矿井变电所机器人巡检平台的研究与应用

郭建军

(神华神东煤炭集团 锦界煤矿， 陕西 榆林 719300)

0 引言

煤矿井下变电所主要有高压开关、水泵房排水设备及其它电气设备等。变电所运转是否正常直接影响煤矿的生产，故要加强变电所的巡检，保证其正常工作。但目前还存在以下问题：

1) 在运行过程中存在开关柜故障,跳闸后需现场复位，才可进行远程操作。

2) 变电所开关柜发生短路、拉弧、放炮等特殊故障时，需第一时间进行现场故障原因确认。

3) 变电所开关柜检修及故障处理时，需监控作业人员是否按标准作业流程进行作业，避免因作业人员违章作业带来的安全隐患。

4) 需及时监测水泵房主排水泵及电动机因检修不到位、老化等原因造成设备异常运行。

5) 需定时监测水泵房管路漏水情况，电动闸阀是否开、关到位，以及水泵是否正常上水。

针对以上问题，井下变电所机器人巡检平台采用“机械臂+摄像头+多种传感器+中控+机器人+巡检管理平台”的巡检方式具有一定的优势，可以大大节省人力及管理成本，实现变电所、水泵房无死角的监控。机器人安装各种先进的传感器，用于自动探测各种异常情况，弥补人力的不足，同时将变电所监控系统和机器人巡检平台相结合，真正实现变电所无人化管理。

1 研究内容与预期目标

1.1 研究内容

矿井变电所机器人巡检平台主要研究利用机器人代替人工对变电所进行巡检，研究内容如下：

1) 巡检机器人采用轮式机器人的运动控制技术，并结合综合控制系统，实现机器人的遥控巡视和自主巡视等功能。其主要技术包括导航定位、机器人视觉、传感器融合、可见光、红外数据检测、机械臂控制、数据确认等。

2) 巡检机器人通过视觉技术，在巡检过程中监控是否着火、冒烟，监控作业人员是否违章作业,以及监测水泵压力表、真空表、电动闸阀显示盘状态等。

3) 巡检机器人通过红外热源监测技术，检测变电柜内元器件是否高温、设备旋转部位是否高温、线老化是否高温等。

4) 巡检机器人通过机械臂控制技术，对变电柜进行复位相关操作。

5) 巡检机器人与地面监控人员交互，通过机器人代替监控人员的眼睛和手。

6) 巡检机器人具备自主充电功能。巡检机器人可以在非工作时间及电量低于设定值的情况下，行进至自主充电工位进行充电。

7) 巡检机器人可以将视频图像实时传输至后台控制室，并由后台控制室对测试图像进行分析处理。后台控制室可实时存储图像和视频文件，机器人自身设有存储器，可完成72 h的视频文件存储。

8) 巡检机器人可自主巡航，并可基于人工操作输入进行部分路径的修改。

9) 巡检机器人摄像头及机械臂配有可伸缩结构，可根据巡检要求调整高度与角度。

1.2 预期目标

研发矿井机器人巡检平台，满足矿井变电所的自动巡检要求，完全取代人工巡检及机械复位操作,并通过机器人巡检平台建设，对机器人及携带的传感器等设备进行验证，达到代替变电所巡检人员的目标。工作场景与巡检机器人平台见图1。

2 系统方案的确定和功能结构

2.1 方案的确定

根据不同的底盘结构，移动机器人平台可分为轮式机器人、履带式机器人、足式机器人及仿生机器人等，如图3所示。室内机器人通常采用轮式移动结构;室外机器人为了适应野外环境，多采用履带式移动结构;仿生机器人通常模仿某种生物的运动方式而采用相应的移动结构，如机器蛇采用蛇行式移动结构。对此认为,轮式的效率最高，但适应能力相对较差，应用场景有限；而足式的移动适应能力最强，但其效率最低[1]。

(a) 工作场景

(b) 机器人巡检平台图1 工作场景与巡检机器人平台

(a) 轮式机器人

(b) 履带式机器人

(c) 足式机器人

(d) 仿生机器人图2 移动机器人平台

由于机器人巡检平台的工作环境为室内，故采用效率及稳定性都较高的轮式机器人，且底盘设计为可更换的方式，以便适应不同的工作环境。轮式移动机器人是移动机器人中应用最多的一种机器人。在相对平坦的地面上，用轮式移动方式具有一定的优越性。

轮式移动结构中，四轮移动结构应用最为广泛。四轮结构可采用不同的方式实现驱动和转向，既可使用后轮分散驱动，也可用连杆结构实现四轮同步转向。这种方式比起仅有前轮转向的车辆可实现更小的转弯半径。另外,车辆通过控制左右两个驱动轮的转速实现转向。驱动轮转速不同时，即使无转向轮或转向轮不动作，车身也会旋转。驱动轮转速的不同,可通过操作安装在左右半轴上的两个单独的离合器或制动装置来实现差速转向[2]。目前几乎所有的链轨(履带)车辆都采用这个方法实现转向。差速转向的优势在车身可以获得更小的转弯半径，车身可实现原地转圈的功能。差速转向的主要缺点在于高速行驶中不稳定、轮胎易磨损等。

综合考虑平台稳定性及系统复杂性等方面，本方案采取四轮移动机器人平台，其中左右轮独立驱动，通过两边差速的方式改变机器人的运动方向。四轮式底盘方案如图3所示。

图3 四轮式底盘方案

2.2 系统功能结构

整个系统基于一个移动机器人平台，并使用基于同时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping，SLAM)的导航定位算法,实现特定路径的自主巡航。同时,在此基础上实现视频监视、仪表状态监测、信息上传等巡检功能。系统功能结构如图4所示。

图4 系统功能结构

3 机器人巡检功能

3.1 巡航定位系统

3.1.1 系统形式的分析

巡检平台支持在非人工干预下进行自主巡航，且不需要铺设轨道。本巡航定位系统一方面采用基于SLAM的导航定位算法，利用激光雷达探测周围环境情况，构建环境三维地图,并对自身进行定位;另一方面利用监控摄像机识别特定位置的二维码标志，提高定位精度，并据此完成路径规划。SLAM通常是指在机器人或其他载体上，通过对各种传感器数据进行采集和计算，生成对其自身位置姿态的定位和场景地图信息的系统[3]。SLAM需要解决的核心问题是周围环境构建及自身所处的位置，进而知道下一步该如何自主行动。图5为SLAM地图构建示例。

图5 SLAM地图构建示例

目前常见的机器人SLAM系统一般具有两种形式：基于激光雷达的SLAM(激光SLAM)和基于视觉的SLAM(VSLAM)。VSLAM通过视觉图像构建环境地图，其优势在于摄像头成本较低,但构建算法需要巨大的计算量，故采取VSLAM的形式对硬件平台的计算性能有严苛的要求[4]。激光SLAM与VSLAM相比计算量小，且容易实现更精确的地图。因此,本系统采用激光SLAM的方案。

3.1.2 激光SLAM方案的确定

激光SLAM来源于早期基于测距的定位方法(如超声和红外单点测距)。激光雷达的出现和普及使得测量更快、更准、信息更丰富。激光雷达采集到的物体信息呈现出一系列分散的、具有准确角度和距离信息的点，被称为点云。通常激光SLAM系统通过对不同时刻两片点云的匹配与比对，计算激光雷达相对运动的距离和姿态的改变，也就完成了对机器人自身的定位。

激光雷达距离测量比较准确，误差模型简单，在强光直射以外的环境中运行稳定，点云的处理也比较容易。同时，点云信息本身包含直接的几何关系，使得机器人的路径规划和导航变得直观。激光SLAM理论研究也相对成熟，落地产品更丰富。图6为激光雷达实物及测量得到的点云。

(a) 激光雷达

(b) 点云图6 激光雷达与点云

具体硬件方案如图7所示。轮式机器人正上方安装三维激光雷达，感知四周环境。除了激光SLAM外，此系统还利用机器视觉的方法识别特定位置的标志图形来辅助定位。

图7 激光雷达安装

3.2 视频监控系统

视频监控系统硬件组成包括高清摄像机、红外摄像机、补光灯与可升降云台，如图8所示。摄像机对周围环境做实时扫描和记录，一方面,将视频存储到机器人自身的视频硬盘中;另一方面,通过无线网络将画面实时传输至视频监控系统的后台服务，实现多终端远程画面监视。机器人正常巡航过程中，云台按照设定的动作工作，保证对巡视环境的360°无死角监测。云台还可接受后台服务的指令指向特定的方向，以实现对监控画面的远程控制。

图8 视频监控系统硬件组成

系统中高清摄像机主要完成监控画面的获取，并通过LED补光灯来保证在环境低照度光线条件下的成像质量。红外摄像机不受可见光照的影响，且除了红外成像之外，还能对设备的异常状态进行检测。

红外摄像机技术分主动红外摄像机技术和被动红外摄像机技术。被动红外摄像机技术(热成像技术)是利用物体自身向外辐射红外线的原理，所有温度高于绝对零度(-273 ℃)的物质都不断地辐射着红外线。红外线是一种人眼不可见的光波，它是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射。由于物体辐射红外线的强度与温度相关，所以捕获环境中红外线的强度便可形成基于温度的画面。主动红外摄像机技术则是利用特制的红外光发光源产生红外辐射，产生人眼看不见而普通摄像机能够捕捉到的红外光，辐射“照明”景物和环境，利用普通低照度摄像机来感受周围环境反射回来的红外光，从而实现夜视功能。

普通成像与红外热成像如图9所示。本系统采用被动红外摄像机，成像画面见图9(b)。成像画面直接反映了环境的温度分布，能够发现普通视觉无法察觉的设备异常温度状况。当系统发现机柜等设备存在异常温度时，及时向巡检系统服务端发出报警。

(a) 普通成像

(b) 红外热成像图9 普通成像与红外热成像

3.3 仪表监测系统

仪表监测系统是巡检平台的智能化部分，通过二维码定位，完成对设备工作状态的监测。

二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息。在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读,以实现信息自动处理。它具有条码技术的一些共性，每种码制有其特定的字符集，每个字符占有一定的宽度，并具有一定的校验功能等，同时,还具有对不同行的信息自动识别功能以及处理图形旋转变化等特点。常见的一种矩阵式二维码QR CODE最多可以存储数千个字母者数字，完全满足本系统对仪表标签的要求。图10是一个标签示例。实际应用中，该标签中会包含上方9个指示灯及4个旋钮相对该标签的位置等信息。利用从标签中获取的信息及识别指示灯及旋钮的形状、颜色等信息，系统完成对目标的分割。

3.4 机械臂控制系统

机械臂放置在车辆中央平衡重心,采用三轴自由度专用机械结构，末端附加单点触觉传感。三轴自由度需要1个上下移动自由度(对齐按钮)、1个径向伸缩自由度(点击按钮或补齐小车定位误差距离)和1个旋转自由度(补齐小车旋转误差)。其机械安装见图11，具体结构见图12，主要参数及传感器控制见图13。机械臂结构部分包括三自由度、底座旋转、平台升降及触点伸缩。

图10 仪表标签

图11 机械臂安装

马达直连外置-BC 马达直连内置-M马达左折-BL 马达右折-BR

(a) 主要参数规格(b) 传感器接线(c) 速度与行程

3.5 自动充电系统

自动充电系统要求机器人在自主巡航状态下检测到自身电量不足时，能自动回到充电桩充电。通过SLAM地图构建与标签辅助定位，巡检平台能够自主规划路径到充电桩位置，但完成充电需要机器人与充电桩进行物理充电接口对接，这便要求更加精确的定位与控制。

系统采用多组红外收发器组合定位的方案实现精准对接。首先，在机器人端会有接收红外编码的红外接收三极管，在检测到特定频率的载波红外信号时会有电平输出。一般常见的载波频率有38 kHz和56 kHz两种。而自动充电座里面就是红外发射管，通过驱动电路，使二极管通电断电，不断地发出红外光线，并且频率通常和接收端匹配，也就是38 kHz或者是56 kHz的占空比为50%的PWM波形，利用载波传递数据。

不同的红外发射管发射不同的编码信息，多个接收管通过判断接收到的信号来推算此时机器人与充电座的相对位置，对自己的姿态进行矫正,从而实现对准。图14为自动充电示意图。充电桩上有4个红外发射管，机器人上有4个红外接收管。

3.6 信息系统

巡检机器人平台通过无线网络与巡检系统服务器相连，完成视频及其他信息的交互。信息系统网络结构如图15所示。

图15 信息系统网络结构

巡检机器人将监控视频画面实时上传至巡检系统服务器，并实时报告自身的位置及上传SLAM构建的地图数据。当检测到仪表时，将仪表状态及时上传。此外,机器人接收服务器发来的指令，包括人工规划的路径、运行及云台控制信息、强制返回充电等。

巡检服务器支持连接多台终端，实现多终端根据权限访问巡检机器人采集的信息或对机器人进行远程控制。

4 结论

本矿井变电所机器人巡检平台采用了“机械臂+摄像头+多种传感器+中控+机器人+巡检管理平台”的巡检方式,大大节省人力及管理成本,真正实现了变电所无人化管理,基本满足了国家安全生产监督管理总局提出的要求。