一种低负担和高效率的变电站智能巡检系统

技术领域

本发明涉及一种变电站巡检技术，尤其是涉及一种低负担和高效率的变电站智能巡检系统。

背景技术

随着机器人行业的迅速发展，变电站日常的设备检查趋向于智能化。变电站巡检机器人是应用于变电站特殊作业的一种移动机器人。通过查找资料以及走访变电站，目前的变电站巡检任务主要依靠人力为主，检测方式大多数依赖于工人的经验，缺乏一定的准确性和安全性。由于变电站场地较大，仅仅依靠人力巡检，所需时间长，效率低下。为了减轻人力劳动，更快更高效的获取设备信息，引入机器人参与到变电站的日常巡检任务中。现如今，变电站巡检机器人已经投入到一些变电站来辅助工作人员完成日常巡检任务，其功能概括为：地图构建，路径规划，自主定位，智能检测和数据传输。

现有变电站巡检机器人，多采用磁导航，在地面铺设磁导线，使巡检机器人沿着磁导线运动，灵活性差，布设难度大且成本高，变电站巡检机器人所携带设备的检测形式单一，往往只能获取设备简单的自然光图像，巡检功能单一，使得设备故障诊断的准确性和可靠性较低，巡检机器人采集的监测数据通常存储于本地，完成一次巡检后一次性上传，效率低，巡检机器人的存储负担重，同时降低了监测数据的时效性，无法及时发现设备故障并解决，安全性差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低负担和高效率的变电站智能巡检系统，效率高，内存负担轻，可靠性高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低负担和高效率的变电站智能巡检系统，包括巡检机器人、若干个定位基站和上位机，所述的巡检机器人包括巡检小车，所述的巡检小车上设有控制器以及与控制器连接的导航模块、传感模块、无线通讯设备以及RFID阅读器，所述的控制器通过导航模块，控制巡检机器人沿着预设巡检路径行进，所述的若干个定位基站一一对应地设置在巡检路径附近的每个设备周围，每个定位基站包括RFID标签以及RFID标签连接的ZigBee终端节点，所述的RFID标签中存储有对应设备的设备信息，所述的巡检机器人靠近设备时，所述的RFID阅读器通过发送射频信号读取RFID标签中的设备信息，所述的RFID标签接收RFID阅读器的射频信号并发送至ZigBee终端节点，所述的ZigBee终端节点将射频信号无线发送至上位机，所述的传感模块包括若干类传感器，所述的控制器根据设备信息，控制相应类别的传感器采集传感信息，所述的控制器通过无线通讯设备将获取的传感信息无线传输至上位机；

在需要监测的设备周围对应设置一个定位基站，所述的RFID阅读器检测到RFID标签时，在巡检路径上暂停，所述的控制器读取RFID标签中的设备信息，并选用有效的传感器采集传感信息，所述的控制器通过无线通讯设备将获取的传感信息无线传输至上位机，省去了巡检结束后巡检机器人集中上传数据的步骤，关于各个设备的传感信息分步实时上传，提高了监测的时效性以及效率，所述的巡检机器人无需本地存储，大大减轻了巡检机器人的内存负担，适用于面积较大、设备数量较多的变电站；

当上位机接收到来自ZigBee终端节点发送的射频信号时，表明巡检机器人该时刻位于ZigBee终端节点对应的基站附近，因此具有定位作用，实现对巡检机器人的监控；

采用多种检测形式的传感器，对设备进行多角度、全方位监测，提高故障判断的准确率，所述的RFID标签中存储有对应设备的设备信息，不同设备需要不同的监测方式，所述的控制器根据设备信息选用有效的监测方式，避免了无效的传感数据的产生，提高了监测效率。

进一步地，所述的导航模块包括单目摄像头，所述的系统还包括沿巡检路径铺设的色带，所述的控制器通过单目摄像头，利用视觉检测技术控制巡检小车沿着色带铺设方向行进，通过单目摄像头获取路面信息，通过将视觉事件与驱动事件联结，应用负反馈调节，使得巡检机器人按照色带行进，巡检机器人的中心对准色带中轴线，布设成本和难度低。

进一步地，所述的上位机根据射频信号，通过电磁波强度算法，获取巡检机器人的精确定位，仅借助RFID标签和ZigBee终端节点即可实现精确定位，无需额外的定位设备。

进一步地，所述的巡检路径的预设过程包括：

获取变电站环境地图；

对变电站环境地图进行二值化和栅格化处理，获得变电站栅格地图；

通过优化蚁群算法，获取巡检路径；

所述的二值化处理，即将变电站环境地图上的障碍物统一模糊化为不可执行区，将道路简化为可执行区，所述的巡检路径在变电站栅格地图上所在栅格处铺设色带即可完成巡检机器人的巡检路径的规划，操作简便。

进一步地，所述的巡检小车包括底板以及底板上的行走单元。

进一步地，所述的行走单元包括若干个设置于底板底侧的驱动轮，每个驱动轮对应连接有一个驱动电机，所述的驱动电机与控制器连接；

所述的控制器根据单目摄像头获取色带图像，根据色带图像的偏移量增加对应的驱动电机的转速，根据负反馈调节，最终使得巡检机器人沿巡检路径行进。

进一步地，所述的传感模块包括音频采集器、红外热成像仪和监测摄像头。

进一步地，所述的巡检小车还包括设于底板上的第二舵机云台，所述的红外热成像仪和监测摄像头设于第二舵机云台上。

进一步地，所述的巡检小车还包括设于底板上的第一舵机云台，所述的导航模块设于第一舵机云台上。

进一步地，所述的巡检小车还包括天线，所述的天线设置在底板上，并与控制器连接；

所述的天线用于控制器与移动终端连接，便于通过移动终端对巡检小车进行控制、调试和信息查看。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明在需要监测的设备周围对应设置一个定位基站，RFID阅读器检测到RFID标签时，在巡检路径上暂停，控制器读取RFID标签中的设备信息，并选用有效的传感器采集传感信息，控制器通过无线通讯设备将获取的传感信息无线传输至上位机，省去了巡检结束后巡检机器人集中上传数据的步骤，关于各个设备的传感信息分步实时上传，提高了监测的时效性以及效率，巡检机器人无需本地存储，大大减轻了巡检机器人的内存负担，适用于面积较大、设备数量较多的变电站；

(2)本发明上位机接收到来自ZigBee终端节点发送的射频信号时，表明巡检机器人该时刻位于ZigBee终端节点对应的基站附近，因此具有定位作用，原理简单，无需额外的定位设备，节约布设成本，实现对巡检机器人的监控；

(3)本发明采用多种检测形式的传感器，对设备进行多角度、全方位监测，提高故障判断的准确率，RFID标签中存储有对应设备的设备信息，不同设备需要不同的监测方式，控制器根据设备信息选用有效的监测方式，避免了无效的传感数据的产生，提高了监测效率；

(4)本发明导航模块包括单目摄像头，系统还包括沿巡检路径铺设的色带，控制器通过单目摄像头，利用视觉检测技术控制巡检小车沿着色带铺设方向行进，通过单目摄像头获取路面信息，通过将视觉事件与驱动事件联结，应用负反馈调节，使得巡检机器人按照色带行进，巡检机器人的中心对准色带中轴线，布设成本和难度低；

(5)本发明上位机根据射频信号，通过电磁波强度算法，获取巡检机器人的精确定位，仅借助RFID标签和ZigBee终端节点即可实现精确定位，无需额外的定位设备，布设成本低；

(6)本发明获取变电站环境地图，对变电站环境地图进行二值化和栅格化处理，获得变电站栅格地图，通过优化蚁群算法，获取巡检路径，二值化处理即将变电站环境地图上的障碍物统一模糊化为不可执行区，将道路简化为可执行区，巡检路径在变电站栅格地图上所在栅格处铺设色带即可完成巡检机器人的巡检路径的规划，操作简便。

附图说明

图1为巡检机器人的立体结构示意图；

图2为巡检机器人的主视图；

图3为巡检机器人的侧视图；

图4为巡检机器人的俯视图；

图5为巡检机器人、色带以及基站的位置示意图；

图6为变电站栅格地图；

图中标号说明：

1-底板，2-驱动轮，3-驱动电机，4-锂电池组，5-第一舵机云台，6-单目摄像头，7-音频采集器，8-控制器，9-无线通讯设备，10-第一支撑板，11-第二支撑板，12-第三支撑板，13-第二舵机云台，14-红外热成像仪，15-监测摄像头，16-RFID阅读器，17-RFID标签，18-ZigBee终端节点，19-色带，20-天线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种低负担和高效率的变电站智能巡检系统，如图1、图2、图3、图4和图5，包括巡检机器人、若干个定位基站和上位机，巡检机器人包括巡检小车，巡检小车上设有控制器8以及与控制器8连接的导航模块、传感模块、无线通讯设备9以及RFID阅读器16，控制器8通过导航模块，控制巡检机器人沿着预设巡检路径行进，若干个定位基站一一对应地设置在巡检路径附近的每个设备周围，每个定位基站包括RFID标签17以及RFID标签17连接的ZigBee终端节点18，RFID标签中存储有对应设备的设备信息，巡检机器人靠近设备时，RFID阅读器16通过发送射频信号读取RFID标签17中的设备信息，RFID标签17接收RFID阅读器16的射频信号并发送至ZigBee终端节点18，ZigBee终端节点18将射频信号无线发送至上位机，传感模块包括若干类传感器，控制器8根据设备信息，控制相应类别的传感器采集传感信息，控制器8通过无线通讯设备9将获取的传感信息无线传输至上位机；

在需要监测的设备周围对应设置一个定位基站，RFID阅读器16检测到RFID标签17时，在巡检路径上暂停，控制器8读取RFID标签17中的设备信息，并选用有效的传感器采集传感信息，控制器8通过无线通讯设备9将获取的传感信息无线传输至上位机，省去了巡检结束后巡检机器人集中上传数据的步骤，关于各个设备的传感信息分步实时上传，提高了监测的时效性以及效率，巡检机器人无需本地存储，大大减轻了巡检机器人的内存负担，适用于面积较大、设备数量较多的变电站；

当上位机接收到来自ZigBee终端节点18发送的射频信号时，表明巡检机器人该时刻位于ZigBee终端节点18对应的基站附近，因此具有定位作用，实现对巡检机器人的监控；

传感模块包括音频采集器7、红外热成像仪14和监测摄像头15，采用多种检测形式的传感器，对设备进行多角度、全方位监测，提高故障判断的准确率，RFID标签中17存储有对应设备的设备信息，不同设备需要不同的监测方式，控制器8根据设备信息选用有效的监测方式，避免了无效的传感数据的产生，提高了监测效率，变电站内主要的设备有500kVGIS设备、主变压器、220kV继电保护室以及500kV GIS设备，220kV继电保护室通常检测的检查指标有：

盘柜上各元件标志、名称是否齐全；

转换开关、各种按钮、动作是否灵活；

接点接触有无压力和烧伤；

中控室光字牌、红绿指示灯泡是否完好；

各盘柜上表计、继电器及接线端子螺钉有无松动；

电压、二次引线端子是否完好；

配线是否整齐，固定卡子有无脱落；

操作机构动作是否正常；

除了需要人为采样判断的检查指标外，其余检查指标都是设备表面以及设备与设备之间的连接情况，因此需要采集继电保护室的高清图片和视频，来判断设备是否正常运行，因此主要用到监测摄像头15；

主变压器在运行中，通常的检测指标有：

主变压器有无渗油、漏油现象；

主变压器产生的声音是否正常；

变压器的温度指示是否正常；

油的颜色和油位是否正常，新变压器油呈浅黄色，运行以后呈浅红色，需收集主变压器的高清图片，用来判断变压器有无渗油、漏油现象，油的颜色和油位是否正常；主变压器产生的声音一般应为平稳的嗡嗡声，如发现有杂音或有不均匀的放电声，就认为变压器内部有故障，需要收集主变压器运行时产生的声音，用来判断主变压器是否正常运行；如超过85℃应立即采取措施，或停止运行，或强迫降温。即需要收集主变压器的红外热成像图，来判断变压器温度是否正常，综上，监测主变压器需要用到音频采集器7、红外热成像仪14和监测摄像头15。

RFID标签17通过SPI接口与ZigBee终端节点18连接，RFID标签17接收RFID阅读器16发送的射频信号，经过解调和解码后，通过SPI接口发送至ZigBee终端节点18，ZigBee终端节点18在将射频信号无线传输至上位机，上位机根据射频信号，通过电磁波强度算法，获取巡检机器人的精确定位。

导航模块包括单目摄像头6，系统还包括沿巡检路径铺设的色带19，控制器8通过单目摄像头6，利用视觉检测技术控制巡检小车沿着色带19铺设方向行进，通过单目摄像头6获取路面信息，通过将视觉事件与驱动事件联结，应用负反馈调节，使得巡检机器人按照色带19行进，巡检机器人的中心对准色带19中轴线，布设成本和难度低。

巡检路径的预设过程包括：

获取变电站环境地图；

对变电站环境地图进行二值化和栅格化处理，获得变电站栅格地图；

通过优化蚁群算法，获取巡检路径；

二值化处理，即将变电站环境地图上的障碍物统一模糊化为不可执行区，将道路简化为可执行区，巡检路径在变电站栅格地图上所在栅格处铺设色带19即可完成巡检机器人的巡检路径的规划，操作简便；

在MATLAB软件上进行栅格化处理；

变电站栅格地图如图6所示，其中，可执行区表示为白色，不可执行区表示为黑色，黑点表示基站设置的位置。

巡检小车包括底板1以及底板1上的行走单元、锂电池组4、第一舵机云台5和第二舵机云台13；

行走单元包括若干个设置于底板1底侧的驱动轮2，每个驱动轮2对应连接有一个驱动电机3，驱动电机3与控制器8连接；

控制器8根据单目摄像头6获取色带19图像，根据色带19图像的偏移量增加对应的驱动电机3的转速，根据负反馈调节，最终使得巡检机器人沿巡检路径行进。

底板1上设有第一支撑板10和第三支撑板12，第二舵机云台13设于第三支撑板12上，红外热成像仪14和监测摄像头15设于第二舵机云台13上，导航模块设于第一舵机云台5上，控制器8为Jetson NANO核心控制器，设于第一支撑板10上。

巡检小车还包括天线20，天线20设置在底板1上，并与控制器8连接；

天线20用于控制器8与移动终端连接，便于通过移动终端对巡检小车进行控制、调试和信息查看。

本实施例提出了一种低负担和高效率的变电站智能巡检系统，提高了监测的时效性以及效率，大大减轻了巡检机器人的内存负担，实现对巡检机器人的监控，对设备进行多角度、全方位监测，提高故障判断的准确率，避免了无效的传感数据的产生，提高了监测效率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。