CN110376591A - 变压器巡检机器人定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
变压器巡检机器人定位系统及定位方法，包括变压器巡检机器人，该系统还包括机器人远程控制端和机器人定位套件；机器人远程控制端包括机器人远程控制计算机、控制端无线通讯模块和视频采集卡，控制端无线通讯模块连接机器人远程控制计算机和视频采集卡，视频采集卡连接机器人远程控制计算机；具体效果如下：1.本发明设计的变压器巡检机器人定位系统解决了机器人在特殊的变压器内部环境定位的难题。2.本发明设计的机器人定位系统具有定位精度高、体积小、可靠性高的特点。3.本发明设计的机器人定位系统可扩展应用于其它油罐检测等特殊环境应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及机器人定位控制技术领域，具体的说是一种用于变压器巡检的机器人定位系统。
背景技术
变压器承担电压变换、电能分配和传输的功能，其运行状态直接影响电力系统的稳定性与可靠性。随着变压器生产制造工艺的不断提升和改进，变压器具有良好的机械性能和足够的电气强度。然而由于变压器长期、连续运行在高电压、高温、大电流的恶劣环境下，同时可能受外部破坏和不良因素的影响，变压器绝缘老化、材质劣化从而导致故障和事故发生。在电力系统运维管理过程中，及时准确地判断变压器故障类型、定位故障点及查找故障发生原因，是电力部门制定电力系统维修计划的关键环节。变压器故障巡检机器人代替人工完成变压器内部故障巡检任务，解决了人工检测手段存在的风险高、效率低、易造成二次污染等问题，大幅提升变压器故障巡检效率，推动油浸式变压器巡检维护向自动化、智能化方向发展，对保障智能电网的安全稳定运行具有重要意义。
受变压器结构内部空间狭窄、外壳密闭、充油特殊环境的影响，常用的机器人定位技术如GPS、编码器、水下机器人声学定位技术、多普勒测速技术等不能应用于变压器巡检机器人，因此机器人存在定位困难的问题。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，提供一种变压器巡检机器人定位系统，实现机器人在变压器内部的三维精确定位。
技术方案：
一种变压器巡检机器人定位系统，包括变压器巡检机器人，其特征在于：该系统还包括机器人远程控制端和机器人定位套件；机器人远程控制端包括机器人远程控制计算机、控制端无线通讯模块和视频采集卡，控制端无线通讯模块连接机器人远程控制计算机和视频采集卡，视频采集卡连接机器人远程控制计算机；
机器人定位套件包括二维激光雷达、深度计、单轴光纤陀螺、摄像机、机器人端无线通讯模块和机器人控制板，二维激光雷达、深度计和摄像机均安装于变压器巡检机器人的外部，
二维激光雷达和摄像机连接机器人端无线通讯模块，机器人端无线通讯模块连接机器人控制板和摄像机，深度计和单轴光纤陀螺均均连接至机器人控制板；
机器人通过机器人定位套件中的机器人端无线通讯模块与机器人远程控制端的控制端无线通讯模块建立通讯连接。
二维激光雷达安装在能够检测到机器人在变压器内部水平面的位置信息的位置；
深度计安装在能够检测机器人当前位置变压器油压力的位置；
单轴光纤陀螺安装于机器人内部重心位置；
摄像机安装在能够获取到机器人当前位置的变压器内部结构图像的位置。
机器人控制板安装于变压器巡检机器人内部；
二维激光雷达安装于机器人顶部；
深度计安装于机器人侧壁外面；
摄像机安装于机器人前端或侧壁的中部。
一种变压器巡检机器人定位方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤1：机器人远程控制端的无线通讯模块接收深度计采集的数据、单轴光纤陀螺采集的数据、二维激光雷达采集的数据和摄像机采集的数据；
步骤2：机器人远程控制计算机利用深度计采集的变压器油压力数据，并通过变压器油压力与深度的关系求得机器人在变压器内部的深度信息，再通过解析光纤陀螺数据求得机器人在水平面的运动方向；
步骤3：机器人远程控制计算机解析激光雷达发送的数据，通过数据补偿公式求得机器人在变压器内部的水平面位置信息；
步骤4：机器人远程控制计算机显示机器人摄像机获得图像信息；
步骤5：机器人远程控制计算机利用控制软件融合步骤1中的深度计数据和单轴光纤陀螺数据、步骤2中的激光雷达数据以及步骤3中的图像信息数据，实时显示机器人在变压器内部的运动方向、工作深度、水平位置信息。
在进行步骤1之前先对机器人远程控制计算机进行如下操作：
调用定位界面初始化函数、串口通讯初始化函数和图像接收初始化函数。
步骤2：中变压器油压力与深度的关系求公式：h表示机器人工作深度、P表示变压器油压力、ρ表示变压器油密度、g表示重力常数。
步骤3中，由激光雷达测距原理可知，激光雷达的测距精度与传播介质相关，激光雷达在空气中使用测距精度较高，而在变压器油中使用需通过数据补偿公式对测距结果进行修正。数据补偿公式如下：L＝-0.0009×Y2+0.8082×Y+2.838，Y表示激光雷达测量距离，L表示校正结果。该公式由大量的实验数据经过最小二乘拟合方法得到。
优点效果：
本发明提供一种变压器巡检机器人定位系统及定位方法，系统包括：一个变压器巡检机器人、一个机器人远程控制端、一个二维激光雷达、一个深度计、单轴光纤陀螺、摄像机、一对无线传输模块、机器人控制板、机器人远程控制计算机、视频采集卡，其特征在于：
所述机器人控制板安装于所述变压器巡检机器人内部，分别与所述深度计、单轴光纤陀螺和无线数据传输模块相连，实现机器人深度计数据、单轴光纤陀螺数据的读取，并通过无线数据传输模块与所述机器人远程控端进行数据交互。深度计安装于机器人侧面，用于检测机器人当前位置变压器油的压力，通过变压器油压力与深度转换公式计算机器人当前的工作深度，进而实现检测机器人在变压器内部的深度信息。单轴光纤陀螺安装于机器人内部重心位置，用于检测机器人在水平面的运动方向。一对无线传输模块，其中一个安装于机器人内部，一个安装于机器人远程控制端，无线传输模块具有2个RS232串口、1个HDMI接口，RS232串口分别与机器人控制板和激光雷达相连；HDMI接口与摄像机相连，可同时传输RS232串口数据和HDMI视频数据，用于机器人与远程控制端数据交互。二维激光雷达安装于机器人顶部，用于检测机器人在变压器内部水平面的位置信息。摄像机安装于机器人中部，用于获取机器人当前位置的变压器内部结构图像，利用已知的变压器内部结构位置数据修正机器人定位信息。机器人远程控制计算机安装于远程控制端内部，远程控制计算机通过视频采集卡连接无线视频传输模块的HDMI接口，从而实现机器人视频信息的采集；远程控制计算机通过RS232接口与无线数据传输模块连接，接收二维激光雷达数据和机器人控制板数据。
具体效果如下：
1.本发明设计的变压器巡检机器人定位系统解决了机器人在特殊的变压器内部环境定位的难题。
2.本发明设计的机器人定位系统具有定位精度高、体积小、可靠性高的特点。
3.本发明设计的机器人定位系统可扩展应用于其它油罐检测等特殊环境应用领域。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构框图；
图2是本发明变压器巡检机器人定位系统软件流程图；·
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，在变压器内部巡检机器人定位控制系统中，包括变压器巡检机器人和机器人远程控制端。变压器巡检机器人包括一个深度计、一个机器人控制板、一个单轴光纤陀螺、一个2D激光雷达、一个无线视频传输模块，一个HDMI高清摄像机。机器人远程控制端包括一个无线通讯模块、一个视频采集卡、一个控制计算机。
深度计安装于机器人侧面，用于检测机器人当前变压器油的压力，通过变压器油压力与深度转换公式计算机器人当前的工作深度，进而获得机器人在变压器内部的深度信息。深度计采用GEMS公司的3500B0001A02BR，测量精度可以达到厘米级，输出信号4-20mA，与核心控制板的A/D采集模块连接。
单轴光纤陀螺安装于机器人内部重心位置，用于检测机器人在水平面的方向角。光纤陀螺采用陕西航天长城科技有限公司的VG091-D1，通过RS232接口与核心控制板连接。
机器人内部的无线传输模块具有2个RS232串口、1个HDMI接口，RS232串口分别与机器人控制板和激光雷达相连；HDMI接口与摄像机相连，无线传输模块可同时传输RS232串口数据和HDMI视频数据，用于机器人与远程控制端数据交互。无线传输模块采用深圳华诺创鑫科技有限公司的HN-530传输模块，该模块具有体积小、功耗低、传输可靠性高的特点。
二维激光雷达安装于机器人顶部，用于检测机器人在变压器内部水平面的位置信息。激光雷达采用日本北洋公司的URG-04LX，该模块具有RS232接口，测量数据可通过无线传输模块直接传输到控制端。
摄像机安装于机器人中部，用于获取机器人当前位置的变压器内部结构图像。摄像机采用深圳市飞翼创新有限公司的Foxeer BOX 2，摄像头可拍摄4K高清图像，具有HDMI接口，摄像机的HDMI接口与无线视频传输模块的视频接口相连。
机器人核心控制板采用低功耗的MSP430F147处理器设计，扩展的接口主要有2路RS232串口、一路A/D转换接口，两路RS232接口分别连接单轴光纤陀螺和无线通讯模块，A/D转换模块连接深度计模拟量输出端口。
机器人远程控制计算机安装于远程控制端内部，远程控制计算机通过视频采集卡连接无线视频传输模块的HDMI接口，从而实现机器人视频信息的采集；视频采集卡选用TC-550N1，该模块通过PCI-E接口与控制计算机相连。远程控制计算机通过RS232接口与无线数据传输模块连接，接收二维激光雷达数据和机器人控制板数据。
本发明变压器巡检机器人定位系统软件流程图如图2：
步骤1：首先调用定位界面初始化函数、串口通讯初始化函数、图像接收初始化函数；
步骤2：控制软件实时接收、解析机器人控制板发送的数据，通过变压器油压力与深度计算公式求得机器人在变压器内部的深度信息，通过解析光纤陀螺数据求得机器人在水平面的运动方向；
步骤3：控制软件实时接收、解析激光雷达发送的数据，通过数据补偿算法求得机器人在变压器内部的水平面位置信息；
步骤4：控制软件实时接收、显示机器人摄像机获得图像信息；
步骤5：控制软件融合激光雷达数据、深度计数据、单轴光纤陀螺数据，实时显示机器人在变压器内部的方向、工作深度、水平位置信息。
步骤2中变压器油压力与深度的关系求公式：h表示机器人工作深度、P表示变压器油压力、ρ表示变压器油密度、g表示重力常数。
步骤3中，由激光雷达测距原理可知，激光雷达的测距精度与传播介质相关，激光雷达在空气中使用测距精度较高，而在变压器油中使用需通过数据补偿公式对测距结果进行修正。数据补偿公式如下：L＝-0.0009×Y2+0.8082×Y+2.838，Y表示激光雷达测量距离，L表示校正结果。该公式由大量的实验数据经过最小二乘拟合方法得到。
Claims (8)
1.一种变压器巡检机器人定位系统，包括变压器巡检机器人，其特征在于：该系统还包机器人定位套件；
机器人定位套件包括二维激光雷达、深度计、单轴光纤陀螺、摄像机、机器人端无线通讯模块和机器人控制板，二维激光雷达、深度计和摄像机均安装于变压器巡检机器人的外部，
二维激光雷达和摄像机连接机器人端无线通讯模块，机器人端无线通讯模块连接机器人控制板和摄像机，深度计和单轴光纤陀螺均均连接至机器人控制板。
2.根据权利要求1所述的一种变压器巡检机器人定位系统，其特征在于：该系统还包括机器人远程控制端，机器人远程控制端包括机器人远程控制计算机、控制端无线通讯模块和视频采集卡，控制端无线通讯模块连接机器人远程控制计算机和视频采集卡，视频采集卡连接机器人远程控制计算机；机器人通过无线通讯模块与机器人远程控制端建立通讯连接。
3.根据权利要求1所述的一种变压器巡检机器人定位系统，其特征在于：二维激光雷达安装在能够检测到机器人在变压器内部水平面的位置信息的位置；
深度计安装在能够检测机器人当前位置变压器油压力的位置；
单轴光纤陀螺安装于机器人内部重心位置；
摄像机安装在能够获取到机器人当前位置的变压器内部结构图像的位置。
4.根据权利要求3所述的一种变压器巡检机器人定位系统，其特征在于：机器人控制板安装于变压器巡检机器人内部；
二维激光雷达安装于机器人顶部；
深度计安装于机器人侧壁外面；
摄像机安装于机器人前端或侧壁的中部。
5.一种变压器巡检机器人定位方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤1：机器人远程控制端的无线通讯模块接收深度计采集的数据、单轴光纤陀螺采集的数据、二维激光雷达采集的数据和摄像机采集的数据；
步骤2：机器人远程控制计算机利用深度计采集的变压器油压力数据，并通过变压器油压力与深度的关系求得机器人在变压器内部的深度信息，再通过解析光纤陀螺数据求得机器人在水平面的运动方向；
步骤3：机器人远程控制计算机解析激光雷达发送的数据，通过数据补偿公式求得机器人在变压器内部的水平面位置信息；
步骤4：机器人远程控制计算机显示机器人摄像机获得图像信息；
步骤5：机器人远程控制计算机利用控制软件融合步骤1中的深度计数据和单轴光纤陀螺数据、步骤2中的激光雷达数据以及步骤3中的图像信息数据，实时显示机器人在变压器内部的运动方向、工作深度、水平位置信息。
6.根据权利要求5所述的一种变压器巡检机器人定位方法，其特征在于：该方法步骤如下：在进行步骤1之前先对机器人远程控制计算机进行如下操作：
调用定位界面初始化函数、串口通讯初始化函数和图像接收初始化函数。
7.根据权利要求5所述的一种变压器巡检机器人定位方法，其特征在于：该方法步骤如下：步骤2：中变压器油压力与深度的关系求公式：h表示机器人工作深度、P表示变压器油压力、ρ表示变压器油密度、g表示重力常数。
8.根据权利要求5所述的一种变压器巡检机器人定位方法，其特征在于：该方法步骤如下：步骤3中，在变压器油中使用需通过数据补偿公式对测距结果进行修正。数据补偿公式如下：L＝-0.0009×Y2+0.8082×Y+2.838，Y表示激光雷达测量距离，L表示校正结果。该公式由大量的实验数据经过最小二乘拟合方法得到。
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