发电厂智能巡检机器人导航技术研究及应用

胡 罡，王进科，赖小燕，刘万盛，杨志明

（广东大唐国际肇庆热电有限责任公司，广东肇庆 526106）

1 机器人导航技术概述

1.1 机器人本体

机器人运动控制系统由运动矢量控制器、电机驱动器、电机、减速机、车轮、超声波避障装置模块、手动操作或电动遥控开关装置模块、状态指示灯单元等控制单元组成。该系统可以直接实现监控设备用于各种环境监控功能、各种后台功能系统和远程控制平台等各类功能软件系统的直接相互联机通讯，分别接收实时数据和远程定时同步上传数据以及各种云台状态信息。

1.2 工作条件

智能巡检机器人可在室内与室外环境中工作，周围环境温度需要低于50 ℃，如果超过该条件需要联系供应商来判断是否可用。机器人的外观应该有绝缘和防腐涂层，避免发电厂设备的电磁干扰，同时机器人内部各功能区的连接应该有序，便于后续的检查与维护工作。

1.3 电池系统

电源状态管理自动化系统（BMS）是集电力数据信息采集、状态自动估计、充放回电保护功能和锂离子电池组的平衡和控制保护于一体，是智能供电监控系统中的主要核心设备。机器人可以持续在锂离子电池的有限使用寿命期内可靠稳定地继续工作。一次快速充电即可续航在6 h 及以上，机器人平台电池2 h左右即可充满电，充放电循环2 000次以上。除了排除光线、拍摄角度等影响因素外，抄表数据的准确率至少要达到98%，智能巡检机器人的平均无故障工作时间至少要达到2 000 h。机器寿命5～8 a，电池寿命2～3 a，电机寿命8～10 a。随附备用电池、轮胎、过滤器和工作套件。

1.4 充电系统

充电柜和机器人充电底座分别用于机器人的手动充电和自动充电，无线遥控通信设备则采用了与机器人本地远程监控系统后台接口相同型号的无线网架桥结构和天线。当机器人需要电池补充额外电力时，会被自动移动到机器人指定区域的固定充电单元室，车载专用充电连接器将直接与机器人固定的充电单元电芯连接后进行充电。充电动作完成后，机器人系统会瞬间自动停止充电，进入自动待机模式或恢复正常运行状态。

1.5 运动与云台系统

智能巡检机器人有多种基本运行模式，运动的方式是车轮带动，每两次之间的运动轨迹导航误差需要严格控制在15 mm 左右。巡检机器人在行进过程中可以做到前进直行、倒退、转向、制动刹车等多种基本模式，正常情况下平面直行的速度大于4 m/s。为了适应发电厂中部分窄小空间，转向过程必须实现原地转向，同时巡检机器人应该配备减震系统，提高在行驶过程中跨越障碍物的能力与云台平稳运行的能力，同时运动系统对遥控的响应应该快速即时。

监控云台应该能够实现多角度的旋转，同时为了加强监控效果，旋转的角度在控制端应该任意可调节。云台拥有预设置监控点的功能，到达指定地点后自动调整摄像机角度实现监控，这一功能也可后续删除或添加。云台应该有自动调整误差的功能，判断拍摄的目标是否存在遮挡以及遮挡的面积占总视野面积的比例，并自动做出角度调整，确保拍摄的画面不受到遮挡影响。

1.6 网络功能

智能远程巡检机器人的数据必须能同时实现与远程监控和后台数据库之间交互，数据信息实时交互所涉及到的实时信息内容必须包括检测数据和远程巡检机器人状态数据[2]。巡检机器人要能够长时间连续准确实时地自动接收到来自于本地或者远程云台监控报警系统所发出来的各种智能云台控制与报警检测指令，同时实现智能机器人云台的高速旋转、身体的快速上下移动、自动实现无线充电报警功能和智能设备状态信息检测并报告功能等的一系列安全功能。检测到故障问题报警并会及时生成状态信息报表定期予以上报。

机器人配有高清型红外可见光成像相机、红外热显像测量仪器和便携式红外声学传感器，可同时自动地实现测量仪器指针的位置，实时识别、关节温度监测及测量设备的内部环境温度变化实时状态检测、设备内部振动或异响报警状态检测的功能实现等多个检测功能。智能云台系统可安装固定于巡检机器人上面的可移动的工作平台的最上方，用于可以自动携带的三个可见光、红外探测器阵列和另一个红外声学传感器，可用于手动控制其方位角的调整和俯仰角的自动旋转。

1.7 无线传输系统

机器人将通过无线网传感桥与机器人本地远程监控设备后台终端实现机器人双向和实时信息传输交互，信息的交互主要内容应包括监控机器人身体状态图像和远程被监视检测机器人设备内的视频图像、语音内容和图像显示信息数据，所有交互信息内容都被本地设备的实时监控机器人保存记录在系统后台[3]。

智能巡检机器人的最大安全遥控距离必须至少为1 000 m，并且操作必须可靠。当两个以上智能巡检机器人同时在同一个发电厂现场工作巡查时，控制信号也不能出现相互交叉干扰。监控终端后台服务器必须具备能够连续可靠快速地自动接收由智能巡检系统机器人所实时监控采集得到的视频图像、声音、数据资料等各类信息。控制回路和控制传输单元信号输出必须具有较良好可靠的反穿墙保护性能要求和相对良好可靠的抗干扰测试能力。

1.8 本地监控

实时监控界面主要用于查看机器人当前位置、巡检路径、当前巡检作业进度、被检设备信息、实时高清视频、红外图像、检测过程中的实时检测结果、实时环境、机器人身体状态等信息。红外摄像机实时显示巡检机器人拍摄的图像。机器人本体信息显示主要项目包括显示机器人本体内部的电池电量、内部温度、当前速度、报警信息、充电状态、当前可见光相机变焦、云台水平角度和云台垂直角度。巡检信息实时显示当前巡检任务的巡检进度和检测到的不良设备数量，实时显示设备的巡检时间、设备名称、巡检类型、巡检结果等检测结果。

2 电磁射频识别组合导航

电磁导航技术通常被与射频身份识别装置（RFID）等结合起来使用，以代替在地面建筑物上安装的磁轨[4]。这条感应轨道里包含有多条感应引导的电缆，每条感应引导的电缆里面都分别承载一个不同电流频率方向的感应电流，机器人需要通过这种感应通道来实时检测路线信息。通过运动伺服控制装置可以调节到机器人的左右转向轮间的差速，使机器人沿磁轨前行。机器人在应该做停止点检查之前的重心位置偏差通常可由前后两个RFID 标签进行控制，第一个标签上是一个减速停止点，包含两个停止点间的距离信息，多踏步式减速停车方法会确保机器人一直处于一个较低位置。到达正确的停止点时，速度自动停止，此时机器人可以检测到停止点标签。电磁定位搜索仪的技术优点之一是保证巡检时机器人的运动位置准确，抗电磁场干扰保护功能比较强。

3 激光导航

激光位置导航技术通过直接使用计算机视觉传感器实时捕捉目标道路图像，通过计算机图像特征识别等技术手段将道路特征点直接提取应用到每个路标信息中，并可以计算得出每个路标点在全局坐标系中相应的位置坐标值，为实现激光定位导航应用提供奠定了信息基础。机器人配备的激光传感器会在巡视范围内根据每次目标扫描来获取所检测到位置的3个路标与激光传感器之间对应的角度。当机器人检测定位到上述3个导航路标时，可以立即通过迭代式计算来得到一个全局坐标系，并会结合预先设定好的导航目标路线数据，计算分析出目标机器人对预先设定目标路线的相对位置偏差和相对行进路径方向偏差，左右速度调整车轮以重新确定路线。

4 视觉导航

机器人图像是机器视觉理论探索实践的数据基础，通过自动组装好的车载摄像头自动捕捉周围路面图像和周边环境中的机器人局部图像，并同时利用计算机图像快速处理的技术手段进行机器人图像特征的识别、距离的估计分析等。收集、预处理、压缩机器人首次运行动作时被拍摄得到的机器人图像，与计算机之前已存储下的机器人图像资料进行分析比较，并据此通过一系列的算法自动计算得出机器人图像的当前位置。分析提高了地面搜索的速度以达到减少一些不那么必要的信息，由于仅能通过分析每一张图像提供的信息来确定障碍物大小和巡检机器人行驶的速度，存在有较大范围的误差，因此分析实际上已经使用了多相机导航。

视觉导航系统的技术优点主要是视觉导航系统定位测速精度高，信号目标检测覆盖范围更广，缺点则是现有的视觉导航定位技术都不能做到有效地快速匹配目标图像的处理速度、范围和物体移动的速度，导致操作有一定的延迟。复杂的操作环境下不能进行很好有效的适应，缺乏实时性能优化和可鲁棒性。

5 GPS导航

GPS 导航的基本原理是利用 GPS 卫星和目标之间的距离，采用三边测量法对被测物体的位置及速度进行计算，必须使用三个以上的 GPS 卫星进行定位。

GPS 导航技术包括三大类：DPS 导航、DGPS/DR 联合导航、GPS/惯性导航。高精度DPS 导航系统的基本原理是，先建立差分 GPS 基准站，在基准站建成后，就可以得到精确的三维坐标，再根据参考点的坐标进行计算，再将其传送到受测点，从而使 GPS 的定位精度得到进一步的提高。差分 GPS 有位置差分、伪距差分、相位差分三种。DGPS/DR 组合导航技术是在目标突然丢失 GPS 信号时，利用 DR进行定位的一种传统方法[7]。其基本原理是利用惯性导引装置，以目标的当前位置坐标为基础，利用惯性导引装置测得目标的运动速度及航向角度，从而计算出目标的下一次定位。这种技术会随时间推移而造成测量准确率的降低，DR 导航不能长期单独使用，只能用作短期的辅助定位。GPS/惯性导航技术是基于牛顿力学原理的，利用加速度传感器和陀螺测量目标在惯性参照系中的速度、旋转角速度，并将其转换为导航坐标系，获得目标的速度、偏航角和姿态。惯性导航系统不与外界进行光、电交换，不向外界发射电磁波，因此它具有很好的隐蔽性和抗干扰能力。但是，由于导航信息是由积分产生的，所以它的定位误差会随时间增加而增大，使其无法长期独立运行，并且必须进行初始化，所以其成本也相对较高。GPS 导航系统的先决条件是 GPS 必须具有稳定的 GPS 信号，但是在电力系统的强烈电磁环境下，室内或钢结构中，GPS 信号会受到很大的削弱，从而对机器人的定位和导航造成很大的影响。这种方法仅适用于户外作业的机器人。

6 超声波导航

超声波是传播频率范围为20 kHz 左右或频率更高的一种声波，传播时路径沿着直线进行传播，遇到一些固体时又会自动反射回来。超声波传感器的测角分辨率也较差，但检测超声波速度很快，灵敏度也高，距离分辨率亦高。在很多实际导航应用环境中，超声波多普勒传感定位器具有了一定技术的使用局限性，通常无法与许多其他常规导航工作方式紧密结合使用，以确保实现导航精准及有效避免故障。

7 SLAM导航

SLAM 定位导航就是指导航机器人能在一种完全未知的地理环境系统中，通过定位、建站图、SLAM算法来进行导航路径的规划，实现自主的定位与导航，上面提到过的激光定位导航系统和计算机视觉辅助导航技术都是一种SLAM。

8 结束语

目前电厂的巡检机器人在发电厂室内现场和室外现场都已有广泛使用，因此今后大部分场合可以直接使用电子导航系统和红外激光导航装置来满足自动化巡检任务的需要。随着对导航系统定位跟踪精度要求技术的逐渐提高，视觉导航也将逐步成为未来导航新技术应用的主流发展方向，随着新一代计算机视觉理论方法和导航算法体系的持续进步和成熟，以及自然语言处理能力的进一步提高，实时性要求和鲁棒性需要得到全面解决，进而视觉导航等导航新技术或将真正成为未来自动巡检机器人的一项主要辅助导航方式。