摘要：隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)作為其中的重要組成部分，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域取得了顯著成果，為電力巡檢工作的自動(dòng)化和智能化提供了新的可能性。基于機(jī)器視覺(jué)，設(shè)計(jì)了一款電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的自動(dòng)化巡檢和數(shù)據(jù)分析，從而提高巡檢效率、降低成本，保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；電力巡檢；機(jī)器人系統(tǒng)；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP242；TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著變電站規(guī)模的日益壯大，如何保證其平穩(wěn)運(yùn)行面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)，也使得巡檢工作的執(zhí)行變得愈發(fā)困難?，F(xiàn)階段的變電站主要依賴于人工巡檢，但這常常導(dǎo)致誤檢和漏檢等問(wèn)題的發(fā)生，進(jìn)而可能造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。此外，還有一部分變電站采用了遠(yuǎn)程監(jiān)視技術(shù)作為巡檢方式，然而在此過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)一些監(jiān)控盲點(diǎn)，并且由于遠(yuǎn)程監(jiān)視受到通信帶寬的制約，因此難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的普及應(yīng)用。

1 機(jī)器視覺(jué)原理

機(jī)器視覺(jué)主要是基于收集、處理和解讀圖像信息，以達(dá)成對(duì)特定對(duì)象的辨識(shí)、解析和理解。在實(shí)際實(shí)施機(jī)器視覺(jué)的過(guò)程中，主要涵蓋了三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括圖像捕捉、圖像處理和圖像辨識(shí)。①圖像捕捉是指利用攝像頭等設(shè)備，獲取目標(biāo)物體的圖像信息，并將這些圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號(hào)；②圖像處理則是針對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)先處理、強(qiáng)化、壓縮等一系列操作，以期能更有效地進(jìn)行后續(xù)的圖像辨識(shí)與解析工作；③圖像辨識(shí)則是借助計(jì)算機(jī)算法，從圖像中抽取特征并進(jìn)行分類，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的精確識(shí)別與深入分析。借助于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，研究人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備與線路的自動(dòng)化識(shí)別、檢測(cè)與分析，對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警，進(jìn)而提高電力運(yùn)維的效率與穩(wěn)定性[1]。

2 機(jī)器視覺(jué)在電力巡檢中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電力巡檢方式通常需要大量的人力、物力，而且存在巡檢過(guò)程中的盲區(qū)和安全隱患。機(jī)器視覺(jué)通過(guò)攝像頭獲取實(shí)時(shí)圖像或視頻，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、分析和評(píng)估，大大提高了巡檢效率和準(zhǔn)確性。首先，機(jī)器視覺(jué)在電力巡檢中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別。傳統(tǒng)的巡檢方式需要巡檢人員逐一目測(cè)，存在漏檢和誤檢的情況，而機(jī)器視覺(jué)可以通過(guò)圖像處理算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率高，能夠快速找到電力設(shè)備的位置。其次，機(jī)器視覺(jué)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估。通過(guò)對(duì)電力設(shè)備的圖像進(jìn)行分析，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況并及時(shí)報(bào)警。例如，溫濕度傳感器和溫振變送器可以檢測(cè)設(shè)備的溫度、濕度、震動(dòng)等參數(shù)，判斷設(shè)備是否存在故障風(fēng)險(xiǎn)，為運(yùn)維人員提供及時(shí)的參考。另外，機(jī)器視覺(jué)在電力巡檢中還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)。電力設(shè)備往往安裝在復(fù)雜的環(huán)境中，存在雜草覆蓋、異物堆積等情況，這些都可能影響設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 充電房模塊設(shè)計(jì)

在充電房模塊的設(shè)計(jì)中，首要任務(wù)便是將充電房打造成為機(jī)器人的自動(dòng)充電站點(diǎn)。為了能夠構(gòu)建一個(gè)設(shè)施齊全的充電房，選擇設(shè)備區(qū)域的中心地帶作為理想的建設(shè)場(chǎng)所，以便讓巡檢機(jī)器人能夠隨時(shí)隨地得到充足的電力補(bǔ)給，從而有效規(guī)避機(jī)器人因長(zhǎng)時(shí)間工作而導(dǎo)致電量耗盡的潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，為了便于鋪設(shè)電線電纜，在充電房的底部鋪設(shè)了一層厚實(shí)的水泥地面，以防止可能出現(xiàn)的地面下沉。標(biāo)準(zhǔn)地基的尺寸為3.0 m×3.0 m（長(zhǎng)×寬），在底部增加了10 cm的墊層，并設(shè)置了排水孔，確保充電房?jī)?nèi)不會(huì)出現(xiàn)積水的情況。充電房的建設(shè)工作完成之后，通過(guò)接地線將其與接地體或者附近的電纜溝緊密相連，以防止高壓帶電設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)電[3]。

3.2 本體機(jī)械模塊設(shè)計(jì)

在制作機(jī)器人本體機(jī)械模塊的過(guò)程中，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單元、本體單元以及電源單元等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都進(jìn)行了周密的規(guī)劃和專業(yè)的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單元選擇靈活、可靠的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，主要采用輪轂電機(jī)這一創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密的驅(qū)動(dòng)功能。為滿足機(jī)器人巡檢作業(yè)的獨(dú)特需求，選擇一種應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)的電動(dòng)車輪轂電機(jī)，并且根據(jù)實(shí)際工況對(duì)其尺寸參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以確保其達(dá)到最佳性能。DMK28-DEC2838微型轉(zhuǎn)向電機(jī)具有出色的性能表現(xiàn)，以及低噪聲和高扭矩兩大優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡校正后，其能夠穩(wěn)定運(yùn)行且不會(huì)產(chǎn)生任何振動(dòng)現(xiàn)象，并對(duì)電機(jī)外表面進(jìn)行電鍍處理，防止生銹以及其他可能的污染問(wèn)題。

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程主要通過(guò)選取合適的編碼器、聯(lián)軸器和減速器等關(guān)鍵零部件，將其產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力有效傳遞至輪叉部位，然后與機(jī)器人的力矩輸出軸進(jìn)行緊密銜接。設(shè)計(jì)電機(jī)支撐板，以確保轉(zhuǎn)向電機(jī)能夠穩(wěn)定地安裝在連接架上。輪轂電機(jī)固定于輪叉上，并且憑借連接支架在機(jī)器人車體上固定整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用以上固定方式，并精確控制轉(zhuǎn)向電機(jī)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪轉(zhuǎn)角的精確定制，還可以利用編碼器將車輪轉(zhuǎn)向角的相關(guān)信息反饋給控制單元。通過(guò)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)和輪轂電機(jī)，機(jī)器人能夠達(dá)到靈活、迅速的移動(dòng)效果。本文所選的編碼器為12位編碼器，型號(hào)為EAC90P15BS6XPCR-4096；聯(lián)軸器采用了鼓形齒式聯(lián)軸器，型號(hào)為GICL-23；減速器選擇了輕載模塊化減速器，型號(hào)為H/B36。

為確保數(shù)據(jù)交互和信息采集等功能的順利實(shí)現(xiàn)，整合了兩大核心組成部分：雙視云臺(tái)和移動(dòng)載體。雙視云臺(tái)主要采用了先進(jìn)的非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)，即雙視紅外監(jiān)測(cè)設(shè)備。該設(shè)備具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，在預(yù)先設(shè)定的位置上高效獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；通過(guò)在機(jī)體上安裝無(wú)線通信設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸變?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀況。移動(dòng)載體主要職責(zé)是搭載導(dǎo)航設(shè)備與可視設(shè)備，使機(jī)器人能夠在預(yù)設(shè)的路徑和限定范圍內(nèi)自由、靈活地運(yùn)動(dòng)[4]。

電源能實(shí)現(xiàn)包括自檢報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源使用情況以及對(duì)電源狀況的精確檢測(cè)等功能。為滿足需求，構(gòu)造了兩大重要模塊，分別為本體承載電源模塊和電源管理模塊。其中，電源管理模塊的主要職責(zé)是時(shí)刻監(jiān)控機(jī)器人的剩余電量，一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)器人電量即將耗盡，該模塊會(huì)立刻發(fā)出警示信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)充電程序。此時(shí)，機(jī)器人能夠自主地搜索并尋找周圍的充電設(shè)備，以進(jìn)行高效便捷的充電操作。此外，電源管理模塊所選用的芯片型號(hào)為TC1185-5.0VCT713，電源管理模塊電路如圖1所示。

4 系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)

4.1 自動(dòng)路徑規(guī)劃

通過(guò)自動(dòng)路徑規(guī)劃，機(jī)器人可以在復(fù)雜的電力設(shè)備環(huán)境中有效地規(guī)劃最佳巡檢路徑，以確保電力設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。在電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，需要考慮電力設(shè)備的復(fù)雜性和空間限制等因素，因此需要選擇適合對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的路徑規(guī)劃算法。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的巡檢任務(wù)和場(chǎng)景特點(diǎn)選擇不同算法，以保證機(jī)器人能夠高效地完成巡檢任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，路徑規(guī)劃算法需要與地圖數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合，以獲取準(zhǔn)確的環(huán)境信息和實(shí)時(shí)的位置數(shù)據(jù)。通過(guò)不斷地優(yōu)化策略，使機(jī)器人在規(guī)劃路徑時(shí)更加智能和高效[5]。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制

遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，從而提高系統(tǒng)的效率和安全性。在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，操作人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看機(jī)器人的位置、狀態(tài)和運(yùn)行情況，以及傳感器采集的數(shù)據(jù)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并做出相應(yīng)處理。在遠(yuǎn)程控制方面，操作人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制臺(tái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如遙控機(jī)器人的移動(dòng)、打開(kāi)關(guān)閉設(shè)備、調(diào)整傳感器參數(shù)等。在電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制的實(shí)現(xiàn)主要依賴于通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)。通信技術(shù)包括有線通信和無(wú)線通信兩種方式，有線通信通常采用以太網(wǎng)或者串口連接；無(wú)線通信通常采用Wi-Fi、藍(lán)牙或者4G/5G等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。通過(guò)這些通信方式，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心的數(shù)據(jù)傳輸和命令交互。軟件系統(tǒng)方面，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制界面，使操作人員可以直觀地監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)、獲取數(shù)據(jù)并下發(fā)指令。遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制的實(shí)現(xiàn)需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和安全性。在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和帶寬要求，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了一種以機(jī)器視覺(jué)為基礎(chǔ)的電力巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的全自動(dòng)設(shè)計(jì)方案，深度挖掘并發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)在電力巡檢領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)涵蓋了系統(tǒng)整體構(gòu)架、傳感器選用及集成、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的實(shí)際運(yùn)用等多個(gè)層面，最終成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)分析與報(bào)表生成以及遠(yuǎn)程監(jiān)控與操控等多樣化的功能。在經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證與高效的性能評(píng)估之后，此系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的性能，極大地提升了電力巡檢工作的效率與精確度，為電力產(chǎn)業(yè)向智能化方向的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了有力的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉勝峰，楊學(xué)成，王子俊.基于機(jī)器視覺(jué)的核電廠巡檢機(jī)器人冷卻設(shè)備水跡檢測(cè)方法[J].智能物聯(lián)技術(shù)，2024，56（2）：122-125.

[2] 黃松濤.基于機(jī)器視覺(jué)的電力巡檢機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2024，43（1）：35-38，43.

[3] 黃嘉東，廖俊蓉.電力機(jī)房智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（15）：179-181.

[4] 王浚哲.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的巡檢機(jī)器人模擬儀表示數(shù)識(shí)別研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[5] 楊權(quán)，樊紹勝. 基于圖像預(yù)處理和語(yǔ)義分割的電力巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航方法[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2023，38（6）：248-258.