變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉松良

摘 要：電力系統(tǒng)的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的作用。而電力系統(tǒng)中，變電站是其最重要最關(guān)鍵的部分之一；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全、高效、可靠運(yùn)行具有一定的應(yīng)用價(jià)值[1]。針對(duì)變電站重要性、特殊性、危險(xiǎn)性等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款適用于變電站的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，并著重對(duì)機(jī)器人巡檢車體及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：變電站；智能巡檢機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；無(wú)線網(wǎng)橋

1 概述

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)[1]，變電站工作人員可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控室，不僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人巡檢車體（以下簡(jiǎn)稱車體）的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，而且對(duì)車體的視頻和紅外設(shè)備進(jìn)行控制。首先車體能夠沿著導(dǎo)航設(shè)定的路線進(jìn)行巡檢，并根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)待檢設(shè)備進(jìn)行智能精準(zhǔn)定位；其次通過(guò)紅外熱成像儀和可見(jiàn)光攝像機(jī)等成像系統(tǒng)對(duì)變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析檢測(cè)[2]，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心（包括遠(yuǎn)程監(jiān)控室和本地監(jiān)控室）；最后將檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行故障報(bào)警，并采取相應(yīng)措施。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 整體框架設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，既要安全可靠地完成巡檢任務(wù)，在一定程度上減輕工作人員的巡檢工作量，又要不破壞變電站任何裝置、不影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)由五大部分組成：變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控室、本地監(jiān)控室、充電房、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人巡檢車體；具體如圖1所示。其中變電站監(jiān)控室主要功能是對(duì)巡檢現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行監(jiān)控；本地監(jiān)控室不僅能夠通過(guò)上傳的視頻和紅外圖像對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并能通過(guò)電子地圖來(lái)展現(xiàn)車體巡檢的工作過(guò)程；同時(shí)，本地監(jiān)控室把所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)程監(jiān)控室，使遠(yuǎn)程監(jiān)控室時(shí)時(shí)掌握變電站的運(yùn)行狀況。

2.2 整體功能設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)有七大功能：運(yùn)動(dòng)功能；語(yǔ)音功能；自主充電功能；巡檢方式設(shè)置和切換功能；自檢功能；智能故障報(bào)警功能；一鍵返航和鏈路中斷返航功能。

其中運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)主要包括：車體前后方向和左右方向的重復(fù)自主導(dǎo)航；水平和垂直兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；障礙物檢測(cè)防碰撞；防跌落；車體云臺(tái)視角范圍始終不受車體任何部位遮擋影響；越障；涉水；爬坡；轉(zhuǎn)彎等。

語(yǔ)音功能設(shè)計(jì)主要包括：雙向智能語(yǔ)音（喊話和對(duì)講）傳輸功能。

自主充電功能設(shè)計(jì)主要包括：電池供電一次充電續(xù)航能力不小于5 h，電池電量不足時(shí)車體自動(dòng)返回充電室完成自主充電。

巡檢方式設(shè)置和切換功能設(shè)計(jì)主要包括：巡檢系統(tǒng)包括人工輔助遙控巡檢及全自動(dòng)巡檢兩種巡檢方式[3]。

自檢功能設(shè)計(jì)主要包括：電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊，傳感器模塊、成像系統(tǒng)模塊、無(wú)線網(wǎng)橋模塊，工控機(jī)模塊等，以上任何模塊故障，均以明顯的光和聲在車體和監(jiān)控室后臺(tái)進(jìn)行報(bào)警信息提示。

智能報(bào)警功能設(shè)計(jì)主要包括兩種：一種變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)異常故障報(bào)警信息提示。另外一種車體故障報(bào)警信息提示。

3 機(jī)器人巡檢車體設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人巡檢車體整體框架設(shè)計(jì)

車體設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程，采用全驅(qū)、全向平臺(tái)作為基礎(chǔ)傳動(dòng)平臺(tái)；系統(tǒng)組成包括：工控機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、云臺(tái)、可見(jiàn)光單目和雙目攝像機(jī)、紅外熱成像儀、無(wú)線網(wǎng)橋、激光傳感器、超聲波傳感器、拾音器、充電器、輔助設(shè)備、報(bào)警設(shè)備等，具體如圖1所示。

3.2 機(jī)器人巡檢車體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人巡檢車體最關(guān)鍵的核心技術(shù)。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主體部分由STM32控制板組成，控制板由兩塊嵌入STM32F103VCT6芯片的主板和從板組成，主板和從板采用SCI協(xié)議進(jìn)行通信。軟件算法在主板上實(shí)現(xiàn)，采用PWM波和光電編碼器控制直流電機(jī)；從板主要實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)的控制，主板得到轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)位置誤差參數(shù)（通過(guò)磁旋轉(zhuǎn)編碼器得到步進(jìn)電機(jī)速度反饋信號(hào)）后通過(guò)串口發(fā)送到從板，從板再將這些參數(shù)放到通信協(xié)議里一起發(fā)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。具體見(jiàn)圖2運(yùn)動(dòng)控制硬件結(jié)構(gòu)圖。

STM32主控制板與工控機(jī)通信，接收X、Y、Z（ω）3個(gè)速度值，通過(guò)底盤矢量分解得到每個(gè)轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)的速度和每個(gè)移動(dòng)直流電機(jī)的速度（當(dāng)前占空比），轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)速度送到轉(zhuǎn)向模塊，與磁旋轉(zhuǎn)編碼器傳回的數(shù)據(jù)做比較，實(shí)現(xiàn)位置的調(diào)整。移動(dòng)直流電機(jī)的速度與A/B相光電編碼器（通過(guò)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器獲得）計(jì)數(shù)值做比較，并通過(guò)PID調(diào)節(jié)PWM波占空比，實(shí)現(xiàn)4個(gè)車輪的直流電機(jī)控制。各個(gè)模塊相互之間的關(guān)系如圖3所示。

1）直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目直流電機(jī)設(shè)計(jì)考慮成本、負(fù)載力矩以及電機(jī)工作特點(diǎn)等因素，最終采用直流有刷MAXON電機(jī)，其中減速比采用113，A/B相光電編碼器分辨率采用512。直流電機(jī)的PWM控制采用定頻調(diào)寬法。

本項(xiàng)目直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)把控制脈沖轉(zhuǎn)換成各電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)車體移動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用H橋斬波驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，其工作原理如下：車體前后左右四輪的驅(qū)動(dòng)，以STM32芯片作為控制器，利用STM32芯片產(chǎn)生四組帶可編程死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)控制[4]。

2）直流電機(jī)反饋檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要采集反饋信號(hào)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，蓄電池電壓，電機(jī)電流等，主要由A/B相光電編碼器、ADC采樣電路完成。本項(xiàng)目采用MAXON公司配套電機(jī)的增量式A/B相光電編碼器。

3）步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用AM24HS2402-08N步進(jìn)電機(jī)，步距角1.8°。磁旋轉(zhuǎn)編碼器采用AMS公司的AS5048A。

3.3 機(jī)器人巡檢車體控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)充分考慮到機(jī)器人巡檢車體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，包括動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)調(diào)；動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)指車體本體與各車輪的加速度的協(xié)調(diào)；運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)調(diào)指車體本體與各車輪的速度、偏轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)[5]。車體控制策略包括：前后運(yùn)動(dòng)；左右運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)；停止等。具體見(jiàn)圖4運(yùn)動(dòng)控制程序流程圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)論述了一款智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、機(jī)器人巡檢車體設(shè)計(jì)做了完整闡述。隨著變電站的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的安全可靠設(shè)計(jì)和功能不斷完善，以實(shí)現(xiàn)變電站巡檢任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化、智能化。

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