變電站室內(nèi)設(shè)備巡視機(jī)器人的應(yīng)用與研究

沈靖龍 賴寶鵬 胡炳杰 吳鶴雯

摘要

智能機(jī)器人已經(jīng)在變電站日常巡視運維作業(yè)中起到了舉足輕重的作用，然而傳統(tǒng)的巡視機(jī)器人體積臃腫，避障功能不盡完善為其應(yīng)用蒙上了陰影，另一方面智能機(jī)器人在室內(nèi)設(shè)備巡檢領(lǐng)域的研究相對缺失。因此本文對適用于變電站室內(nèi)設(shè)備巡視的智能機(jī)器人展開了深入的研究，設(shè)計了一款室內(nèi)設(shè)備巡視機(jī)器人并投入變電運維生產(chǎn)運用之中。該智能機(jī)器人通過紅外、超聲波傳感技術(shù)的配合實現(xiàn)了自動避障，并可預(yù)置巡視路線，進(jìn)行變電站室內(nèi)設(shè)備的巡視工作，定點收集10千伏開關(guān)拒、繼電保護(hù)裝置的運行信息。采集的設(shè)備信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至變電站后臺，提升了變電站的巡視效率，實現(xiàn)了設(shè)備的智能運維。

【關(guān)鍵詞】巡視機(jī)器人 變電站 室內(nèi)設(shè)備 智能巡檢

1 引言

隨著科技進(jìn)步、電網(wǎng)發(fā)展及機(jī)器人技術(shù)的推廣，國家電網(wǎng)的不少地市公司已經(jīng)在變電站運行維護(hù)工作中應(yīng)用和推廣智能機(jī)器人。智能機(jī)器人不僅可以代替變電站值班人員進(jìn)行變電站內(nèi)一次二次設(shè)備的例行巡視、安防消防檢查還可以完成巡視大數(shù)據(jù)收集和整理，便于變電站管理人員和檢修人員進(jìn)行分析和總結(jié)。智能機(jī)器人的采用意味著常規(guī)變電站運維值守模式的更新?lián)Q代，并且隨著機(jī)器人應(yīng)用經(jīng)驗和技術(shù)的進(jìn)一步積累，機(jī)器人代替人類管理變電站將成為可能。

巡視機(jī)器人的研究始于80年代末，并且逐漸成為變電站巡視技術(shù)改進(jìn)和推廣的研究重點。加拿大、日本、美國在智能巡視機(jī)器人的研究中處于領(lǐng)先地位，如加拿大魁北克水電研究院在1998年開始進(jìn)行輸電線路巡視機(jī)器人的研究，所設(shè)計的“LineScout”機(jī)器人，經(jīng)過多代改進(jìn)之后，采用遙控方式，可沿735千伏的導(dǎo)線進(jìn)行自動避障巡視;日本東京大學(xué)2008年研制了“Expriner”機(jī)器人，可在500千伏的四分裂導(dǎo)線上行走，其機(jī)身使用碳纖維結(jié)構(gòu)，配置兩對組輪具有兩個維度的作業(yè)臂;2014年美國研制的TI機(jī)器人趨于完善，可完成756千伏線路的高速巡視和強力續(xù)航。

在國內(nèi)，不少高校也在智能巡視機(jī)器人的研究中取得了不錯的成就，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2010年研制了高壓線除冰機(jī)器人，能除掉8-15毫米直徑導(dǎo)線上包裹的60毫米厚的冰柱;山東電力研究院于2012年研制出用于多分裂線路巡檢機(jī)器人樣機(jī)。

誠然智能機(jī)器人已經(jīng)在輸電線路、變電站戶外設(shè)備巡視領(lǐng)域中成就頗豐，但關(guān)于變電站室內(nèi)設(shè)備巡檢機(jī)器人的設(shè)計和巡檢技術(shù)研究方面，較為薄弱。因此本文在深入研究變電站機(jī)器人巡檢技術(shù)的同時，還著力于設(shè)計一款可適用于變電站室內(nèi)設(shè)備巡視的智能機(jī)器人，填補變電站機(jī)器人巡視領(lǐng)域的空缺。

2 室內(nèi)機(jī)器人巡檢技術(shù)研究

2.1 自動避障技術(shù)

變電站室內(nèi)地面通常由蓋板構(gòu)成如10千伏開關(guān)室和主控保護(hù)室，蓋板的鋪設(shè)導(dǎo)致室內(nèi)設(shè)備路況存在坑洼、不平和障礙物的可能。因此如何實現(xiàn)巡視機(jī)器人在室內(nèi)巡視過程中自動避障，并可根據(jù)設(shè)定的巡視路線進(jìn)行巡視作業(yè)，將成為機(jī)器人研究中的重要一環(huán)。

本文自動避障技術(shù)采用紅外傳感器和超聲波傳感器進(jìn)行配合。通過機(jī)器人發(fā)射紅外線和超聲波模擬量，實時反饋成Arduino核心中的成數(shù)字量，通過Arduino計算左右驅(qū)動電機(jī)偏移量（PWM波占空比）i，j的算如下式。

式中，i₁、j₁分別為上一次采樣值的PWM占空比。i₂、j₂分別為本次采樣值的PWM占空比。i_exp、j_exp為需要修正的PWM波占空比，進(jìn)行路線的實時修正和自動避障。避障方案如圖1所示。

自動巡視的路線設(shè)定也是根據(jù)光感傳感器，反饋至CPU實時計算出路線偏移量S_exp，實現(xiàn)指定路線巡視。如圖2所示。

2.2 室內(nèi)設(shè)備巡檢技術(shù)

室內(nèi)設(shè)備巡視和檢測的范圍包括110kVGIS室、電容器室、主控繼保室、10kV開關(guān)室和電纜層。主要設(shè)備涵蓋低壓饋線柜，電容器組、站用變、保護(hù)屏的視頻音頻信息采集和運行工況判斷。

在巡視機(jī)器人上裝配無線網(wǎng)卡、高清攝像頭或者藍(lán)牙模塊，通過攝像頭采集巡視影像或照片，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至手機(jī)或者電腦終端，實現(xiàn)視頻的遠(yuǎn)距離自動傳輸和保存。另一方面經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)或者藍(lán)牙系統(tǒng)將手機(jī)或者電腦終端發(fā)送的小車操控指令（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、攝像頭左轉(zhuǎn)、攝像頭右轉(zhuǎn)）通過串口通信的方式傳輸智能機(jī)器人CPU，實現(xiàn)對智能巡視機(jī)器人的控制（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、攝像頭左轉(zhuǎn)、攝像頭右轉(zhuǎn)）。巡檢技術(shù)方案如圖3所示。

3 室內(nèi)機(jī)器人設(shè)計與應(yīng)用

3.1 智能機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人的設(shè)計以亞克力板，銅柱，銅螺母為材料，組裝機(jī)器人機(jī)身。以直流電機(jī)為驅(qū)動電機(jī)，設(shè)計四輪驅(qū)動類似汽車結(jié)構(gòu)的機(jī)身作為變電站智能機(jī)器人的主要構(gòu)架，為了實現(xiàn)機(jī)器人具備的室內(nèi)設(shè)備巡檢功能，以Arduino開發(fā)板為基礎(chǔ)，拓展紅外傳感電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、PWM驅(qū)動電路、超聲傳感電路、循跡模塊電路、按鍵電路等設(shè)計智能巡視機(jī)器人的硬件電路部分，硬件電路和設(shè)計方案如圖4所示。

3.2 智能機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計

智能巡視機(jī)器人的軟件部分用C語言編寫，主要由主程序和循跡子程序、Wi-Fi控制子程序、避障子程序等子程序組成，智能機(jī)器人程序流程框圖和方案如圖5所示。

4 實驗仿真驗證

為了驗證本文所設(shè)計的室內(nèi)設(shè)備巡檢機(jī)器人性能和實用性，選取漳州供電公司所轄的三座變電站（220kV良璞變，1lOkV南坑變，110kV新華變）進(jìn)行現(xiàn)場機(jī)器人巡視實驗。所設(shè)計的機(jī)器人和巡視視頻截圖如圖6所示。

在三個變電站的不同場所，包括戶外設(shè)備場地，主控室，繼電保護(hù)室，電纜層，排水溝等，檢驗巡視機(jī)器人巡視3種巡視效果（室內(nèi)外設(shè)備巡視、電纜層巡視、排水溝巡視）和4個功能（WIIF傳輸視頻，遠(yuǎn)程操控，自動循跡，自動避障功能）效果檢查，收集巡視時間信息如表1所示。

從圖6可以看出，所設(shè)計的智能機(jī)器人能夠?qū)崟r傳輸變電站室內(nèi)設(shè)備的運行工況影響，從而實現(xiàn)了機(jī)器人的智能巡檢。從表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，采用所設(shè)計的巡視機(jī)器人，是的變電站巡視時間有效縮短，巡視效率達(dá)到提升。

5 結(jié)論

本文對變電站巡視機(jī)器人的避障技術(shù)和巡檢技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計了一款適用于室內(nèi)設(shè)備巡檢的智能機(jī)器人。通過實驗發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的智能機(jī)器人在保證巡視任務(wù)完成和巡視質(zhì)量的同時，縮短了巡視時間，有效提高了巡視效率。

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