上海电力学院
关于巡检机器人的调研报告
院（系部） 自动化工程学院 专业名称: 电 机 与 电 器 学生姓名: 杨 雪 莹 导 师: 薛阳
2013年12月
目录
1 巡检机器人的发展状况 ......................................................................................1 2 巡检机器人的应用 ..............................................................................................3
2.1 高压线路巡检机器人 ...............................................................................3
2.2.1 机器人仿真 ....................................................................................4 2.2.2 巡检机器人越障 ............................................................................5 2.2 变电站巡检机器人 ...................................................................................7 2.3 校园巡逻机器人 .......................................................................................8 3 总结 ....................................................................................................................11 参考文献 ................................................................................................................12
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1 巡检机器人的发展状况
目前巡检机器人已在多个领域中应用，它的智能化推动着它在应用领域的市场前景将是越来越广，尤其是在电力行业。它在多种场合发挥着作用，如变电站，高压线路中等等。
2013年12月9号中山供电局经过三个多月的试运行，该局将“智能巡检机器人”正式投入到500千伏桂山巡维中心使用，开创南方电网公司首例无轨化设备巡视工作。传统的机器人需要铺设类似于火车轨道那样的磁轨，机器人就只能沿着磁轨作运动。而最新投入使用的机器人实现了无轨化运作，不需要铺设任何轨道，也无需进行任何基建工程，机器人就可以直接在日常的路面上运作，既省下基建施工的时间，又节约了投入成本。凭靠机器人配备的四驱越野底盘，还可以爬上30度的陡坡。该机器人上配备了激光扫描设备，可将站内的设备位置，道路扫描为地图，我们在后台为它规划好巡视路径后，它就可以按照指示去工作了。
机器人巡线最大的优点则是，无论白天黑夜还是刮风下雨，它都可以在没有人看管的情况下能自动自觉并出色完成一般日常巡视所包含的工作内容。这样一来，机器人不但减轻了工作量，而且在遇到严重故障或者恶劣天气时，它还可以降低工作人员的安全风险。
智能机器人还具有自动续航功能，当蓄电池电量低于设定值时，它将自动驶入存放室进行充电。据悉，中山供电局通过对智能巡检机器人进行了三个月的试用，已经收到不错的成效。此次正式投入使用，在南方电网公司尚属首例。
2013年11月11日上午，在国家知识产权局与世界知识产权组织举办的第十五届中国专利奖颁奖大会上，由国网山东电力科学研究院申报的外观专利“变电站巡检机器人”荣获外观专利金奖，成为5个金奖之一。这是国家电网公司历史上获得的第一个中国外观专利金奖，也是中国电力行业惟一当选的金奖。
变电站巡检机器人能够全天候全方位全自主对变电站设备进行无人值守巡检,从而代替繁重的变电站设备人工巡检,提高了变电站巡检的自动化、智能化水平,确保了智能电网的安全可靠运行。
该变电站巡检机器人产品外壳采用无污染、抗冲击、高绝缘的ABS树脂材料，具有较好的环保性和安全性；产品外观采用了“仿人”化创新性设计，整体颜色融合变电站“环境”因素，同时配以红色的机器人颈部绕圈与多色的告警指示灯 1
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点缀，使得整体设计简约而富有活力。该产品控制系统具有过流过压充放电保护、待机低功耗、远程唤醒等功能，具有较好的节能性和经济性。变电站智能巡检机器人的专利群，包括10项核心发明专利，33项外围专利。
目前，国内已经投用的57台变电站巡检机器人。传统的变电站值班员进行人工巡检，受人员的生理、心理素质、责任心、外部工作环境、技能技术水平等影响较大，存在漏巡，缺陷漏发现的可能性，并存在较大的巡视过程风险，巡视效率低下。贵州省凯里供电局研制的变电站智能巡检机器人，根据操作人员在基站的任务操作或预先设定任务，操作人员只需通过后台基站计算机收到的实时数据、图像等信息，即可完成变电站的设备巡视工作，从而代替人工巡检。
图1 智能机器人在巡检变电站
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2 巡检机器人的应用
当前，机器人在电力系统得到了越来越广泛的应用，其中用于无人值守变电站设备巡检机器人对高压设备检测的关键技术之一是给机器人的运动控制系统提供连续、实时、精确的位置、航向等导航信息，使其沿预定的路径行驶并完成检测任务。机器人有多种导航方式，这些导航方式各有其特点，适用于不同的应用环境，其中GPS/DR组合导航系统是一种较为成熟的导航方法，已经广泛应用于陆地车辆（装甲战车、轨道列车等）组合导航系统中。
2.1 高压线路巡检机器人
高压输电线路是电力传输的主要途径，对输电线路定期巡检，及时发现和消除隐患，预防重大事故，对电力系统有重要意义。传统巡检方法主要有人工目测法和直升机航测法。人工巡线费用低廉但效率低，复巡周期长，且由于地理环境因素存在巡检盲区，巡检数据准确率也不高；直升机航巡效率较高，但存在飞行安全隐患且费用极其昂贵。针对这些缺陷，高压巡线机器人应运而生。机器人巡线具有近距离、高精度特点，不存在巡检盲区，巡检费用相对于直升机低廉很多，因此已成为特种机器领域的研究热点。
从20世纪80年代末开始，日本、美国、加拿大等国在巡线机器人领域的研究先后展开。1988年，东京电力公司的Jun Sawada等人研制了光纤复合架空地线巡线移动机器人。该机器人可以借助导轨越塔，但总重达100kg，并且不能爬30度以上斜坡，所以无法广泛应用。1999年，美国TRC公司研制了一台悬臂自治巡线机器人原型。但这种机器人仍然无法攀爬30度以上斜坡。2000年，加拿大魁北克水电研究院的Montambault等人研制了一台HQ LineROVer遥控小车。这种遥控小车非常轻便，但没有越障能力，只能在两塔之间工作。1991年，Hisato Kobayashi 等设计了一种具有防震构造的自治分散控制机器人。1998年Jaydev P Desai 等人给出了一种光纤架空地线机器人设计，之后泰国的S．Peungsungwa1 等也设计了一种应用红外探测技术、具有视觉导航能力的巡线机器人。但这些巡 线机器人都存在功耗过高或只能跨越特定类型障碍等种种问题。
国内巡线机器人的研究始于20世纪90年代末。2002年，武汉大学吴功平等研制成功具有沿220kV单分裂导线全程线路行驶和作业的巡检机器人样机，并在
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机器人机构、电能在线补给、机器人局部自治和系统与技术集成等关键技术上取得了实质性突破。2006年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出的超高压输电线路巡检机器人在东辽二线上成功完成了沿线行走，但没有越障能力。翌年，沈阳自动化研究所的王鲁单等完成了巡线机器人越障控制研究，实现了巡线机器人沿线行走及跨越障碍的功能。
综合来说，国内外对于高压巡线机器人的研究大多处于实验阶段，但巡线机器人由于其控制简单，成本适中，自动化程度高等特点，正在向实用化迅速发展，是巡线技术的总体发展方向。利用仿真技术建立机器人虚拟样机模型，对机器人进行动力分析、运动分析等，有助于提高机器人本体设计的质量和效率。
2.2.1 机器人仿真
合肥供电公司肥西公司针对高压输电线路巡检工作，阐述了一种巡线机器人作业方案。根据该方案，利用三维动画软件3DS MAX 建立了该机器人的虚拟模型，并对巡线机器人越障动作重点进行了可视化仿真，模拟机器人爬行及越障的实际运动状态。通过模拟和分析，验证了机器人设计方案的合理性。
仿真技术应用于机器人，国内从80年代后期才开始这一方面的研究工作。清华大学、浙江大学、沈阳自动化研究所及上海交通大学等做了起步工作，取得了一定成果。南京理工大学于1994年用C语言开发ROBGSS．ROLOPS系统，逐渐形成了较完善的机器人仿真系统。刘又午教授等人针对由底座、大臂、小臂和3个腕关节构成，且每个关节皆为圆柱铰接，只有1个分支，共计6个自由度的典型机器人多体系统，对程序进行了简化，开发出工业机器人动力学分析专用程序。中国农业大学周一鸣教授等引入GMCADS符号体系，建立了机构的数学模型，进而采用哈密尔顿正则方程进行机构动力学分析，开发了GMCADS广义机构计算机辅助设计系统。但是，国内的软件都只停留在实验室中，离软件商品化还有很大距离。
机器人计算机仿真具有以下意义：
(1) 对设计思想进行开发初期的验证和评价，包括对各种方案的运动学及动力学特性进行评估; (2) 为机器人的精确控制建立动力学模型并提供参考依据; (3) 对机器人进行产品最终设计上的性能检查，包括机器人能否按计划完成目标，同时评价其运行状况;
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(4) 产品最终性能跟踪、故障预测、诊断等需要有效的仿真模型辅助。
图2.1机器人越障动画(部分动作) 2.2.2巡检机器人越障
上海大学机电工程与自动化学院根据500kV超高压架空输电线路的结构及障碍特点，设计多传感器、多驱动器巡检机器人越障控制方案，提出采用多传感器二次定位方法实现巡检机器人越障时的空间定位。阐述系统的结构和越障原理，通过线下模拟实验环境，不断测试生成合理的知识库，实际越障时根据实测信号自动调用知识库完成自主越障动作。实验结果表明：传感器工作可靠，知识库和空间定位方法设计合理，巡检机器人能高效、快速、高精度地完成巡检及越障任务。
机器人自主跨越架空线上的障碍物是巡检机器人研究中的关键内容。作者针对巡检机器人越障轨迹的要求，完成对控制系统整体的设计及优化；根据机器人的工作环境和作业内容，通过人机交互界面，在模拟环境中摸索出所需要的翻越各种障碍物的动作组合，完成知识库的建立和修改；分析巡检机器人跨越障碍原理，针对越障过程中手臂上线时空间定位这一难点，提出采用多传感器二次定位的方法，其优点是节省手臂上线时间，提高空间定位的准确性。
在这篇文章中，机器人的控制系统实行分级控制，即远程管理主机控制系统和机器人本体控制系统，机器人本体控制系统包括机器人本体主控机和执行层。 5
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控制系统的组成结构如图2.2所示。
图2.2控制系统组成结构
中国科学院沈阳自动化研究所机器人学开放实验室和中国科学院研究生院联合分析出了一种改进的超高压输电线路巡检机器人越障方法。文章中介绍了一种新型的超高压输电线路巡检机器人，阐述了分阶段的控制策略。主要针对越障的工程实际问题，从理论上分析了越障阶段的难点：质心调节，输电线的辨识与定位问题。进行了仿真和试验,验证了控制策略和理论分析的正确性。
越障是巡检机器人典型的工程实际问题，也是巡检机器人研究的关键之一。轮臂复合机构能够提供伸缩和旋转配合，使得机器人具有跨越障碍的能力。分阶段控制策略分解了越障的运动过程，降低了编程难度。根据工程实际，详细分析了越障阶段的难点：质心调节、辨识和定位问题。根据实验环境的实际情况，进行了实验算例的参数分析和越障运动过程的仿真，验证了控制策略和理论分析的正确性。
在初步的实验室实验中，遇到由于惯性造成的机器人旋转角度过大、多次重复辨识定位才能正确上线等问题，解决方法还在研究中。
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图2.3 越障流程仿真
2.2 变电站巡检机器人
随着科技进步和电力体制改革的不断发展，以“信息化、数字化、自动化、互动化”为特征的智能电网建设逐渐深入。为保证变电站设备的安全可靠运行，更好更快地推进变电站无人值守进程，变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。传统的变电站巡视主要是通过人工方式，综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查，该方式存在劳动强度大，检测质量分散，主观因素多，巡检不到位难以监控，巡检结果数字化不便等缺陷，不符合智能电网的发展方向。变电站巡检机器人集成最新的机电一体化和信息化技术，采用自主或遥控方式，部分替代人对变电站室外设备进行可见光、红外、声音等检测，对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆，如：异物、损伤、发热和漏油等。巡检机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平，确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。
山东鲁能智能技术有限公司和浙江省电力公司嘉兴电力局，共同研究了变电站巡检机器人检测及控制系统，并发表了论文。文章针对全天候、强电磁等复杂背景下，要求变电站巡检机器人适应性强、可靠性高、控制灵活及检测结果准确等因素，介绍一种抗干扰能力强、实用化程度高、完全自主运行，能够满足变电站设备巡检要求的机器人检测及控制系统，主要包括导航定位及运动控制系统、7
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电源管理系统、云台控制系统、图像及声音检测系统。检测及控制系统是机器人的重要组成部分，为巡检机器人长期自主运行提供了有力支持。
1）导航定位及运动控制系统
变电站巡检机器人导航定位原理如图2.4所示，机器人采用磁导航，由安装于机器人前部的磁传感器组检测机器人相对于磁轨迹的偏移，从而引导机器人沿预定路线运行。其主要优点是导引原理简单而可靠，导航定位精度高并且重复性好，抗干扰能力强，缺点是磁轨迹铺设工作量大，地面处理工作量大，路径灵活性差。机器人依靠RFID标签定位，定位精度较高，可达厘米级。
图2.4 导航定位原理示意图
2）云台控制系统
变电站巡检机器人按照规划路线运行至检测点后，调用云台的预置位功能，云台带动可见光摄像机、红外热像仪等检测设备对准待检电力设备。云台性能直接影响可见光、红外图像质量。本文对云台本体采用模块化设计，结构紧凑坚固，齿轮间隙小于0.1°具有IP67防护等级。云台控制系统结构包含直流伺服电机、角度传感器、硬件限位和云台控制板，它们分别负责云台水平和垂直运动时的驱动、位置反馈、行程保护和系统控制。
2.3 校园巡逻机器人
巡检机器人作为服务机器人的一种，是随着近年来社会经济的发展，超级商场、机场、车站、会展中心及物流仓库等大型人流、物流场所规模和数量不断扩大，保安自动化需求日趋迫切这一环境下而催生的一种新型机器人。采用巡检机器人进行定时、定点监控巡逻或不间断流动巡逻将是解决当前情况的一种可行方案。巡逻机器人是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制以及报警装 8
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置于一体的多功能综合系统。将机器人用于保安工作，具有广阔的应用前景，近年来已受到国内外的重视，成为服务机器人的一个新研究方向。
山东大学的一名研究生在2013年5月发表的硕士论文中提到了校园巡逻机器人定位与避障技术研究。文章针对校园环境下移动机器人的定位与避障技术展开研究,并取得了一定成果，具体研究内容如下：
(1)针对校园环境范围大、结构简单的特点，结合RFID传感器信息传递功能，提出一种大范围拓扑环境学习与建模新方法。根据校园环境上下文信息需求，设计RFID标签格式，指导机器人进行环境学习，且以标签的分布代表环境整体结构，由标签内容传递导航任务，由此构建环境模型。
(2)针对激光数据存在噪声干扰的问题，设计了一种动态自适应中值滤波方法，利用激光数据时间和空间上的相关性，剔除噪声干扰，平滑激光数据。
(3)根据校园道路特点，采用激光传感器利用路沿高度区分路面区域，完成机器人定位，并针对单一传感器无法可靠定位的问题，提出了基于扩展卡尔曼滤波的激光与惯导模块角度信息融合方法，大大提高了机器人直道定位的精度和可靠性。在路口区域，使用RFID、激光、惯导模块与里程计相互配合，弥补缺陷,保证了路口区域机器人的定位精度。
(4)为保障机器人安全巡逻，在总结常用避障策略的基础上，提出一种新的角度势场法，将机器人所处环境的势场力转化到角度信息上，通过综合分析各角度的可通行性，得出机器人最佳方向选择。同时针对传统障碍检测方法的不足，采用倾斜向下安装的激光检测一个倾斜面，兼顾机器人前方与激光位置下方区域，获得更好的检测效果。
图2.5 机器人发现障碍
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图2.6 机器人选择通行方向
视觉作为机器人定位的常用方法，能够提供丰富、准确的环境信息，且设备价格低廉，易于安装使用，因此，视觉定位一直是机器人定位问题研究的热点。视觉定位通过分析采集的图像，从中提取出能够提供定位信息的人工地标或自然地标信息，从而完成对机器人的定位。邱波等通过视觉检测导航线及定位路标,实现了机器人在变电站的无人巡检。Saeedi等人提出了一种通过提取阁像特征的两步特征跟踪算法，并通过卡尔曼滤波提高了环境特征和移动本体的位赏估计精度，取得了较好的效果。对于完全非结构化的环景，Yang Cheng等设计的三维立体视觉定位方法在“机遇”号火里车上得到了成功应用。虽然视觉定位取得了广泛的应用，但视觉定位算法复杂,定位的实时性较差，且受环境中光照、尺度及部分遮挡等因素的影响较大，这都会对图像信息的理解和分析带来较大的困难。
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3总结
通过对巡检机器人的调研，我了解到巡检机器人运行在一些行业中发挥了很大的作用。目前各电力公司（尤其是山东省电力供电局）和研究所以及部分大学的人员均对它进行了深入的研究和探讨。本文主要对高压线巡检机器人、变电站巡检机器人和校园巡检机器人分别进行了调查和研究，从中知道他们在不同运行环境下拥有不同的功能以及相似的工作原理。
巡检机器人在最近的几年内一定会迅速发展，这已是不争的事实。但是如何在目前的基础和技术进一步完善，以及继续发开出新的功能是科研人员下一步的目标和动力。 11
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参考文献
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