專利名稱：變電站設備智能巡檢機器人系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力設備保護領域，特別涉及一種用于變電站設備監視與巡查的智能 巡檢機器人系統。
背景技術：
傳統的變電站巡檢工作主要由工作人員來完成，但對于無人值守或少人值守的變 電站，巡檢工作是一件非常困難的工作，尤其對偏遠地區的變電站，需要耗費大量的人力和 時間；其次，由于變電站多為高壓、高輻射設備，人工巡檢具有很大的危險性；同時對于無 人值守或少人值守的變電站，當變電站故障時的應急指揮調度難度也非常大。因此運用智 能機器人系統在一定程度上代替人工對變電站實行自動巡檢，將成為變電站巡檢的發展趨 勢。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種變電站設備智能巡檢機器人系統，該系統通 過定位系統對機器人準確導航、定位，采集電氣設備的工作狀態，即時向控制中心返回設備 狀態和機器人本體工作狀態，同時，通過無線網絡對機器人實施監控并對返回的數據進行 處理，即時發現電氣設備的外觀異常和內部熱缺陷等故障，從而實現對偏遠地區和無人值 守變電站的安全、可靠地巡檢。本發明的目的是通過以下技術方案實現的
該變電站設備智能巡檢機器人系統包括控制中心、無線通訊網絡和巡檢機器人，所述 控制中心通過無線通訊網絡與巡檢機器人實現遠程控制和數據傳輸，其中，所述控制中心 包括以下組成部分
1)上位控制主機；
2)巡檢監測數據處理模塊，接收巡檢機器人發回的監測數據并進行處理；
3)機器人遠程遙控發射模塊，用于向機器人發出遙控指令； 所述巡檢機器人包括以下組成部分
1)機器人控制單元；
2 )機器人本體機構，包括行走裝置、行走裝置電控系統和安裝架，其中，行走裝置電控 系統與機器人控制單元電聯接；
3)機器人探障導航裝置，采集用于調整機器人的運動姿態的相關信息并傳輸至機器人 控制單元；
4)機器人遠程遙控接收模塊，接受控制中心發出的控制指令并根據控制指令啟動相應 操作；
5)現場信號采集傳輸裝置，用于采集變電站現場的圖像、視頻和音頻信號并通過無線 通訊網絡傳輸至控制中心；
所述機器人控制單元、機器人探障導航裝置、機器人遠程遙控接收模塊和現場信號采集傳輸裝置均設置在機器人本體機構上。進一步，所述巡檢監測數據處理模塊包括現場信號處理子模塊、電力設備狀態巡 檢子模塊、電力設備監測數據顯示子模塊和監測數據存儲子模塊，所述現場信號處理子模 塊通過無線通訊網絡得到巡檢機器人采集的相關數據，經過處理后傳輸至電力設備狀態巡 檢子模塊、電力設備監測數據顯示子模塊和監測數據存儲子模塊；
進一步，所述控制中心還包括電子地圖展現模塊，用于顯示變電站模擬場景和巡檢機 器人的實時位置和行走路線；
進一步，所述機器人探障導航裝置包括多個定位傳感器，以及與機器人本體機構相聯 接的電控系統，所述電控系統根據定位傳感器采集的數據調整巡檢機器人的運動姿態；
進一步，所述定位傳感器包括超聲波傳感器、磁傳感器和RFID讀寫器，所述RFID讀寫 器和磁傳感器根據事先設置在變電站巡視路線上的RFID標簽和磁條進行實時數據采集， 保證行走路線；
進一步，所述現場信號采集傳輸裝置包括至少一個可見光攝像儀、紅外攝像儀、調整云 臺和視頻服務器，所述可見光攝像儀和紅外攝像儀采集的現場音視頻信號通過視頻服務器 傳輸至無線通訊網絡；
進一步，所述視頻服務器包括視頻壓縮模塊、圖像壓縮模塊和視頻圖像數據發送模塊， 所述視頻壓縮模塊與可見光攝像儀的輸入端相聯接，所述圖像壓縮模塊與紅外攝像儀的輸 入端相聯接，所述視頻壓縮模塊和圖像壓縮模塊的輸出端均與視頻圖像數據發送模塊的輸 入端相聯接；
進一步，所述機器人遠程遙控發射模塊包括行走遙控發射子模塊和云臺遙控發射子模 塊，所述行走遙控發射子模塊用于巡檢機器人的行走控制，所述云臺遙控發射子模塊用于 調整云臺的角度控制；
進一步，所述無線通訊網絡包括交換器I、無線網橋I、交換器II和無線網橋II，其中交 換器I和無線網橋I用于控制中心的無線通訊，所述交換器II和無線網橋II用于巡檢機 器人的無線通訊；
進一步，所述巡檢機器人還包括故障自診斷與保護模塊，用于機器人本體機構發生故 障時的自動處理。本發明的有益效果是
1.本系統通過巡檢機器人對變電站內的電力設備進行巡檢(機器人通過其所攜帶的攝 像裝置對電力設備進行錄像和錄音等)，并通過無線網絡將實時采集的相關數據發送至控 制中心并在相關設備上進行顯示，工作人員可以方便地遠程監視現場的工作情況和設備的 運行情況，同時，工作人員還能夠對機器人本體和攝像裝置實施遠程遙控操作，不僅可以遠 程控制機器人行走而且可以控制攝像儀和紅外熱像儀的云臺、焦距等，從而實現了對偏遠 地區和無人值守站的遙控監測，省時省力，節約了人力成本；
2.本系統通過電力設備監測數據顯示子模塊能夠將巡檢機器人回傳的本體狀態數據 和電力設備狀態數據并將其在窗口中顯示出來，便于工作人員了解各項參數；同時，本系統 還包括電子地圖展現模塊，控制中心根據繪制出的變電站電子地圖，對巡檢機器人的工作 過程進行全面展現，其顯示直觀，便于工作人員及時地了解現場的巡檢狀況；
3.本發明還具有可靠的機器人導航定位裝置，使機器人要能夠沿著巡檢路線巡游，同時對電力設備能夠準確定位；
4.本發明的巡檢機器人還具有故障診斷和自保護功能，通過故障診斷和自保護模塊對 本體機構進行檢測，一旦發現故障，系統發出報警信息并采取相應措施進行自我保護，從而 提高了巡檢機器人的安全性，不會因為機器人發生故障對變電站的正常工作產生影響。本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進 一步的詳細描述，其中
圖1為本發明的總體架構示意圖2為無線通訊網絡的網絡連接拓撲圖3為巡檢機器人控制的整體框圖4為RFID與磁條安裝示意圖5為現場信號采集傳輸裝置的結構示意圖6為視頻/紅外圖像顯示工作圖7為電子地圖展現模塊的組成示意圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例 僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。圖1為本發明的總體架構圖，如圖1所示，本發明的變電站設備智能巡檢機器人系 統，主要包括控制中心1、無線通訊網絡2和巡檢機器人3三大部分，控制中心1通過無線 通訊網絡2與巡檢機器人3實現遠程控制和數據傳輸，其中，控制中心主要包括以下組成部 分
1)巡檢監測數據處理模塊11包括現場信號處理子模塊111、電力設備狀態巡檢子模 塊112、電力設備監測數據顯示子模塊113和監測數據存儲子模塊114，其中，現場信號處理 子模塊111通過無線通訊網絡得到巡檢機器人采集的相關數據，經過處理后傳輸至電力設 備狀態巡檢子模塊112、電力設備監測數據顯示子模塊113和監測數據存儲子模塊114 ；
2)機器人遠程遙控發射模塊12包括行走遙控發射子模塊121和云臺遙控發射子模 塊122，其中，行走遙控發射子模塊121用于巡檢機器人的行走控制，所述云臺遙控發射子 模塊122用于調整云臺的角度控制；
3)電子地圖展現模塊13用于顯示變電站模擬場景和巡檢機器人的實時位置和行走 路線；
4)上位控制主機14發出控制指令至各模塊。巡檢機器人3包括以下組成部分
1)機器人本體機構31 包括一個獨立的行走裝置、行走裝置電控系統和安裝支架；2)機器人探障導航裝置32包括多個傳感器單元，行走裝置電控系統根據傳感器單元 采集的數據調整巡檢機器人的運動姿態；本實施例中，傳感器單元包括超聲波傳感器、磁傳 感器和RFID讀寫器；
3)機器人遠程遙控接收模塊33接受控制中心發出的控制指令并根據控制指令啟動 相應操作；
4)現場信號采集傳輸裝置34包括可見光攝像儀、紅外攝像儀、調整云臺和視頻服務 器，可見光攝像儀和紅外攝像儀通過調整云臺安裝在機器人本體機構31上，并將采集的現 場音視頻信號通過視頻服務器傳輸至無線通訊網絡。5)機器人控制單元35 接收上位控制主機發出的指令，并根據指令控制巡檢機器 人的各模塊。圖2為無線通訊網絡的網絡連接拓撲圖，如圖所示，無線通訊網絡2包括交換器I 21、無線網橋I 22、交換器II 23和無線網橋II 24，其中交換器I 21和無線網橋I 22用 于控制中心的無線通訊，交換器II 23和無線網橋II M用于巡檢機器人的無線通訊，控 制中心的服務器與機器人之間采用點對點的無線網絡連接，通過在在機器人上安裝全向天 線，確保在任何方向上都能夠接收到無線網絡信號，服務器通過交換機和無線網橋相連，在 網絡設置上保證機器人和服務器處于同一個局域網網段中，這樣機器人和控制中心就能夠 實現相互通信。圖3為巡檢機器人控制的整體框圖，如圖所示，巡檢機器人的運動控制主要分為 三部分1.停止運動由于出現緊急情況(如前方出現障礙物或者機器人內部溫度過高)以 及需要檢測電氣設備時，機器人會停止前進，等現場排除故障或電氣檢測結束時，機器人會 繼續前進；2.轉彎運動當機器人收到由導航定位裝置發出的轉彎命令后，便開始轉彎，當 轉彎結束后，機器人會開始直線運動；3.直線行走運動當機器人沒有收到停車命令或者 轉彎命令時，機器人按直線行走。本實施例中，巡檢機器人的探障導航通過以下傳感器單元實現
1)超聲波傳感器單元超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。具有頻 率高、波長短、繞射現象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固 體的穿透性好，超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體 能產生多普勒效應，因此，本發明中的超聲波傳感器用于探查前方障礙，為巡檢機器人提供 fn息；
2)導航傳感器單元主要包括RFID讀寫器與磁傳感器，RFID讀寫器和磁傳感器分別根 據事先設置在變電站巡視路線上的RFID標簽和磁條進行實時數據采集，保障行走路線。圖 4為RFID與磁條安裝示意圖，如圖所示，通過在巡檢線路上每隔一段距離安裝RFID標簽以 提供距離信息，在轉彎的地方放置RFID標簽以提供轉彎信息，在待檢設備前設置RFID標簽 提供定點信息，當機器人靠近RFID標簽時讀取標簽信息，從而判定行走的里程和行進的方 向；在變電站指定的巡檢路線上每隔一定間隔鋪設磁條，磁傳感器分別安裝在巡檢機器人 的前端和后端上，磁傳感器之間間隔一定的距離，當機器人在磁條上行走時，磁傳感器檢測 磁條的磁場，根據感應到磁場的磁傳感器的位置計算出車體的偏差，控制程序調用校正算 法對車體位置進行校正。需要說明的是，超聲波傳感器和磁傳感器還能夠在允許的精度范圍內采集電氣設備的相關參數，為工作人員了解電氣設備的運行狀況提供參考。圖5為現場信號采集傳輸裝置的結構示意圖，本裝置讀取狀態參數或者接收控制 中心發來的狀態參數，通過調整可見光攝像儀和紅外攝像儀的方向、焦距等參數來獲取電 氣設備的運行狀態數據和表盤數據。圖6為視頻/紅外圖像顯示工作圖，如圖所示，視頻服務器344包括視頻壓縮模塊 344a,圖像壓縮模塊344b和視頻圖像數據發送模塊3Mc，視頻壓縮模塊34 與可見光攝像 儀的輸入端相聯接，圖像壓縮模塊344b與紅外攝像儀的輸入端相聯接，視頻壓縮模塊和圖 像壓縮模塊的輸出端均與視頻圖像數據發送模塊3Mc的輸入端相聯接。本發明的上位控制主機和機器人控制單元進行通訊后，上位控制主機向機器人控 制單元發送控制信息，機器人控制單元通過機器人遠程遙控接收模塊接收到控制參數后， 將控制信息參數轉化為控制命令，并發送到相應的模塊進而完成對云臺方向轉動控制、攝 像機的焦距控制以及紅外攝像儀的控制。遠端用圖像采集設備(可見光攝像儀和視頻采集卡、紅外攝像儀)尋找目標(控制 云臺來實現)調節焦距，采集原始圖像信息后，然后進行視頻壓縮，再將圖像流上傳到控制 中心，控制中心在視頻解壓以后進行顯示。 在巡檢機器人巡檢過程中，還可以對視頻圖像進行截圖和錄像。控制中心程序發 送相應指令，程序就可生成圖片和視頻文件，作為一種數據資料保存。圖7為電子地圖展現模塊的組成示意圖，如圖所示，該電子地圖展現模塊主要包 含電子地圖，機器人狀態和路徑規劃三大板塊，其中，電子地圖用于展現變電站的模擬場 景，巡檢機器人通過無線網絡將自身所處的位置、行走路線、正在進行的工作等狀態信息回 傳至控制中心軟件，經過處理后在電子地圖上展現給工作人員。這使得工作人員以非常直 觀的方式了解現場的情況，也使得人機界面十分友好。機器人狀態顯示是在利用GIS (地理信息系統)技術的基礎上，通過圖形的方式實 時展現機器人行走路徑、機器人運行狀態、設備定位位置以及實施路徑規劃等。在地理信息 系統開發軟件和計算機硬件的支持下，將實際的地理空間信息與計算機虛擬的圖形界面關 聯起來，實現對機器人狀態的遠程監控。路徑規劃是工作人員根據其需要對指定的電力設備進行巡檢時，通過事先選定需 要巡檢的電力設備，機器人在接收到巡檢任務后，在自動巡檢模式下，會按照規劃路徑進行 電力設備巡檢。本系統的無線通訊網絡采用美國Axelwave公司的無線網絡設備構建而成，該無 線網絡能夠提供較高的傳輸帶寬和穩定的傳輸質量，滿足了本項目對視頻數據的傳輸要 求。從現場運行來看，機器人所回傳的視頻圖像和紅外圖像質量清晰。在設備以及房屋阻 擋的情況下很少出現畫面“卡殼”的現象，所產生的時間延遲在可以接受的范圍之內。本發明的需要傳輸的數據量大、數據類型較多，因此不僅需要高質量、高可靠性的 網絡，還需要高壓縮比的數據壓縮技術和Windows下的數據傳輸技術。本發明采用海康的 數據壓縮卡，實現了快速、高壓縮比的數據壓縮，接收方采用軟件解壓，使得視頻和紅外圖 像播放十分流暢。系統在數據傳輸過程中采用Windows提供的套接字技術，該技術不考慮底層網絡 究竟是有線還是無線，也不考慮是什么公司的網絡產品，只要支持TCP/IP協議，就可以實現數據傳輸。因此該系統的網絡可移植性較好。本實施例中，上位控制主機與機器人控制單元位機之間采用TCP/IP協議進行通 訊，在巡檢機器人巡檢過程中，不斷檢測網絡的通斷狀態，當檢測到網絡斷開時，上位控制 主機立刻給機器人發送停止命令，巡檢機器人停止運行。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
權利要求
1.變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述系統包括控制中心、無線通訊 網絡和巡檢機器人，所述控制中心通過無線通訊網絡與巡檢機器人實現遠程控制和數據傳 輸，其中，所述控制中心包括以下組成部分1)上位控制主機；2)巡檢監測數據處理模塊，接收巡檢機器人發回的監測數據并進行處理；3)機器人遠程遙控發射模塊，用于向機器人發出遙控指令；所述巡檢機器人包括以下組成部分1)機器人控制單元；2 )機器人本體機構，包括行走裝置、行走裝置電控系統和安裝架，其中，行走裝置電控 系統與機器人控制單元電聯接；3)機器人探障導航裝置，采集用于調整機器人的運動姿態的相關信息并傳輸至機器人 控制單元；4)機器人遠程遙控接收模塊，接受控制中心發出的控制指令并根據控制指令啟動相應 操作；5)現場信號采集傳輸裝置，用于采集變電站現場的圖像、視頻和音頻信號并通過無線 通訊網絡傳輸至控制中心；所述機器人控制單元、機器人探障導航裝置、機器人遠程遙控接收模塊和現場信號采 集傳輸裝置均設置在機器人本體機構上。
2.根據權利要求1所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述巡檢監 測數據處理模塊包括現場信號處理子模塊、電力設備狀態巡檢子模塊、電力設備監測數據 顯示子模塊和監測數據存儲子模塊，所述現場信號處理子模塊通過交換器I得到巡檢機器 人采集的相關數據，經過處理后傳輸至電力設備狀態巡檢子模塊、電力設備監測數據顯示 子模塊和監測數據存儲子模塊。
3.根據權利要求1或2所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述控 制中心還包括電子地圖展現模塊，用于顯示變電站模擬場景和巡檢機器人的實時位置和行 走路線。
4.根據權利要求1所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述機器人 探障導航裝置包括多個定位傳感器，以及與機器人本體機構相聯接的電控系統，所述電控 系統根據定位傳感器采集的數據調整巡檢機器人的運動姿態。
5.根據權利要求4所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述定位傳 感器包括超聲波傳感器、磁傳感器和RFID讀寫器，所述RFID讀寫器和磁傳感器根據事先設 置在變電站巡視路線上的RFID標簽和磁條進行實時數據采集，保證行走路線。
6.根據權利要求1所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述現場信 號采集傳輸裝置包括至少一個可見光攝像儀、紅外攝像儀、調整云臺和視頻服務器，所述可 見光攝像儀和紅外攝像儀采集的現場音視頻信號通過視頻服務器傳輸至無線通訊網絡。
7.根據權利要求6所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述視頻服 務器包括視頻壓縮模塊、圖像壓縮模塊和視頻圖像數據發送模塊，所述視頻壓縮模塊與可 見光攝像儀的輸入端相聯接，所述圖像壓縮模塊與紅外攝像儀的輸入端相聯接，所述視頻 壓縮模塊和圖像壓縮模塊的輸出端均與視頻圖像數據發送模塊的輸入端相聯接。
8.根據權利要求1所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述機器人 遠程遙控發射模塊包括行走遙控發射子模塊和云臺遙控發射子模塊，所述行走遙控發射子 模塊用于巡檢機器人的行走控制，所述云臺遙控發射子模塊用于調整云臺的角度控制。
9.根據權利要求1所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述無線通 訊網絡包括交換器I、無線網橋I、交換器II和無線網橋II，其中交換器I和無線網橋I用 于控制中心的無線通訊，所述交換器II和無線網橋II用于巡檢機器人的無線通訊。
10.根據權利要求1所述的變電站設備智能巡檢機器人系統，其特征在于所述巡檢機 器人還包括故障自診斷與保護模塊，用于機器人本體機構發生故障時的自動處理。
全文摘要
本發明公開了一種變電站設備智能巡檢機器人系統，包括控制中心、無線通訊網絡和巡檢機器人，控制中心通過無線通訊網絡與巡檢機器人實現遠程控制和數據傳輸，其中，控制中心包括上位控制主機、巡檢監測數據處理模塊和機器人遠程遙控發射模塊；巡檢機器人包括機器人控制單元、機器人本體機構、機器人探障導航裝置、機器人遠程遙控接收模塊和現場信號采集傳輸裝置，本系統通過巡檢機器人對變電站內的電力設備進行巡檢，并通過無線網絡將實時采集的相關數據發送至控制中心并在相關設備上進行顯示，工作人員可以方便地遠程監視現場的工作情況和設備的運行情況，從而實現了對偏遠地區和無人值守站的遙控監測，省時省力。
文檔編號H02J13/00GK102082466SQ201010508300
公開日2011年6月1日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者姚林, 胡啟明, 譚昊 申請人:重慶市電力公司超高壓局