配电站室内设备地空协同巡检装置及其巡检方法与流程

本发明涉及配电站室内设备的自动巡检装置及方法，特别是采用机器人与无人机组合来实现配电站室内仪器仪表巡检的装置及方法。

背景技术：

随着城市的发展，电缆化率的提高，地铁、高铁和城轨等配电站房及设备的数量快速增加。室内设备的正常运行至关重要。室内设备一方面需要有足够的可靠性，另一方面也需要及时检测以便发现并检修存在潜在隐患的设备，确保系统正常运行。室内设备的实时检测对保证其可靠安全运行有重要意义。机器人可方便灵活地对室内设备进行实时检测，了解设备的运行状态。但是室内设备往往分列分层排列，根据规格不同每一列的总高度不同，部分机柜高度可达到2米。通常情况下需要对室内设备的设备外观、破损、仪表数据进行监测。

目前用于巡检室内设备信息的移动机器人有采用轮式、履带或是复合驱动的方式和室内轨道式巡检方式。轮式、履带或是复合驱动的巡检模式受室内空间和其它被监测设备布局限制，要实现对设备全方位的检测功能，需要机器人能够在垂直方向运动。传统轮式驱动或履带式驱动方式实现垂直方向运动时需要克服自身重力，需要较大摩擦力而较难以实现，且因室内狭小空间无法随时更换电池，无法采用携带电池的供电方式。室内轨道式巡检方式运动轨迹受限于轨道，同时由于室内设备分列分层排列，需要充足的垂直方向运动空间，轨道的铺设会影响现有的房屋结构，部分配电站房的建设不能满足改造需求，使得轨道式巡检方式受限。

中国专利文献公开了一种“巡检机器人网络及其巡逻方法”（zl201710799772.x），包括，控制中心、多台巡逻机器人、至少一个充电基站以及至少一台无人机系统。巡逻机器人上设有用于无人机系统停靠的对接单元，巡逻机器人和无人机系统均与控制中心通信。巡逻机器人和无人机上均设有视觉元件及定位模块。该方案存在以下缺陷，其一，不能解决配电站室内设备巡检的要求：1、室内设备往往分列分层排列，根据规格不同每一列的总高度不同，部分机柜高度可达到2米，检测设备（即巡检设备）无法达到特定的高度。2、由于光线反光的原因，检测设备在一定的仰角下无法进行仪器仪表的识别。3、当前设计的机柜有一部分内嵌在机柜内，在机器人的角度去检测仪器仪表会存在一定的盲区。其二，没有解决无人机的供电问题，其无人机本体上携带电池，增加了无人机飞行重量，限制了无人机的飞行时间。

若单独采用无人机对室内设备进行巡检，由于gps信号无法穿透墙壁，导致传统的微型无人机在室内飞行接收不到室外gps信号，无法实现自身定位，进而无法完成巡检工作。但基于uwb技术的室内巡检无人机依赖于uwb技术进行室内定位，存在一下的问题：1、室内设备根据规格不同每一列的总高度不同，部分机柜高度可达到2米，在巡检过程中无人机不可避免的进入盲区，导致定位信号不准确，严重影响巡检任务，更有甚者会毁坏室内设备。2、室内巡检无人机有着无人机领域的共同的难题：续航时间。续航时间决定了无人机工作的效率，现有的无人机加载巡检设备后不足以支撑长时间巡检任务。3、室内巡检无人机无法保证在无人机失控的条件下，造成机柜等配电站房内设备的损伤。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种配电站室内设备地空协同巡检装置，旨在利用机器人本体上的电池为无人机供电，利用机器人实现高精度定位、利用无人机满足配电站室内设备大型柜机的无死角巡检的特定要求。

本发明的目的是这样实现的：一种配电房电器设备地空协同巡检装置，包括机器人，无人机，所述机器人为四轮行走机器人：其机器人本体顶部安装有供所述无人机起降停靠的停机坪，该停机坪上设置有供无人机确定位置的定位标志，机器人本体前部安装有超声波传感器以及激光传感器；所述无人机为四旋翼无人机：其四个旋翼上均安装有旋翼保护壳，其顶部设置有uwb定位标签，其下部设置有起落架；用于配电房巡检的巡检设备安装在无人机上；所述机器人与无人机之间通过可伸缩线缆连接，可伸缩线缆与安装在机器人本体上的电动卷线器连接，该线缆由连接机器人本体内电池而为无人机供电的无人机电源线以及机器人与无人机之间通过can实现通信的通信线组成。

所述无人机为微型、超近程、超低空无人机；所述停机坪为收折式停机坪：其上有定位标志的四个周边上各铰接有一个长方形板件，且长方形板件的长度与正方形边长相等。

本发明的又一目的是提供巡检机器人的巡检方法。

本发明的又一目的是这样实现的：巡检机器人的巡检方法，按照以下步骤进行：

巡检机器人在巡检之前进行任务部署，巡检任务包括任务点坐标和云台的角度，利用激光传感器在巡检的配电站房内建立激光点云地图，并保存在本地，通过读取地图坐标设定巡检任务点的三维坐标信息；

当后台系统下达开始巡检任务时，移动机器人通过激光slam进行定位和导航，激光slam系统通过对不同时刻两片点云的匹配与比对，计算激光传感器相对运动的距离和姿态的改变，从而完成对机器人自身的定位，进入特定的巡检区域后，移动机器人张开停机坪，无人机开始做起飞准备；

当移动机器人到达巡检点后指示无人机起飞，无人机通过uwb定位标签和无人机自身的传感器在垂直方向进行定位，飞行特定高度后按预定姿态进行识别，并将识别结果传输至后台系统显示，检测结束后无人机参考停机坪的定位标志进行降落，同时移动机器人进行下一个巡检任务点；

当巡检任务结束后，移动机器人自动返回充电房自行充电，并等待下一次巡检任务的下达。

现有的自主巡检机器人在室内具有良好的定位效果，但对于较高的机柜等检测设备无法精确检测，本发明技术方案主要解决对于垂直方向上不同高度的仪器仪表的检测。

现有的巡检机器人进行仰角姿态巡检作业时，由于外界光线在机柜仪器仪表的保护壳反射作用下无法清晰的识别仪表指针等数据，同时内嵌在机柜的仪器仪表无法巡检。本发明技术方案主要借助无人机的灵活机体实现对巡检角度的精确控制，消除外界因素和机柜自身带来的巡检困难。

室内巡检无人机在大型柜机下定位不准确或者丢失定位信息，本发明技术方案利用自主巡检机器人高精度定位来减小室内巡检无人机的定位误差。

室内巡检无人机续航时间不足，本发明技术方案通过自主巡检机器人的大容量电池为无人提供充足的续航时间。

室内巡检无人机的安全性能差，本发明技术方案通过可伸缩线缆为无人机提供能量和两者的数据交互，同时也保障了室内巡检无人机的安全。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、全新的提出了室内巡检机器人的组合，无人机与移动机器人的组合将无人机的灵活和移动机器人的精准结合在了一起。

2、首次提出无人机电源与机体分离，该方式不仅有效的解决了无人机续航的问题，无人机可以挂载更多的巡检设备，同时巡检系统的安全性也得到了保障。

3、移动机器人与无人机组合可以在三维空间进行巡检，利用移动机器人高精度定位实现整个系统的整体定位，无人机实现对大型柜机的垂直方向的检测，提高了检测精度和检测效率。

4、无人机的全方位飞行可实现无死角巡检，极大的减少了巡检设备因拍摄姿态引入的噪声，方便后台识别仪器仪表的读数。

5、通过移动机器人的精确定位为无人机提供定位参考，极大程度上确保了无人机定位不准或者定位丢失的问题。

6、移动机器人与无人机组合采用新型的供电方式，利用可伸缩电缆通过移动机器人的电池为无人机提供电源，该方式保证了无人机充足的续航。

7、通过可伸缩电缆建立无人机与移动机器人进行通信，可以保证信号的完整性，同时电缆的有限长度为无人机的飞行提供了良好的保障。

本发明是适用于配电站室内设备巡检的专用装置。

附图说明

图1是无人机室内定位示意图。

图2、图3分别是本发明的立体图和侧视图。

图4、图5分别是图2所示移动机器人结构的主视图和立体图。

图6、图7分别是图2所示无人机结构的俯视图和侧视图。

图8是图5所示移动机器人的停机坪呈收起状态的立体图。

图9是本发明的巡检工作程序流程图。

具体实施方式

图2、图3示出本配电房电器设备地空协同巡检装置，机器人采用四轮行走机器人：其机器人本体101顶部安装有供所述无人机起降停靠的停机坪104，该停机坪104上设置有供无人机确定位置的定位标志105，机器人本体101前部安装有超声波传感器102以及激光传感器103（即激光雷达）；无人机采用四旋翼无人机：其四个旋翼上均安装有旋翼保护壳204，其顶部设置有uwb定位标签205，其下部设置有起落架202；用于配电房巡检的巡检设备201（其上有相机，以完成拍照）安装在无人机上；所述机器人与无人机之间通过可伸缩线缆206连接，可伸缩线缆206与安装在机器人本体101上的电动卷线器连接，该线缆由连接机器人本体101内电池而为无人机供电的无人机电源线以及机器人与无人机之间通过can实现通信的通信线组成。

线缆与卷线器连接，卷线器由电机驱动（参见图4～图7）。无人机为微型、超近程、超低空无人机。参见图8，停机坪104为收折式停机坪：其上有定位标志105的四个周边上各铰接有一个长方形板件，且长方形板件的长度与正方形边长相等。

自主巡检移动机器人，自主巡检移动机器人构成如图1所示，机器人包含机器人本体、激光传感器、巡检设备和机器人状态指示灯，机器人内部有核心工控机、惯性测量单元等传感器设备。

自主巡检移动机器人在未知环境中通过对各种传感器数据进行采集和计算，生成对其自身位置姿态的定位和场景地图信息，在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。机器人自主定位和导航主要核心技术是激光slam，激光slam系统通过对不同时刻两片点云的匹配与比对，计算激光传感器相对运动的距离和姿态的改变，也就完成了对机器人自身的定位。

自主巡检移动机器人，在部署阶段，通过激光传感器对未知环境建立激光点云地图，任务部署时下达巡检任务，机器人根据实时的激光点云信息实现机器人的定位与导航。巡检任务包括任务点坐标和云台的角度。自主巡检移动机器人将根据巡检任务到达任务点并对特征信息进行拍照。机器人后台会同步处理特征信息，实现巡检。

将定位标签装载在无人机上，利用基于uwb技术的室内定位系统对无人机进行测距，利用定位算法对获得的测距信息进行解算，获取无人机当前的位置信息。采用激光测距仪依据该点在室内变电站内的对应坐标标定配电站房内各个角落的坐标，即构建室内真实三维空间直角坐标环境。uwb技术可以提供10厘米左右精度的位置坐标，保证室内无人机的精确飞行。

图1为无人机室内定位示意图，在配电站房内安装若干的uwb基站，让定位基信号覆盖无人机飞行的区域，定位基站安装的高度要尽量高于无人机飞行的最高点。无人机机体本身安装上uwb标签，标签要安装在无人机最高点避开无人机自身遮挡，利用uwb基站对无人机进行测距，利用定位算法对获得的测距信息进行解算，获取无人机当前的位置信息，标签可以实时输出坐标给到无人机。

图2、图3示出，整个方案由移动机器人和无人机构成，两者之间通过可伸缩线缆连接，线缆中包含了无人机的电源线和无人机与移动机器人之间的通信线。

移动机器人结构如图4、图5所示，包含机器人本体、激光传感器和超声波传感器。移动机器人本体内部有工控机、惯性测量单元等传感器设备，工控机为移动机器人的核心控制系统。移动机器人顶部作为一个停机坪，主要为无人机的起降提供空间，同时在移动机器人顶部停机坪上面印有定位标准，无人机飞行过程中以该标志作为基准，在三维空间中进行精确定位。

无人机结构如图6、图7所示，无人机是传统的四旋翼无人机加装防撞圈即旋翼保护壳，可以提高无人机的安全性能。在无人机顶部加装uwb定位标签，在室内通过定位基站进行粗定位。检测设备加装在无人机底部，无人机通过线缆与机器人本体相连接，线缆中包含了无人机与移动机器人交互的数据线和无人机的电源线。机器人本体内部安装有卷线器，可通过控制卷线器的电机来实现线缆长度的控制。无人机与移动机器人之间通过can通信来实现数据交互，可以达到稳定、高效、实时的效果。

参见图9，一种如权利要求1所述的巡检机器人的巡检方法，按照以下步骤进行：

巡检机器人在巡检之前进行任务部署，巡检任务包括任务点坐标和云台的角度，利用激光传感器在巡检的配电站房内建立激光点云地图，并保存在本地，通过读取地图坐标设定巡检任务点的三维坐标信息；

当后台系统下达开始巡检任务时，移动机器人通过激光slam进行定位和导航，激光slam系统通过对不同时刻两片点云的匹配与比对，计算移动机器人相对运动的距离和姿态的改变，从而完成对机器人自身的定位，进入特定的巡检区域后，移动机器人张开停机坪，无人机开始做起飞准备；

当移动机器人到达巡检点后指示无人机起飞，无人机通过uwb定位标签和无人机自身的传感器在垂直方向进行定位，飞行特定高度后按预定姿态进行识别，并将识别结果传输至后台系统显示，检测结束后无人机参考停机坪的定位标志进行降落，同时移动机器人进行下一个巡检任务点；

当巡检任务结束后，移动机器人自动返回充电房自行充电，并等待下一次巡检任务的下达。

通过后台系统实现无人机高度和姿态的控制。在巡检任务中包含了机器人的坐标信息、无人机飞行高度和姿态、云台相机的角度。到达指定的巡检点后，后台将巡检信息下发至无人机和机器人，两者协同配合完成巡检。

后台系统包含无人机控制系统。