面向配電室智能監(jiān)測(cè)的傳感器巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

劉宇 鄭琳 于力 王春 張瓊?cè)A 劉明江

摘? ?要：開(kāi)發(fā)了一種用于配電室危險(xiǎn)環(huán)境下的多元傳感器移動(dòng)巡檢機(jī)器人。設(shè)計(jì)了滿足配電室環(huán)境的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，使得巡檢機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、攜帶方便等特點(diǎn)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究了機(jī)器人的差動(dòng)能力和爬升能力。運(yùn)用PTZ攝像機(jī)和控制系統(tǒng)將采集的圖像和傳感器數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)IEEE 802.11b/g傳輸?shù)街悄芫S護(hù)中心（IMC）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠在配電室內(nèi)順利移動(dòng)，并能有效地對(duì)配電室環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：配電室;智能監(jiān)測(cè);傳感器;巡檢機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003—6199（2020）02—0067—06

Abstract：This paper develops a multi-sensor mobile inspection robot for distribution room in dangerous environment. The structure of the robot is designed to satisfy the environment of the distribution room，which makes the inspection robot compact in structure，small in size，light in weight and easy to carry. By kinematics analysis，the differential ability and climbing ability of the robot are studied. PTZ camera and control system are used to transmit the collected image and sensor data to the Intelligent Maintenance Center （IMC） through the IEEE 802.11b/g. The experimental results show that the robot can move smoothly in the distribution room，and can effectively monitor the environment of the distribution room intelligently.

Key words：distribution room;intelligent monitoring;sensors;inspection robot

配電室作為電力系統(tǒng)中直接與用電設(shè)備相連并分配電能的重要環(huán)節(jié)，用電設(shè)備對(duì)供配電的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求[1-3]。對(duì)配電室內(nèi)的配電設(shè)備和電纜的穩(wěn)定性及時(shí)發(fā)現(xiàn)和告警將直接關(guān)系到電網(wǎng)的運(yùn)行安全[4]。因此對(duì)配電室進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)具有重大意義。智能配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將傳統(tǒng)配電監(jiān)測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代先進(jìn)的自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)[5]、高速通信技術(shù)[6]以及計(jì)算機(jī)技術(shù)[7]相融合而構(gòu)成的新型配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是協(xié)助提升智能化配電房管理能力的最新工具。

由于配電室存在著環(huán)境復(fù)雜等缺點(diǎn)，為了保證配電室中配電設(shè)備和電纜在運(yùn)行中零停機(jī)時(shí)間，必須對(duì)火災(zāi)事故提前采取檢查措施[8]。同時(shí)，室內(nèi)配電室中的有毒氣體往往超過(guò)可接受的濃度水平。因此，對(duì)配電室進(jìn)行無(wú)線、不可觸及、在線檢測(cè)和報(bào)警迫在眉睫。目前，紅外火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已用于配電室智能檢測(cè)[9]，然而固定的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往無(wú)法在發(fā)生火災(zāi)后進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)，并且在復(fù)雜的配電室環(huán)境中安裝固定火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)成本較高。因此，有必要設(shè)計(jì)一種面向配電室智能監(jiān)測(cè)的傳感器巡檢機(jī)器人。

開(kāi)發(fā)了一種用于室內(nèi)配電室危險(xiǎn)環(huán)境下的多元傳感器移動(dòng)巡檢機(jī)器人。給出了移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)和機(jī)器人機(jī)身的有限元分析，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究了機(jī)器人的差動(dòng)能力和爬越障礙物能力。運(yùn)用PTZ攝像機(jī)和基于多元傳感器的控制系統(tǒng)對(duì)配電室環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。

1? ?配電室巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

為了使機(jī)器人從設(shè)備要求工況尺寸700 mm×700 mm的方形輕松地進(jìn)入一米寬的配電室設(shè)備通道，應(yīng)該使其體積小、重量輕、攜帶方便[10]。因此，系統(tǒng)要求如下：

（1）主體尺寸：長(zhǎng)420 mm，寬320 mm，高300 mm（不含天線）。前臂長(zhǎng)度超過(guò)200 mm。

（2）移動(dòng)速度大于24 m/min。

（3）重量小于20 kg。

（4）障礙物高度小于100 mm。

（5）工作時(shí)間大于2小時(shí)。

為滿足上述要求，設(shè)計(jì)了一種配電室巡檢機(jī)器人。它由移動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。如圖1所示，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱雙履帶驅(qū)動(dòng)，前臂旋轉(zhuǎn)角度從0°到90°。當(dāng)機(jī)器人需要進(jìn)入配電室時(shí)，它將使前臂上升到90°以便通過(guò)小型檢修孔。當(dāng)需要跨越障礙物時(shí)，前臂可根據(jù)高度調(diào)整傾斜角度。如果它需要穿過(guò)溝槽或跨越線纜時(shí)，前臂將降到0°并延伸到水平線。在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的側(cè)面安裝了八個(gè)超聲波傳感器用于檢測(cè)障礙物。

在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，安裝了無(wú)邊框的PTZ攝像機(jī)和控制系統(tǒng)。這款攝像機(jī)采用小型壓鑄鋁封裝的紅外圖像傳感器，可適用于惡劣環(huán)境[11]。攝像機(jī)的平移和傾斜角度分別為360°和105°。因此，在配電室中，攝像機(jī)比多個(gè)固定攝像機(jī)能提供更大的采集圖像范圍。在傾斜軸上裝有小型紅外溫度傳感器和激光傳感器。當(dāng)攝像機(jī)平移或傾斜時(shí)，溫度傳感器可以檢測(cè)攝像機(jī)拍攝圖像中激光所掃描物體的溫度。

如圖2所示，機(jī)器人控制系統(tǒng)的配置包括機(jī)器人上的電氣控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作和監(jiān)視器。電氣控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人的移動(dòng)和信號(hào)處理。傳感器包括傾斜儀、陀螺儀、氣體傳感器（CO、CH4、CO2、O2）、溫度傳感器、紅外距離傳感器和超聲波傳感器。機(jī)器人移動(dòng)控制器是基于TI 2407DSP設(shè)計(jì)[12]。DSP、A/D模塊、聲納測(cè)距模塊和其它三個(gè)直流驅(qū)動(dòng)器通過(guò)串行RS485總線連接在一起[13]。機(jī)器人能夠在緊急情況下以自主模式工作，如避免碰撞和跨越障礙物等。此外，設(shè)計(jì)還使用了便攜式遙控器來(lái)遙控機(jī)器人的移動(dòng)。智能維護(hù)中心（IMC）[14]位于更遠(yuǎn)的位置，通過(guò)IEEE 802.11b/g接入點(diǎn)接收監(jiān)視器無(wú)線傳感數(shù)據(jù)[15]。因此，可以通過(guò)實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)對(duì)配電室的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中，機(jī)器人的一些移動(dòng)指令也可以從IMC發(fā)出。

2? ?移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ?移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

配電室檢測(cè)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)器人有三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)前臂通過(guò)蝸桿減速器旋轉(zhuǎn)用于越過(guò)一些障礙物，如電纜和矮臺(tái)階。另兩個(gè)驅(qū)動(dòng)左右履帶分別旋轉(zhuǎn)。其中，履帶由四個(gè)皮帶輪支撐，即主驅(qū)動(dòng)輪、中間導(dǎo)向輪、隨動(dòng)輪和前導(dǎo)向輪（見(jiàn)圖3至圖5）。所有的輪子都安裝在機(jī)器人裝置的框架上。

2.2? ?張緊機(jī)構(gòu)

由于機(jī)器人僅采用兩條履帶來(lái)支撐前臂和機(jī)體框架，因此設(shè)計(jì)了張緊機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)履帶張力。

履帶與A、B點(diǎn)上的隨動(dòng)輪嚙合，將皮帶分為前臂部分和車身部分，如圖3所示。當(dāng)?shù)谝粡埦o機(jī)構(gòu)擰緊時(shí)，前導(dǎo)向輪和隨動(dòng)輪之間的距離將被調(diào)節(jié)。然后，在緊固鎖定螺釘之后，前臂部分中的履帶被張緊。當(dāng)?shù)诙埦o機(jī)構(gòu)擰緊時(shí)，中間導(dǎo)向輪將沿指定路徑移動(dòng)。還有一個(gè)緊固螺釘，以保持履帶在主體部分的張力。

2.3? ?機(jī)器人機(jī)身的有限元分析

如圖3所示，機(jī)器人機(jī)身是配電室巡檢機(jī)器人的最大部件，其中安裝了車輪和控制系統(tǒng)。機(jī)器人機(jī)身采用半封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由四塊側(cè)板和一塊底板厚度為3 mm的鋁合金焊接而成。

由于機(jī)器人的重量小，強(qiáng)度高，因此有必要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。3D模型、嚙合結(jié)果和有限元分析分別如圖6、圖7和圖8所示。

分析表明，受重力和履帶張力的影響，最大應(yīng)力和最大變形均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，機(jī)器人機(jī)身重量小于3 kg，便于攜帶。

3? ?運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1? ?差動(dòng)分析

采用差動(dòng)方法控制機(jī)器人的姿態(tài)。轉(zhuǎn)彎半徑和軌道速度之間的關(guān)系，如圖9所示。

因此，轉(zhuǎn)彎半徑R0可由以下公式得出：

其中，S為兩個(gè)履帶中心之間的間隙，va和vi分別為左右履帶的線速度。

3.2? ?爬越障礙物

以主驅(qū)動(dòng)輪中心為半徑R的原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系。假設(shè)重心坐標(biāo)為O（x′0，y′0），X′軸與水平線的夾角為？準(zhǔn)，障礙物的高度為h，轉(zhuǎn)彎半徑與軌道速度的關(guān)系和機(jī)器人的爬升狀態(tài)分別如圖10和圖11所示。

則機(jī)器人爬升障礙物的高度可表示為：

由上述公式可知，爬升高度取決于重心的位置和主驅(qū)動(dòng)輪半徑?？紤]h對(duì)x′0、y′0和R的偏導(dǎo)數(shù)，則有

因此，可以推斷h是x′0的單調(diào)遞增函數(shù)，并且它是y′0和R的單調(diào)遞減函數(shù)，因此，如果x′0增加，或者y′0和R減少，則機(jī)器人的爬升能力將會(huì)提高。

4? ?機(jī)器人的操作程序

巡檢機(jī)器人所面臨的復(fù)雜任務(wù)會(huì)因配電室環(huán)境的差異而有所不同。但是，它們?cè)趦蓚€(gè)方面是相似的：（1）需要考慮放或吊的程序;（2）應(yīng)考慮巡檢程序。

對(duì)于一個(gè)700 mm × 700 mm的巡檢通道，對(duì)于機(jī)器人的檢測(cè)方法，數(shù)據(jù)采集過(guò)程如下：首先，攝像機(jī)捕獲一幀圖像，然后，通過(guò)圖像處理算法識(shí)別出通道的路徑。如果通道被阻塞，機(jī)器人將停止并將通道狀態(tài)反饋給監(jiān)視器。否則，機(jī)器人將根據(jù)圖像處理結(jié)果規(guī)劃其移動(dòng)路徑。同時(shí)，及時(shí)收集CO、CH4、CO2、O2等氣體濃度。

由于火災(zāi)事故通常是由配電設(shè)備或電纜的高溫引起，因此機(jī)器人對(duì)配電設(shè)備和電纜溫度的檢測(cè)非常重要。必須檢測(cè)配電設(shè)備及沿線電纜上各點(diǎn)的溫度。所有的溫度檢測(cè)都是由圖像幀中的激光光點(diǎn)位置自動(dòng)完成。因此，如果機(jī)器人需要檢測(cè)配電設(shè)備和電纜的溫度時(shí)，機(jī)器人的主驅(qū)動(dòng)輪將首先停止。然后，PTZ攝像機(jī)將平移軸和傾斜軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)激光所掃描設(shè)備及電纜的圖像中被識(shí)別為亮點(diǎn)時(shí)，紅外溫度傳感器將測(cè)量該點(diǎn)周圍的溫度。不僅配電設(shè)備和電纜的溫度和氣體的濃度存儲(chǔ)在機(jī)器人的存儲(chǔ)器中，而且數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)視器傳輸給遠(yuǎn)程操作人員。如果溫度或氣體濃度不在安全范圍內(nèi)，將輸出一個(gè)警告信號(hào)，機(jī)器人將沿原路徑返回。

5? ?實(shí)驗(yàn)分析

以云南省某供電局配電室為例，在配電室中進(jìn)行了大量可靠的試驗(yàn)。機(jī)器人在配電室中的巡檢，如圖12所示。遠(yuǎn)程操作端的無(wú)線發(fā)送器和接收器，如圖13所示。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了移動(dòng)能力的測(cè)試。通過(guò)圖像識(shí)別可以控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和避障功能。當(dāng)遇到像墻這樣的無(wú)法跨越障礙物時(shí)，機(jī)器人將在預(yù)定安全距離內(nèi)停止，該距離根據(jù)移動(dòng)速度設(shè)定（例如5 m/min，其相應(yīng)的距離值為0.2 m）。在調(diào)整了速度va和vi后，機(jī)器人可以根據(jù)公式（1）以所需的轉(zhuǎn)彎半徑旋轉(zhuǎn)來(lái)避開(kāi)障礙物，并繼續(xù)向前移動(dòng)。

當(dāng)遇到可跨越的障礙物時(shí)，如電纜、門檻或臺(tái)階，機(jī)器人將嘗試跨越障礙物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傾斜儀傳感器的反饋角度小于44°時(shí)，將可以跨越障礙物，否則將無(wú)法跨越。實(shí)驗(yàn)還表明，障礙物的最大可跨越高度為105 mm。

配電室中監(jiān)測(cè)到的氣體濃度與溫度的傳感器警報(bào)值范圍，如表1所示。

從表1可以看出，機(jī)器人發(fā)現(xiàn)的CH4和CO水平越低，配電室越安全。如果機(jī)器人觀察到空氣中O2濃度低于21.9%時(shí)，則會(huì)發(fā)出警告信號(hào)。CO2濃度的安全范圍為300 ～ 500 ppm。在所設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)中，當(dāng)配電室中配電設(shè)備和電纜的溫度分別超過(guò)80 ℃和50 ℃時(shí)，也會(huì)輸出警告信號(hào)。如果配電室機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作人員或監(jiān)視器接收到警告信號(hào)，則應(yīng)及時(shí)對(duì)配電室內(nèi)的設(shè)備及電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及維修。

6? ?結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種用于巡檢配電室危險(xiǎn)環(huán)境下的多元傳感器機(jī)器人。為了便于攜帶機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種重量小于3 kg的對(duì)稱雙履帶機(jī)器人。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究了機(jī)器人的差動(dòng)能力和爬升能力。此外，還介紹了該機(jī)器人采集設(shè)備圖像和有毒氣體濃度數(shù)據(jù)的傳感器檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠在配電室內(nèi)順利移動(dòng)，并能有效地對(duì)配電室中配電設(shè)備及電纜進(jìn)行巡檢。

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