用于变压器内检机器人的外部定位系统及方法与流程

1.本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种用于变压器内检机器人的外部定位系统及方法。


背景技术：

2.大型油浸式电力变压器是电网的核心装备，容量大，价值高，结构复杂，是变电运行中关注的重点。当变压器出现异常时，往往需要停电后对内部缺陷进行检测和定位，才能确认故障类型，进而确定检修方案。现有手段是需要变压器排油后，由专业人员进入变压器内部进行人工寻找故障点，耗时耗力，存在极大安全隐患。
3.近年来，随着人工智能技术的发展，由机器人代替人工开展变压器带油情况下内检的想法逐渐成熟。根据学者和行业工程师的研究，机器人代替人工实施变压器的内检，具有明显优势，参见图1所示，其中图中左侧表示传统方案的特点，右侧表示微型机器人内检的特点。
4.abb公司在2018年发布了第一款变压器油中检测机器人txplore，国内相关企业也开展了一些机器人的尝试。
5.目前，此类机器人还不够微型，主要存在如下问题：
6.1)相比一线的预期，现有的内检机器人体积过大，需从套管底部的手孔进入，仅适用于特定型号的变压器；
7.2)由于带油变压器的复杂内部环境，现有技术中无法实现此类机器人的精确定位，在机器人故障情况下回收困难，易对变压器造成二次伤害。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提出一种用于变压器内检机器人的外部定位系统及方法。
9.一方面，本发明揭示了一种用于变压器内检机器人的外部定位系统，包括：
10.至少n个外部声源信标和至少1个参考定位装置以及内检机器人，其中，n大于等于3；
11.所述至少n个外部声源信标，用于安装于变压器外壳的至少n个不同平面上的n个已知位置；
12.所述参考定位装置，用于安装于变压器外壳上除了所述3个已知位置之外的其他任一已知位置，且所述其他任一已知位置作为参考定位装置的原有已知位置；
13.其中，
14.所述参考定位装置包括：第一声音传感器，第一处理器以及第一存储器；
15.所述内检机器人包括：第二声音传感器，第二处理器以及第二存储器。
16.优选的，
17.n为4。
18.优选的，
19.所述参考定位装置，还用于根据至少n个外部声源信标发出的声音信号，计算参考定位装置自身的当前位置；
20.并进一步用于根据其当前位置和所述原有已知位置，作差计算出修正参数。
21.优选的，
22.所述内检机器人，还用于根据至少n个外部声源信标发出的声音信号，计算内检机器人自身的当前位置；
23.并进一步用于根据其当前位置和所述修正参数，计算出修正后的当前位置。
24.另一方面，本发明还揭示了一种利用上述任一系统进行定位的方法，包括如下步骤：
25.s100、布置所述n个外部声源信标及参考定位装置，并测量其精确位置；
26.s200、设置每个信标的特征信号，并同步所有信标的时钟；
27.s300、放置内检机器人到变压器中，并将内检机器人、参考定位装置的时钟与所有信标的时钟同步；
28.s400、参考定位装置接收来自n个外部声源信标中的至少3个确定的外部声源信标的声音信号，以此计算参考定位装置的当前位置；
29.s500、参考定位装置根据其当前位置和所述原有已知位置，作差计算出修正参数；
30.s600、内检机器人根据同样的至少3个确定的外部声源信标发出的声音信号，计算内检机器人自身的当前位置；
31.s700、内检机器人根据其当前位置和所述修正参数，计算出修正后的当前位置。
32.优选的，
33.步骤s200中，使用差分曼切斯特编码设置每个信标的特征信号。
34.此外，关于内检机器人，本发明还作出如下限定：
35.所述内检机器人整体为圆柱体。
36.优选的，
37.所述圆柱体形状的内检机器人包括至少3个螺旋桨推进器，以便在变压器油中行走。
38.优选的，
39.所述至少3个螺旋桨推进器，至少能够使得所述内检机器人在x、y、z方向上行走。
40.优选的，
41.所述圆柱体形状的内检机器人的尺寸为φ125mm*180mm。
42.优选的，
43.所述内检机器人通过变压器的压力释放阀位置出入变压器。
44.如此，本发明至少实现了如下技术效果：
45.(1)本发明克服了现有技术中机器人体积过大，需从套管底部的手孔进入，仅适用于特定型号的变压器的缺陷；本发明中的内检机器人能够自由从变压器的压力释放阀位置出入各种类型变压器；
46.(2)本发明的定位系统及方法，无需变压器设计图纸，且不依赖机器人本身，即可通过外部声源信标实现机器人在变压器内部的精确三维定位，有助于变压器内部故障的准确定位以及机器人失控后的快速回收，相关技术的研究处于国内外领先地位；并且，参考定
位装置的引入，提高了定位的准确性。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
48.图1是现有技术中利用机器人与人工对变压器进行内检的比较示意图；
49.图2是本发明一个实施例中的外部定位系统布置示意图；
50.图3是本发明一个实施例中的外部定位方法的示意图；
51.图4是本发明一个实施例中的定位变压器内部机器人时，做球定位的示意图。
具体实施方式
52.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1至图4，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
53.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
54.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
55.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
56.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
57.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
58.在一个实施例中，本发明揭示了一种用于变压器内检机器人的外部定位系统，包括：
59.至少n个外部声源信标和至少1个参考定位装置以及内检机器人，其中，n大于等于3；
60.所述至少n个外部声源信标，用于安装于变压器外壳的至少n个不同平面上的n个已知位置；
61.所述参考定位装置，用于安装于变压器外壳上除了所述3个已知位置之外的其他任一已知位置，且所述其他任一已知位置作为参考定位装置的原有已知位置；
62.其中，
63.所述参考定位装置包括：第一声音传感器，第一处理器以及第一存储器；
64.所述内检机器人包括：第二声音传感器，第二处理器以及第二存储器。
65.在另一个实施例中，参见图2，其示意了4个外部声源信标及其位置：position 1,position 2,position 3,position 4。能够理解，根据三维空间的坐标数量，3个外部声源信标即可满足最低要求。更多的外部声源信标，有利于更快速的计算位置，以及计算的更加精确。
66.此外，在图2中，还示意了参考定位装置所安装的位置：参考定位点。能够理解，参考定位点即参考定位装置的原有已知位置。由于参考定位装置、外部声源信标都是安装在变压器外部，这使得本发明无需变压器设计图纸，且不依赖机器人本身，即可通过外部声源信标实现机器人在变压器内部的精确三维定位，有助于变压器内部故障的准确定位以及机器人失控后的快速回收，相关技术的研究处于国内外领先地位；并且，参考定位装置的引入，提高了定位的准确性。
67.在另一个实施例中，
68.n为4。
69.在另一个实施例中，
70.所述参考定位装置，还用于根据至少n个外部声源信标发出的声音信号，计算参考定位装置自身的当前位置；
71.并进一步用于根据其当前位置和所述原有已知位置，作差计算出修正参数。
72.至此，能够发现参考定位装置对于本发明的重要作用。参考定位装置是用于辅助内检机器人的定位的。
73.在另一个实施例中，
74.所述内检机器人，还用于根据至少n个外部声源信标发出的声音信号，计算内检机器人自身的当前位置；
75.并进一步用于根据其当前位置和所述修正参数，计算出修正后的当前位置。
76.参见图3，在另一个实施例中，本发明还揭示了一种利用上述任一系统进行定位的方法，包括如下步骤：
77.s100、布置所述n个外部声源信标及参考定位装置，并测量其精确位置；
78.s200、设置每个信标的特征信号，并同步所有信标的时钟；
79.s300、放置内检机器人到变压器中，并将内检机器人、参考定位装置的时钟与所有信标的时钟同步；
80.s400、参考定位装置接收来自n个外部声源信标中的至少3个确定的外部声源信标的声音信号，以此计算参考定位装置的当前位置；
81.s500、参考定位装置根据其当前位置和所述原有已知位置，作差计算出修正参数；
82.s600、内检机器人根据同样的至少3个确定的外部声源信标发出的声音信号，计算内检机器人自身的当前位置；
83.s700、内检机器人根据其当前位置和所述修正参数，计算出修正后的当前位置。
84.能够理解，上述实施例采用差分定位，弥补了单点定位不准的缺陷。
85.在另一个实施例中，
86.步骤s200中，使用差分曼切斯特编码设置每个信标的特征信号。
87.此外，关于内检机器人，本发明还作出如下限定：
88.所述内检机器人整体为圆柱体。
89.在另一个实施例中，
90.所述圆柱体形状的内检机器人包括至少3个螺旋桨推进器，以便在变压器油中行走。
91.在另一个实施例中，
92.所述至少3个螺旋桨推进器，至少能够使得所述内检机器人在x、y、z方向上行走。
93.在另一个实施例中，
94.所述圆柱体形状的内检机器人的尺寸为φ125mm*180mm。
95.在另一个实施例中，
96.所述内检机器人通过变压器的压力释放阀位置出入变压器。
97.在另一个实施例中，本发明还揭示了一种利用上述外部定位系统进行定位的方法，包括如下步骤：
98.将四个外部声源信标固定于待检变压器周围；
99.测量信标固定的精确位置；
100.使用差分曼切斯特编码设定信标特征信号；
101.布置内检机器人和参考定位装置，且与四个信标同步时钟；
102.利用内检机器人的第一声音传感器及参考定位装置的第二声音传感器，接收所述四个信标发出的声音信号；
103.利用参考定位装置测得的参考定位装置的当前位置和原有已知位置，实时计算内检机器人的位置。
104.在另一个实施例中，
105.本发明提供了一种基于差分曼切斯特码的声源信标定位方法，包含下列步骤：
106.将声源信标固定于待检变压器周围，信标位置无特定位置要求，其只需易于测量精确的空间位置，并且满足四个信标不在同一平面即可；
107.测量信标固定的精确位置，如四个信标position1、position2、position3、position4分别为四个信标的当前位置(空间坐标)；
108.使用差分曼切斯特编码设定四个信标特征编码信号；
109.布置内检机器人和参考定位装置，且与四个信标同步时钟；
110.利用内检机器人的第一声音传感器及参考定位装置的第二声音传感器，接收所述四个信标发出的声音信号，并测出四个信标到要定位的收信装置的距离d1、d2、d3、d4(备注：收信装置即内检机器人，更准确的讲，内检机器人的声音传感器)；
111.求出要定位的内检机器人的位置。
112.在另一个实施例中，
113.求出要定位的内检机器人的位置，具体包含以下步骤：
114.(1)内检机器人接收到信号后，首先判断自身与某一信标的距离最近，即第一步粗略定位：内检机器人首先收到各个信标发出的信号，根据信号强弱将信号进行排序，从而判断出自身的大致位置。
115.(2)粗略定位之后进行精确定位：根据其他信标信号进行定位，在一个周期中判断
收到不同信标所用时间，根据不同信标传播的路程做半径画球，多个球相交的点即为内检机器人的位置所在。如图4所示。
116.对于上述实施例，其虽然是变压器内检机器人定位方面的创新方法，属于本发明对于现有技术的贡献。但是，需要说明的是，本发明并不受限于上述具体球面算法。理论上，一切通过多个声源定位的算法均可用于本发明。然而，能够理解，本发明的更大技术贡献在于参考定位装置与内检机器人的协同。
117.由于参考定位点处的参考定位装置相当于另一个已知位置的机器人，其用于辅助计算内检机器人的定位。因此，用上述实施例相同的算法也可以对参考定位装置进行定位。然而，由于参考定位装置的原有已知位置是确定且已知的，所以可以利用原有已知位置和求得的参考定位装置的位置作差计算出修正参数，以用于对内检机器人的定位修正。
118.能够理解，本发明创新性的利用了负反馈的理念去精确计算内检机器人的位置，并给出了详细的新方案。
119.在另一个实施例中，
120.参考定位点，即所述参考定位装置的原有已知位置，可精确测量已知其空间坐标为(x0,y0,z0)；
121.通过算法(例如前文实施例和图4所示的球面计算方式)计算出参考定位装置的计算坐标(x1,y1,z1)；
122.按如下方式可得修正参数：
123.x轴：x
*
＝(x
1-x0)，y轴：y
*
＝(y
1-y0)，z轴：z
*
＝(z
1-z0)；
124.对于计算出的内检机器人的位置(x,y,z)，则通过所述修正参数负反馈的对内检机器人的位置修正为(x＇,y＇,z＇)，其中：
125.x＇＝x－x
*，
y＇＝y－y
*
，z＇＝z－z
*
126.综上所述，本发明还具有如下技术效果：
127.由于声信号在变压器中的传播不会被变压器的构造屏蔽，所以本发明增加了变压器内检机器人导航定位的准确性。
128.本发明应用多外部声源信标及差分定位，弥补了单点定位不准的缺陷，通过增加一个参考定位装置及其参考定位点(即原有已知位置)来提高定位精度，得以对内检机器人的定位位置进行修正，可有效地、准确地实时定位内检机器人的位置。
129.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。