機器人應用研究[J].科技與創新，2021（15）：179-181.

[4] 王浚哲.基于計算機視覺的巡檢機器人模擬儀表示數識別研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

[5] 楊權，樊紹勝. 基于圖像預處理和語義分割的電力巡檢機器人視覺導航方法[J].電力科學與技術學報，2023，38（6）：248-258.