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变电站巡检机器人系统设计与实现

冯坤  
【摘要】:变电站巡检机器人作为一种特种机器人,可以在变电站自主定位导航,并携带传感器代替变电站工作人员检测设备故障、记录仪表数据等。由于其在减少人力工作强度,保障变电站设备稳定运行,提高变电站智能化水平等方面的应用前景,已成为当前一个研究热点,一些成果已在国内变电站中运行。而提高其可靠性、准确性,智能化程度以及更友好的人机互动,使得变电站巡检机器人最终能真正完全代替人力在变电站进行巡检是当前主要研究方向。首先,针对变电站的实际环境,调研了相关标准以及国内外现有的变电站巡检机器人后确定了整体方案。采用了基于激光雷达的定位导航系统以减少机器人在部署时候的工作量和成本,提高巡检系统的灵活性。采用基于网络传输的可见光高清摄像头以及热成像高清摄像头以实现在监控后台的可靠集成与故障检测。监控后台采用B/S架构,使得工作人员可以使用任意一台电脑进行巡检任务的下达以及机器人的管理。为了实现巡检机器人在变电站的自主定位导航,为机器人设计了运动规划层软件。基于GMapping算法在变电站环境建立二维栅格地图,然后根据巡检任务与可行路径建立用于巡检的拓扑图。基于栅格地图使用AMCL(Adaptive Monte Carlo localization)算法进行定位。在拓扑图上根据下达的巡检任务点规划出一条最优路径,最后设计导航算法引导机器人完成点到点的直线导航。根据机器人要实现的巡检功能,以及配合监控后台进行人机交互,为机器人设计了功能层软件。为避免模块之间有可能会存在潜在的命令冲突,将机器人的工作划分为建图、部署、巡检、自动充电、手动操作五个工作模式以及一个空闲模式,然后进行模块化的软件设计完成所有功能。经现场调试和试验,软件系统工作正常,能完成所有既定功能。机器人室外定位精度达到±2.5cm,充电房内基于标识物的定位精度达到±1cm。路径跟随能够满足日常巡检任务要求,自动充电功能可以完成充电房室内的准确自主对桩。网络通讯系统能够满足机器人指令以及视频数据传输要求。试验结果表明:设计的巡检机器人系统能够满足变电站自主巡检要求。


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