一种适应雪地作业的变电站巡检机器人的制作方法

本发明属于智能机器人领域，特别是一种适应雪地作业的变电站巡检机器人。

背景技术

随着智能电网系统的发展，变电站、电力线的覆盖范围越来越广，在给人们的生活带来便利的同时也为设备的检修维护带来了新的问题。在日常的维护中，若是采用传统的人工巡检方式，不仅会耗费大量的人力，还会造成工作效率低下的情况，同时巡检的覆盖率，及时性以及准确性也无法得到保证。针对人工巡检可能带来的种种问题，利用变电站巡检机器人来代替人工巡检逐渐成为一种趋势。

传统的变电站巡检机器人多是采用可充电的锂电池进行充电，由于锂电池在0℃以下时放电效率下降严重，因此大多数巡检机器人由于续航问题都无法应用在温度较低的地区；另外现有的巡检机器人多是两驱加万向轮或者四驱结构，虽然前者转弯半径小、运动灵活，后者越障能力强，但两者都不能适应冰雪路面的情况，容易出现打滑侧翻等情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够有效采集高空设备信息的适应雪地作业的变电站巡检机器人，同时兼具较强的越障能力与零转弯半径。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适应雪地作业的变电站巡检机器人，包括机器人本体、数据采集模块、主控模块、运动控制模块、温度控制模块、通信模块、电源管理模块，其中：

所述机器人本体采用履带式机器人小车的结构，包括底部的模块化履带式底盘以及其上方的主体，主体的舱体由外壳完全覆盖，主体底部连接模块化履带式底盘，以机器人行进方向为前方，外壳的顶部前端设有云台，云台的升降杆由主控模块控制；

所述数据采集模块利用传感器进行周围环境的检测，包括检测视频图像、红外温度、实时位置、运行状态，并将检测到的信息传递给机器人主控模块；

所述主控模块是机器人的数据处理和逻辑控制中心；

所述运动控制模块对机器人的各运动部件的动作进行集中控制，与机器人行进机构进行配合以完成机器人行走控制，与升降机构进行配合以完成云台的升降控制；

所述温度控制模块包括风扇、温度传感器、电加热器以及plc，其中温度传感器设置在主体的外壳的内侧壁上，电加热器以及plc均设置在本体内部，在主体的外壳前、后壁上方分别开孔设置风扇；

所述通信模块采用无线通信方式，将视频图像、红外温度、实时位置、运行状态的数据实时传输到本地后台监控子系统；

所述电源管理模块为系统各模块正常工作提供所需要的电源。

进一步地，所述数据采集模块包括热成像仪、可见光摄像头、激光雷达，其中：

所述可见光摄像头与热成像仪一同固定于云台上，云台能够实现水平方向360°连续旋转以及俯仰方向-45°～60°的旋转；热成像仪用于变电站设备测温，可见光摄像头用于采集道路和现场表计信息；

所述激光雷达固定于主体前部顶端，基于激光slam算法进行自主定位和导航。

进一步地，所述主控模块的功能具体包括以下几点：

1)接收来自热成像仪的数据信息，进行设备温度的获取及超温、差温的判定；

2)接收来自可见光摄像头的数据信息，进行供电设备所含仪表盘指针数据、数显数据、运行状态灯、开关及刀闸状态的识别；

3)接收来自激光雷达的数据信息，通过运用slam算法进行自主定位导航；

4)接收来自后台的巡检任务指令，根据下发的任务自主完成巡检作业管理。

进一步地，所述温度控制模块中，温度传感器实时检测主体的温度，并将数据通过rs485通讯传递给plc，plc根据电池的最佳工作温度范围预设有温度上限值tmax、下限值tmin以及常温值t，plc将检测到的温度值与预设的温度上下限作比较，如果检测到的温度值超过了tmax，plc下发指令打开风扇进行降温，直至温度降到t时关闭风扇；如果检测到的温度值低于tmin，plc下发指令打开电加热器进行加热，直至温度升到t时关闭加热器。

进一步地，所述行进机构采用模块化履带式底盘，包括驱动电机、减速器、前驱动齿轮、后驱动齿轮、履带、承重轮以及底部舱体构成；

所述底部舱体为一长方体结构件，四个侧面上方各有两个连接件与机器人主体的舱体固定；所述驱动电机固定于底部舱体底盘上，通过减速器以及联轴器与驱动齿轮连接；所述前驱动齿轮、后驱动齿轮设置于底部舱体的前、后两端；所述履带固定在前驱动齿轮、后驱动齿轮上，且履带外表面设有凸起；所述承重轮设置于底部舱体的底部两侧，用于承载机器人的整体重量。

进一步地，所述升降机构包括搭载检测设备的云台和设置在主体内部前端的升降杆，将云台固定于升降杆上，通过同时改变升降杆的高度以及云台的姿态，使机器人对高空设备进行信息采集。

进一步地，所述通信模块中的无线通信设备包括设置于主体内部的无线ap及双ap天线、设置于主体内部的zigbee模块及zigbee天线，双ap天线和zigbee天线均设置于外壳顶部的后端。

进一步地，所述电源管理模块包括电池，电池置于主体的舱体内，外壳的后壁开设电池舱口和自充充电插口，电池舱口用于将电池从主体内取出或置入；

所述电源管理模块的功能包括电压转换、电压监测以及自主充电，自主充电功能基于自主导航定位算法，当机器人检测到电量低于阈值时便返回充电屋进行充电，自充充电插口内设置有一对充电电极，与充电屋内的自动充电插座相互配合以完成自主充电。

进一步地，该机器人还包括报警模块，所述报警模块通过状态指示灯发送声音、灯光信号来传递机器人当前状态；所述状态指示灯设置于机器人主体的外壳的后端，能够通过颜色的变化来指示当前机器人的状态，同时状态指示灯包含了一个扬声器模块，扬声器模块能够发出提示音，进一步对工作人员进行指示。

进一步地，该机器人还包括保护机构，所述保护机构包括防护罩、风琴罩；所述防护罩固定于云台上，包裹可见光摄像头以及热成像仪，用于可见光摄像头和热成像仪的防护；风琴罩设置于升降杆外侧，用于保护升降杆，同时防止雨水和尘土通过缝隙进入机器人主体内部。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过风扇和加热器对电池进行温度控制，增强了电池的适应能力；(2)固定于升降推杆上的云台上的高清摄像机和热成像仪，能够拥有比其他产品更好的视角，提高图像的识别率，提高后期图像分析的准确度；(3)履带式的运动结构极大地提高了机器人的越障爬坡能力，以及在冰雪路面上的行进效率和安全性，而模块化的设计使得巡检机器人能够灵活应对不同环境；(4)外壳、防护罩、风琴罩构成的保护机构，可以减少积雪对传感器信息采集的影响。

附图说明

图1是本发明适应雪地作业的变电站巡检机器人的整体结构正面示意图。

图2是本发明适应雪地作业的变电站巡检机器人的整体结构左面示意图。

图3是本发明适应雪地作业的变电站巡检机器人的整体结构后侧示意图。

图4是本发明适应雪地作业的变电站巡检机器人的模块结构图。

图中：1、热成像仪；2、防护罩；3、可见光摄像头；4、ap天线；5、风琴罩；6、云台；7、zigbee天线；8、主体；9、风扇；10、驱动电机；11、减速器；15、激光雷达；19、底部舱体；20、前驱动齿轮；21、状态指示灯；22、外壳；24、后驱动齿轮；25、电池舱口；26、自充充电插口；27承重轮；28履带。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

结合图1～4，本发明适应雪地作业的变电站巡检机器人，包括机器人本体、数据采集模块、主控模块、运动控制模块、温度控制模块、通信模块、电源管理模块，其中：

所述机器人本体采用履带式机器人小车的结构，包括底部的模块化履带式底盘以及其上方的主体8，主体8的舱体由外壳22完全覆盖，主体8底部连接模块化履带式底盘，以机器人行进方向为前方，外壳22的顶部前端设有云台6，云台6的升降杆由主控模块控制；

所述数据采集模块利用传感器进行周围环境的检测，包括检测视频图像、红外温度、实时位置、运行状态，并将检测到的信息传递给机器人主控模块；

所述主控模块是机器人的数据处理和逻辑控制中心；

所述运动控制模块对机器人的各运动部件的动作进行集中控制，与机器人行进机构进行配合以完成机器人行走控制，与升降机构进行配合以完成云台6的升降控制；

所述温度控制模块包括风扇9、温度传感器、电加热器以及plc，其中温度传感器设置在主体8的外壳22的内侧壁上，电加热器以及plc均设置在本体8内部，在主体8的外壳22前、后壁上方分别开孔设置风扇9；

所述通信模块采用无线通信方式，将视频图像、红外温度、实时位置、运行状态的数据实时传输到本地后台监控子系统；

所述电源管理模块为系统各模块正常工作提供所需要的电源。

作为一种具体示例，所述数据采集模块包括热成像仪1、可见光摄像头3、激光雷达15，其中：

所述可见光摄像头3与热成像仪1一同固定于云台6上，云台6能够实现水平方向360°连续旋转以及俯仰方向-45°～60°的旋转；热成像仪1用于变电站设备测温，可见光摄像头3用于采集道路和现场表计信息；

所述激光雷达15固定于主体8前部顶端，基于激光slam算法进行自主定位和导航。

作为一种具体示例，所述主控模块的功能具体包括以下几点：

1)接收来自热成像仪1的数据信息，进行设备温度的获取及超温、差温的判定；

2)接收来自可见光摄像头3的数据信息，进行供电设备所含仪表盘指针数据、数显数据、运行状态灯、开关及刀闸状态的识别；

3)接收来自激光雷达15的数据信息，通过运用slam算法进行自主定位导航；

4)接收来自后台的巡检任务指令，根据下发的任务自主完成巡检作业管理。

作为一种具体示例，所述温度控制模块中，温度传感器实时检测主体8的温度，并将数据通过rs485通讯传递给plc，plc根据电池的最佳工作温度范围预设有温度上限值tmax、下限值tmin以及常温值t，plc将检测到的温度值与预设的温度上下限作比较，如果检测到的温度值超过了tmax，plc下发指令打开风扇9进行降温，直至温度降到t时关闭风扇9；如果检测到的温度值低于tmin，plc下发指令打开电加热器进行加热，直至温度升到t时关闭加热器。

作为一种具体示例，所述行进机构采用模块化履带式底盘，包括驱动电机10、减速器11、前驱动齿轮20、后驱动齿轮24、履带28、承重轮27以及底部舱体19构成；

所述底部舱体19为一长方体结构件，四个侧面上方各有两个连接件与机器人主体8的舱体固定；所述驱动电机10固定于底部舱体19底盘上，通过减速器11以及联轴器与驱动齿轮连接；所述前驱动齿轮20、后驱动齿轮24设置于底部舱体19的前、后两端；所述履带28固定在前驱动齿轮20、后驱动齿轮24上，且履带28外表面设有凸起；所述承重轮27设置于底部舱体19的底部两侧，用于承载机器人的整体重量。

作为一种具体示例，所述升降机构包括搭载检测设备的云台6和设置在主体8内部前端的升降杆，将云台6固定于升降杆上，通过同时改变升降杆的高度以及云台6的姿态，使机器人对高空设备进行信息采集。

作为一种具体示例，所述通信模块中的无线通信设备包括设置于主体8内部的无线ap及双ap天线4、设置于主体8内部的zigbee模块及zigbee天线7，双ap天线4和zigbee天线7均设置于外壳22顶部的后端。

8、根据权利要求1、2或3所述的适应雪地作业的变电站巡检机器人，其特征在于，所述电源管理模块包括电池，电池置于主体8的舱体内，外壳22的后壁开设电池舱口25和自充充电插口26，电池舱口25用于将电池从主体8内取出或置入；

所述电源管理模块的功能包括电压转换、电压监测以及自主充电，自主充电功能基于自主导航定位算法，当机器人检测到电量低于阈值时便返回充电屋进行充电，自充充电插口26内设置有一对充电电极，与充电屋内的自动充电插座相互配合以完成自主充电。

作为一种具体示例，该机器人还包括报警模块，所述报警模块通过状态指示灯21发送声音、灯光信号来传递机器人当前状态；所述状态指示灯21设置于机器人主体8的外壳22的后端，能够通过颜色的变化来指示当前机器人的状态，同时状态指示灯21包含了一个扬声器模块，扬声器模块能够发出提示音，进一步对工作人员进行指示。

作为一种具体示例，该机器人还包括保护机构，所述保护机构包括防护罩2、风琴罩5；所述防护罩2固定于云台6上，包裹可见光摄像头3以及热成像仪1，用于可见光摄像头3和热成像仪1的防护；风琴罩5设置于升降杆外侧，用于保护升降杆，同时防止雨水和尘土通过缝隙进入机器人主体8内部。

实施例1

本实施例中适应雪地作业的变电站巡检机器人，包括主体8，主体8底部连接模块化履带式底盘的底部舱体19，底部舱体19两侧为履带行进机构，每个履带行进机构前驱动轮20、后驱动轮24内侧设置有驱动电机10。

主体8设有外壳22，云台6通过固定于主体8底板上的升降杆设置于主体8的外壳22顶部的前端，可见光摄像头3与热成像仪1均设置于云台6上，且能够随升降杆进行上下移动；主体8的外壳22顶部后端设置有ap天线4、zigbee天线7和状态指示灯21；主体8的外壳22前壁左上方以及后壁右上方开孔设置有风扇9；主体8的前端顶部设有激光雷达15；主体8的外壳22后壁设置电池舱口25、自充充电插口26。可见光摄像头3与热成像仪1外侧设置有防护罩2；升降杆外侧设置有风琴罩5。

如图1～4所示，机器人控制模块包括主控模块、温度控制模块、电源管理模块、运动控制模块以及通信模块，位于主体8内部；

数据采集模块利用机器人所配备的传感器进行周围环境的检测，并将相关信息传递给机器人主控模块，包括热成像仪1、可见光摄像头3、激光雷达15。

热成像仪1用于变电站设备测温，可见光摄像头3用于采集道路和现场表计信息，可见光摄像头3与热成像仪1一同固定于云台6上，云台6可以实现水平方向360°连续旋转以及俯仰方向-45°～60°的旋转，极大地提高了巡检的效率；激光雷达15固定于本体8前部顶端，基于激光slam算法进行自主定位和导航。

温度控制模块包括风扇9、温度传感器、电加热器以及plc。温度传感器设置在主体8的外壳22的内侧壁上，电加热器以及plc均设置在本体8内部，在主体8的外壳22前壁左上方以及后壁右上方分别开孔设置了两个风扇9。温度传感器实时检测机器人主体8温度，并将数据通过rs485通讯传递给plc，plc根据电池的最佳工作温度范围预设有温度上限25℃、下限5℃以及常温值15℃，plc将检测到的温度值与预设的温度上下限作比较，如果检测到的温度值超过了25℃，plc下发指令打开前后风扇9加快空气流通起到降温的作用，直至温度降到15℃才关闭风扇9；如果检测到的温度值低于5℃，plc下发指令打开电加热器进行加热，直至温度升到15℃才关闭加热器。这样的设计可以将电池的工作环境温度保持在5℃～25℃，同时不会对风扇9和加热器频繁进行开关操作，使得机器人电池即使在乌鲁木齐这样具有极端气候的地区也可以正常地工作。

电源管理模块主要为系统各模块正常工作提供所需要的电源，电池可在一定时间内持续稳定的具有电能，是整个机器人正常运作的基础，且电池可通过打开电池舱口25很方便地从主体8内取出，极大地简化了后期的维修更换工作。该模块主要功能包括电压转换、电压监测以及自主充电，自主充电功能基于自主导航定位算法，当机器人检测到电量低于20％时便返回充电屋进行充电，自充充电插口26内设置有一对充电电极，与充电屋内的自动充电插座相互配合以完成自主充电。

运动控制模块对机器人的各运动部件的动作进行集中控制，与机器人行进机构进行配合以完成机器人行走控制，与升降机构进行配合以完成云台6的升降控制。

行进机构为一种模块化履带式底盘，包括驱动电机10、减速器11、前驱动齿轮20、后驱动齿轮24、履带28、承重轮27以及底部舱体19；其中底部舱体19为一长方体结构件，四个侧面上方各有两个连接件可以与机器人本体8的舱体固定；所述驱动电机10固定于底部舱体19底盘上，通过减速器11以及联轴器与驱动齿轮连接；所述前驱动齿轮20、后驱动齿轮24位于底部舱体19的两端；所述履带28固定在前驱动齿轮20、后驱动齿轮24上，且履带28针对雪地环境做出改进，带有小凸起以增强抓地能力；所述承重轮27位于底部舱体19底部两侧，用于承载整个机器人的重量。

此外，底部舱体19中的驱动电机10在安装时，应考虑减震系统的设计，从而保护电机不会因为剧烈的碰撞而损坏。进一步，所述履带式底盘应为一种模块化产品，能作为冰雪路面的移动平台得到广泛应用。

升降机构主要包括搭载检测设备的云台6和设置在主体8内部前端的升降杆，特别的将云台6固定于升降杆上，通过同时改变升降杆的高度以及云台6的姿态，使得机器人对高空设备的信息采集也可以清晰而准确，真正实现覆盖到全设备的巡检功能。

主控模块是机器人的数据处理中心和逻辑控制中心，主要功能包括以下几点：(1)接收来自热成像仪1的数据信息，进行设备温度的获取及超温、差温的判定；(2)接收来自可见光摄像头3的数据信息，进行供电设备所含仪表盘指针数据、数显数据、运行状态灯、开关及刀闸状态等的识别；(3)接收来自激光雷达15的数据信息，通过运用slam算法进行自主定位导航；(4)接收来自后台的巡检任务指令，根据下发的任务自主完成巡检作业管理(定时自动巡检、指令巡检)。

通信模块为无线通信方式，该模块主要功能为机器人通过无线通信设备将视频图像、红外温度、实时位置、运行状态等数据实时传输到本地后台监控子系统，无线通信设备主要包括设置于主体8内部的无线ap及双ap天线4、设置于主体8内部的zigbee模块及zigbee天线7，双天线的设计有利于增强传输信号的质量。

报警模块的功能在于通过发送人眼可见、人耳可听的信息方便现场人员得知机器人当前状态，从而做出及时适当的应对，包括但不限于状态指示灯21以及状态提示音，状态指示灯21位于机器人主体8的外壳22的后端，能够通过颜色的变化来指示当前机器人的状态，同时状态指示灯21包含了一个扬声器模块，扬声器模块能够发出提示音，进一步对工作人员进行指示。

保护机构的作用在于提升机器人的防护等级，以便使得机器人能够适应更加复杂恶劣的环境，包括但不限于防护罩2、风琴罩5以及外壳22，所述防护罩2固定于云台6上，包裹住了可见光摄像头3以及热成像仪1，用于可见光摄像头3和热成像仪1的防护；风琴罩5位于升降杆外侧，用于保护升降杆，同时防止雨水和尘土通过缝隙进入机器人主体8内部；针对冰雪天气工作的情况，本机器人的外壳能够将上述所有设备包含在内，同时在摄像头、激光传感器等处利用透明树脂进行封闭，在不影响传感器功能的情况下将整个机器人封闭起来，同时可以减少传感器上的积雪对机器人工作的影响。

综上所述，本发明通过风扇和加热器对电池进行温度控制，增强了电池的适应能力；固定于升降推杆上的云台上的高清摄像机和热成像仪，能够拥有比其他产品更好的视角，提高图像的识别率，提高后期图像分析的准确度；履带式的运动结构极大地提高了机器人的越障爬坡能力，以及在冰雪路面上的行进效率和安全性，而模块化的设计使得巡检机器人能够灵活应对不同环境；外壳、防护罩、风琴罩构成的保护机构，可以减少积雪对传感器信息采集的影响。