一种核电厂配电调试机器人系统及作业方法与流程

本发明涉及配电自动化技术领域，尤其涉及一种核电厂配电调试机器人系统及作业方法。

背景技术：

智能化调试试验发展作为中广核集团重要战略专项之一，为了提高核电站安全水平和发电能力，核电站调试试验智能化技术水平的提升对于核电先进生产技术的发展有着至关重要的影响。

核电站交流配电系统是核电站厂用电系统的重要组成部分，为核电站的附属设备提供安全可靠地交流电源，并对同核安全有关的设备提供应急电源，以确保核电站的安全运行。其系统设备众多，标准化程度高，调试和操作方法已相当成熟，但因设备缺陷和人因失误导致的风险不可避免。目前已有多种配电自动化设备调试方法及其系统，但都需要调试人员在配电厂房现场完成调试工作，大量的人工操作不可避免，存在效率低下，且风险极高的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种核电厂配电调试机器人系统及作业方法，用以解决现有技术中采用人工进行配电厂的调试工作，不仅效率低而且风险高的缺陷。

第一方面，本发明实施例提供一种核电厂配电调试机器人系统，包括：

移动平台、操作机械臂、测试终端、应用服务器、数据库服务器和机器人车载软件控制程序；其中：

所述移动平台放置于待测试电气厂内，用于进行现场调试试验；

所述操作机械臂由操作人员携带，用于对所述移动平台进行操作；

所述测试终端用于对现场的机器人下发测试任务，并输出测试结果报告；

所述应用服务器用于实现对所述机器人的命令下达和数据传输；

所述数据库服务器用于存储测试用例、保存实验数据，并供所述移动平台进行数据调用和接收所述移动平台的实时数据上传；

所述机器人车载软件控制程序用于实现对定位信息的采集和处理，实时上传所述机器人的状态信息和传感器数据，并根据监控主站的控制命令控制所述机器人的运动。

优选地，所述移动平台包括机械系统、驱动系统、运动控制系统、双目视觉系统、主控制模块、传感器模块、通讯传输模块和电源模块；其中：

所述双目视觉系统包括图像采集和处理、摄像机标定、图像特征提取和图像匹配。

优选地，所述操作机械臂包括开关装置机械臂模块、开关装置运载模块和接入仪表模块；其中：

所述开关装置运载模块用于承载开关装置，并将所述开关装置置于试验位置及试验状态；

所述接入仪表模块用于通过预留的携带型仪表接口，接入试验仪表。

优选地，所述机器人车载软件控制程序包括行走控制系统、臂体控制系统和通信系统；其中：

所述行走控制系统包括定位与导航功能，所述定位与导航功能通过采用激光雷达、惯性测量单元和超声波传感器结合，实现对所述机器人的位置、走向和操作的实时监控；

所述臂体控制系统用于实现对所述操作机械臂的控制；

所述通信系统包括通信传输功能，所述通信传输功能用于实现所述机器人与所述测试终端的远程互通，并进行双向导入导出。

优选地，所述惯性测量单元包括陀螺仪和电子罗盘。

优选地，所述应用服务器用于实现对所述机器人的命令下达和数据传输，具体包括：

对所述机器人下发调试试验功能指令，所述调试试验功能包括系统初步检查试验和低压交流开关试验。

优选地，所述应用服务器还包括系统功能操作模块，所述系统功能操作模块具体包括：试验管理模块、任务管理模块、数据分析模块、报表管理模块、基础信息模块和系统管理模块。

优选地，所述电源模块包括锂电池组、智能充电控制设备、锂电池充电接入设备和电池电量监控系统。

第二方面，本发明实施例提供一种核电厂配电调试机器人作业方法，包括：

接收开始作业指令，并进行作业前自检；

识别工作指令及判断工作票逻辑；

基于厂房内地图，导航至待作业位置；

获取待操作设备的图像信息，以及所述待操作设备周边环境和运行参数信息，判断所述待操作设备是否满足操作条件；

移动至所述待操作设备，对所述待操作设备执行预设操作；

待所述预设操作结束，向测试终端反馈作业完成情况，并根据操作票指令执行对下一个待操作设备的操作。

优选地，所述接收开始作业指令，并进行作业前自检，之前还包括：

建立所述厂房内全局地图模型，并将所述全局地图模型保存至机器人；

通过激光传感器和雷达传感器实时获取配电房局部地图。

本发明实施例提供的核电厂配电调试机器人系统及作业方法，通过将智能机器人和系统软件相结合应用于核电站配电厂房，达到软硬件交互协同，代替目前交流配电系统调试中的大量人工操作，减少首次送电等高风险作业的对人身安全的威胁。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的机器人系统结构图；

图2为本发明实施例提供的机器人软硬件组成示意图；

图3为本发明实施例提供的系统功能操作模块示意图；

图4为本发明实施例提供的电源管理关系图；

图5为本发明实施例提供的机器人系统作业方法流程图；

图6为本发明实施例提供的机器人作业流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为实现机器人技术在配电调试领域的研究应用，以替代目前交流配电系统调试中的大量人工操作，为了减少首次送电等高风险作业的对人身安全的威胁，并且实现调试工作的智能化和自动化，通过本发明实施例，开发出核电站交流配电调试智能机器人系统。核电站交流配电调试智能机器人从配电柜中采集获取配电柜状态数据，按照人工指令进行中低压配电开关装置的常用操作，自动完成中低压配电柜的单体试验，代替人工以提升现场作业自动化水平和安全性，降低人因失效及人身触电风险，同时对调试试验过程进行流程化、规范化的管控，自动解析识别工作票，操作票，并进行试验对象与操作过程的验证和分析。智能机器人具有良好的人机操作界面，能够实现机器人与试验仪器和pc端或移动端的远程互通，能够进行双向导入导出并且支持生成自定义格式报告。同时对配电厂房记得基础配电设施进行多元化的管理，机器人集成智能仪器，集文档、设备、数据等信息于一体，系统管控平台可做到实时监控机器人任务操作、试验数据实时采集、试验报告快速输出，软硬件协同达到任务下发、试验执行、过程分析、数据上传。

图1为本发明实施例提供的机器人系统结构图，如图1所示，包括：

移动平台、操作机械臂、测试终端、应用服务器、数据库服务器和机器人车载软件控制程序；其中：

所述移动平台放置于待测试电气厂内，用于进行现场调试试验；

所述操作机械臂由操作人员携带，用于对所述移动平台进行操作；

所述测试终端用于对现场的机器人下发测试任务，并输出测试结果报告；

所述应用服务器用于实现对所述机器人的命令下达和数据传输；

所述数据库服务器用于存储测试用例、保存实验数据，并供所述移动平台进行数据调用和接收所述移动平台的实时数据上传；

所述机器人车载软件控制程序用于实现对定位信息的采集和处理，实时上传所述机器人的状态信息和传感器数据，并根据监控主站的控制命令控制所述机器人的运动。

具体地，机器人系统整体可分为硬件和软件两大部分，其中机器人的硬件主要包括移动平台，即agv小车和操作机械臂，采用分体式结构，移动平台置于电气厂房内，后者可由操作人员随身携带。机器人软件部分采用车载软件控制程序，该程序面向对象编程开发设计，使得机器人整体框架是一个实时多任务的操作系统，主要实现对定位信息的采集和处理，实时上传机器人的状态信息和传感器的数据，并根据监控主站的控制命令，控制机器人的运动等功能。机器人系统还包括测试终端，测试终端可对现场机器人下发测试任务，现场机器人接收信号后实现机器人替代人工进行相关调试试验的操作。调试智能机器人接收后台系统下发指令，通过半自动模式对配电柜进行测试试验，将采集测试数据通过边缘计算进行简单处后回转后台系统。调试试验终端在实验数据计算机和调试试验知识库的支持下，通过对调试智能机器人采集的状态数据进行分析，进而实现对配电柜的测试结果报告的输出，图2为机器人软硬件组成示意图。

除此之外，机器人系统在后台还包括应用服务器和数据库服务器，应用服务器用于实现对机器人的命令下达和数据传输，数据库服务器用于存储测试用例、保存实验数据，并供移动平台进行数据调用和接收移动平台的实时数据上传。

本发明实施例通过将智能机器人和系统软件相结合应用于核电站配电厂房，达到软硬件交互协同，代替目前交流配电系统调试中的大量人工操作，减少首次送电等高风险作业的对人身安全的威胁。

基于上述实施例，所述移动平台包括机械系统、驱动系统、运动控制系统、双目视觉系统、主控制模块、传感器模块、通讯传输模块和电源模块；其中：

所述双目视觉系统包括图像采集和处理、摄像机标定、图像特征提取和图像匹配。

具体地，移动平台具体的设计思路为：为了更好的适应核电厂电气厂房布局环境，使移动平台可实现任意方位的移动，采用两驱动轮加多个万向轮、可收放的定位吸盘组合的形式。车轮设计选用轮式行走结构以及带有纹路的弹性车轮。移动车体主要包括机械系统、驱动电机、电机驱动控制系统、传感器模块、主控计算机、双目视觉系统、操作机械臂和通信装置等。机器人驱动方式选择电机驱动。同时选用直流无刷电机作为机器人驱动系统的动力源，为驱动系统配备编码器、伺服驱动器和同轴减速机从而使其一同形成一个伺服系统。由于机器人移动平台的驱动电机会有较大的减速比，采用行星齿轮式减速传动方式。

此处，机器人的双目视觉是保证机器人精准操作的基础，实现双目视觉的基本操作步骤为：图像采集和处理、摄像机标定、图像特征提取以及图像匹配等。

基于上述任一实施例，所述操作机械臂包括开关装置机械臂模块、开关装置运载模块和接入仪表模块；其中：

所述开关装置运载模块用于承载开关装置，并将所述开关装置置于试验位置及试验状态；

所述接入仪表模块用于通过预留的携带型仪表接口，接入试验仪表。

具体地，操作机械臂部分设计了具有6个自由度，能够高效灵活地完成开关装置分合闸、隔离、送入工作位以及自动试验等工作，是机器人最主要的工作单元。包括开关装置机械臂模块，开关装置运载模块和接入携带型仪表模块。其中，开关装置运载模块用于承载开关装置并将其置于试验位置及状态，配电开关柜机器人旋转与推进采用一体化实现模式，配合定制的夹具实现按钮的点击扭动刀闸等功能，配置开关柜套筒放置架，适用于存放多种开关柜操作的套筒；接入仪表模块用于给机器人预留携带型仪表的接口，可将试验仪表的如万用表，兆欧表、电压/电流互感器等接入，完成实验过程中的测量数据采集、传输。

基于上述任一实施例，所述机器人车载软件控制程序包括行走控制系统、臂体控制系统和通信系统；其中：

所述行走控制系统包括定位与导航功能，所述定位与导航功能通过采用激光雷达、惯性测量单元和超声波传感器结合，实现对所述机器人的位置、走向和操作的实时监控；

所述臂体控制系统用于实现对所述操作机械臂的控制；

所述通信系统包括通信传输功能，所述通信传输功能用于实现所述机器人与所述测试终端的远程互通，并进行双向导入导出。

其中，所述惯性测量单元包括陀螺仪和电子罗盘。

具体地，定位与导航功能用于辅助实时监控智能机器人的位置、走向和操作，对测试试验数据进行实时在线监测采集。机器人采用了多种传感器结合的方式对机器人进行无轨化导航。采用激光雷达、惯性测量单元、超声波传感器等多种传感器的结合的方式获取机器人的精确位置，并根据移动目标的位置和内置地图规划机器人的移动路线，自主行走到目标位置。机器人进入工作区域后通过搭载的激光雷达和超声波传感器采集周边障碍物的位置信息，通过同步地图构建与定位(slam)算法生成环境地图，在移动过程中，激光雷达实时扫描的地形与环境地形进行精确匹配，从而确定机器人精确位置。实际使用中，激光传感器常常受到周围环境的干扰，为了确保导航的精度和可靠性，采用惯性导航技术形成对激光雷达进行辅助。惯性测量单元包含陀螺仪和电子罗盘，惯性测量单元可以测量车体的加速度与角速度，并与编码器进行信息结合，得到精确的机器人运动参数，校正激光雷达的扫描结果。同时，超声波传感器可以通过超声波回声定位的方法获取周围障碍物的距离信息，进一步修正机器人的位置。

通信传输功能用于实现机器人与试验仪器和pc端或移动端的远程互通，进行双向导入导出。机器人内置无线通讯模块，通过构建自组网，实现机器人与试验仪器和pc端或移动端的远程互通。无线传输模块支持rs232串口，同时能够兼容lvttl串口，支持串接口转wifiap、以太网、wifista等组合型式，以迅速创建网络数据-串接口转换方案，从而使得用户能够便利地利用互联网进行数据传输。与此同时，无线传输模块还具有网关设备的功能，可以供一个区域内的网络进行互相通讯。

本发明实施例通过在保证通讯正常，设备无故障的前提下，实现机器人与试验仪器和pc端或移动端的远程互通，可实现在线数据传输，监控。核电站交流配电调试系统是人机交互的应用界面，客户端可以通过应用服务器实现对智能机器人的命令下达和数据传输。

基于上述任一实施例，所述应用服务器用于实现对所述机器人的命令下达和数据传输，具体包括：

对所述机器人下发调试试验功能指令，所述调试试验功能包括系统初步检查试验和低压交流开关试验。

具体地，调试智能机器人接收后台系统下发指令，通过半自动模式对配电柜进行测试试验，将采集测试数据通过边缘计算进行简单处后回转后台。系统机器人主要的试验类型主要包括系统初步检查试验和低压交流开关试验。

系统初步检查试验具体包括：(1)绝缘试验；(2)交流耐压试验；(3)中压断路器试验；(4)中压接触器试验；(5)电压舱室试验；(6)连锁钥匙系统试验；(7)配电盘远方监视和报警试验。

低压交流开关试验具体包括：(1)机械操作试验；(2)断路器的机械闭锁试验；(3)隔离刀在合闸位置时不能进行推入或拉出开关抽屉操作；(4)隔离刀在合闸位置时不能进行推入或拉出开关抽屉操作；(5)通入125v/48v控制电源，将开关放在试验位置检查分合操作正常，辅助触点运动正常；(6)可逆接触器的动作试验；(7)热保护用ct的校验；(8)热继电器与接地保护校验。调试试验终端在实验数据计算机和调试试验知识库的支持下，通过对调试智能机器人采集的状态数据进行分析，进而实现对配电柜的测试结果报告的输出。

基于上述任一实施例，所述应用服务器还包括系统功能操作模块，所述系统功能操作模块具体包括：试验管理模块、任务管理模块、数据分析模块、报表管理模块、基础信息模块和系统管理模块。

具体地，核电站交流配电调试系统主要针对于配电柜房机器人的测试试验的操作控制系统，实现半自动式现场机器人管控功能。客户端可以通过应用服务器实现对智能机器人的命令下达和数据传输。用户可以通过客户端实时监视界面对试验过程进行监视。包括机器人的运动轨迹，设备的精准定位以及每个设备当前实时的运行状态。同时也可以做到对设备、机器人实时的状态预警以及故障诊断，整个系统模块组成如图3所示。

首先是调试过程流程化、规范化管控：

1)设备资产管理模块：系统将模拟厂房真实环境，将设备环境及布局情况，包括厂房内配电盘、刀闸开关等位置进行二维或三维建模，准确定位到每个操作装置并实时监测设备的运行状态；

2)针对不同的实验类型，厂房环境以及工作形式，根据不同的输入输出信号源和试验任务，多个机器人按试验类型不同分工。并且针对不同的实验内容制定统一规范的参数值，如比如测量电流、电压、电阻的上下限值，标准值，断路器、接触器小车的耐压范围值，信息及报警的标识标准参数，正确操作以及错误操作的状态值等。

然后是试验报告自动生成：

1)数据分析模块分为三大子模块，分别是试验汇总分析，告警分析以及趋势分析，趋势分析模块可以查看试验记录、试验信息、试验过程中采集的数据即变化趋势，为用户后期维护基础试验管理模块提供数据指导；

2)报表管理模块：试验结束后，系统能够自动生成并导出报告，报告的模板也可以在报告模板中进行配置。报表管理主要是实现历次试验的结果报表信息查询和导出。同时，可以实现报表的下载和自动生成。报表下载模块提供所有试验报表的下载功能。包括查询操作区、查询列表区、下载操作按钮等。出现异常的试验结果系统会用红色进行标识，正常的报告会用绿色来标识。

本发明实施例通过调试工作的智能化和自动化，为用户提供控制机器人进行相关试验测试的任务下发、任务执行等过程监视、控制，以及试验结果数据分析，历史信息、报表查询，设备、案例、测例等信息管理维护功能，同时实现输出对配电柜的测试报告。

基于上述任一实施例，所述电源模块包括锂电池组、智能充电控制设备、锂电池充电接入设备和电池电量监控系统。

具体地，电源管理模块包括高容量高功率聚合物锂电池组、智能充电控制设备、锂电池充电接入设备以及电池电量监控系统。由于机器人系统中各器件在工作时会使用不同等级的电压为其供电，故可按具体会求把电源电压划分为下面三个不同的等级：

a、36v等级：运动控制模块，包括伺服驱动器和伺服电机等；

b、12v等级：红外光电开关、视频采集设备以及温湿度传感器等；

c、5v等级：串口wifi模块、arm核心控制板等。

各不同等级的电压由不同的稳压模块进行分级提供，其主要关系如图4所示。

图5为本发明实施例提供的机器人系统作业方法流程图，如图5所示，包括：

s1，接收开始作业指令，并进行作业前自检；

s2，识别工作指令及判断工作票逻辑；

s3，基于厂房内地图，导航至待作业位置；

s4，获取待操作设备的图像信息，以及所述待操作设备周边环境和运行参数信息，判断所述待操作设备是否满足操作条件；

s5，移动至所述待操作设备，对所述待操作设备执行预设操作；

s6，待所述预设操作结束，向测试终端反馈作业完成情况，并根据操作票指令执行对下一个待操作设备的操作。

具体地，步骤s1中，机器人接收到开始作业的指令，由于自身具备自检的功能，针对部件工作状态，工作环境是否异常进行自检；

步骤s2中，识别工作指令与工作票，即判断工作票逻辑，此处，工作票是指准许在电气设备及系统软件上工作的书面命令，也是执行保证安全技术措施的书面依据；

步骤s3中，结合厂房内的全局地图和部分地图，机器人自己导航至作业开关柜位置；

步骤s4中，根据机器人摄像头获得待操作设备的图像信息，并获取设备周边环境和运行参数信息，进一步判断设备是否满足操作条件；

步骤s5中，机器人移动到待操作配电设备，并对待操作配电设备执行相应的预设操作，如开关装置分断、合闸，开关装置隔离、送入工作位，自动试验；对操作后的设备运行参数进行校验、确认，同时将数据上传至后台；

步骤s6中，待步骤s5中操作完成，机器人向测试终端反馈作业完成情况，并根据操作票上的指令对下一个设备进行操作，此处，操作票是指操作票是指在电力系统中进行电气操作的书面依据，包括调度指令票和变电操作票。

本发明实施例通过调试工作的智能化和自动化。为用户提供控制机器人进行相关试验测试的任务下发、任务执行等过程监视、控制，以及试验结果数据分析，历史信息、报表查询，设备、案例、测例等信息管理维护功能，同时实现输出对配电柜的测试报告。

基于上述实施例，所述接收开始作业指令，并进行作业前自检，之前还包括：

建立所述厂房内全局地图模型，并将所述全局地图模型保存至机器人；

通过激光传感器和雷达传感器实时获取配电房局部地图。

具体地，机器人在开始接收到作业指令之前，预先已建立核电厂电器厂房全局地图模型并保存，还通过激光传感器和雷达传感器实时获取配电房局部地图。结合上述实施例，整体的作业流程如图6所示。

本发明实施例通过提供试验全过程的实时数据展示，同时在机器人作业流程第一步，系统将模拟厂房真实环境，将设备环境及布局情况，包括厂房内配电盘、刀闸开关等位置进行二维或三维建模，准确定位到每个操作装置并实时监测设备的运行状态。使用户可以更准确直观的监视机器人的状态和调试任务的完成情况。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。