變電站智能巡檢機器人系統的研究與設計

1   概述

設計開(kāi)發(fā)變電站智能巡檢機器人系統[1]，變電站工作人員可通過(guò)遠程監控室，不僅對現場(chǎng)機器人巡檢車(chē)體（以下簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)體）的運動(dòng)進(jìn)行控制，而且對車(chē)體的視頻和紅外設備進(jìn)行控制。首先車(chē)體能夠沿著(zhù)導航設定的路線(xiàn)進(jìn)行巡檢，并根據導航系統對待檢設備進(jìn)行智能精準定位；其次通過(guò)紅外熱成像儀和可見(jiàn)光攝像機等成像系統對變電站設備的運行狀態(tài)進(jìn)行分析檢測^[2]，并將檢測數據傳送至監控中心（包括遠程監控室和本地監控室）；最后將檢測設備進(jìn)行故障報警，并采取相應措施。

2   方案設計

2.1 整體框架設計

智能巡檢機器人系統，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、不影響電氣設備的正常運行。整個(gè)系統由五大部分組成：變電站遠程監控室、本地監控室、充電房、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和機器人巡檢車(chē)體；具體如圖1所示。其中變電站監控室主要功能是對巡檢現場(chǎng)的情況進(jìn)行監控；本地監控室不僅能夠通過(guò)上傳的視頻和紅外圖像對設備進(jìn)行監控，并能通過(guò)電子地圖來(lái)展現車(chē)體巡檢的工作過(guò)程；同時(shí)，本地監控室把所有監測數據上傳遠程監控室，使遠程監控室時(shí)時(shí)掌握變電站的運行狀況。

2.2 整體功能設計

智能巡檢機器人系統主要設計有七大功能：運動(dòng)功能；語(yǔ)音功能；自主充電功能；巡檢方式設置和切換功能；自檢功能；智能故障報警功能；一鍵返航和鏈路中斷返航功能。

其中運動(dòng)功能設計主要包括：車(chē)體前后方向和左右方向的重復自主導航；水平和垂直兩個(gè)旋轉自由度；障礙物檢測防碰撞；防跌落；車(chē)體云臺視角范圍始終不受車(chē)體任何部位遮擋影響；越障；涉水；爬坡；轉彎等。

語(yǔ)音功能設計主要包括：雙向智能語(yǔ)音（喊話(huà)和對講）傳輸功能。

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

巡檢方式設置和切換功能設計主要包括：巡檢系統包括人工輔助遙控巡檢及全自動(dòng)巡檢兩種巡檢方式[3]。自檢功能設計主要包括：電機和驅動(dòng)模塊，傳感器模塊、成像系統模塊、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋模塊，工控機模塊等，以上任何模塊故障，均以明顯的光和聲在車(chē)體和監控室后臺進(jìn)行報警信息提示。

智能報警功能設計主要包括兩種：一種變電站設備的運行狀態(tài)異常故障報警信息提示。另外一種車(chē)體故障報警信息提示。

3   機器人巡檢車(chē)體設計

3.1 機器人巡檢車(chē)體整體框架設計

車(chē)體設計符合人機工程，采用全驅、全向平臺作為基礎傳動(dòng)平臺；系統組成包括：工控機、步進(jìn)電機及驅動(dòng)器、直流電機及驅動(dòng)器、云臺、可見(jiàn)光單目和雙目攝像機、紅外熱成像儀、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、激光傳感器、超聲波傳感器、拾音器、充電器、輔助設備、報警設備等，具體如圖1 所示。

3.2 機器人巡檢車(chē)體運動(dòng)控制系統方案設計

運動(dòng)控制系統是機器人巡檢車(chē)體最關(guān)鍵的核心技術(shù)。

運動(dòng)控制系統的主體部分由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，采用PWM波和光電編碼器控制直流電機；從板主要實(shí)現對四個(gè)轉向步進(jìn)電機的控制，主板得到轉向步進(jìn)電機位置誤差參數（通過(guò)磁旋轉編碼器得到步進(jìn)電機速度反饋信號）后通過(guò)串口發(fā)送到從板，從板再將這些參數放到通信協(xié)議里一起發(fā)給步進(jìn)電機驅動(dòng)器。具體見(jiàn)圖2 運動(dòng)控制硬件結構圖。

STM32 主控制板與工控機通信，接收X、Y、Z（ω ）3 個(gè)速度值，通過(guò)底盤(pán)矢量分解得到每個(gè)轉向步進(jìn)電機的速度和每個(gè)移動(dòng)直流電機的速度（當前占空比），轉向步進(jìn)電機速度送到轉向模塊，與磁旋轉編碼器傳回的數據做比較，實(shí)現位置的調整。移動(dòng)直流電機的速度與A/B 相光電編碼器（通過(guò)定時(shí)器和計數器獲得）計數值做比較，并通過(guò)PID 調節PWM 波占空比，實(shí)現4 個(gè)車(chē)輪的直流電機控制。各個(gè)模塊相互之間的關(guān)系如圖3所示。

1）直流電機及驅動(dòng)器設計

本項目直流電機設計考慮成本、負載力矩以及電機工作特點(diǎn)等因素，最終采用直流有刷MAXON 電機，其中減速比采用113，A/B 相光電編碼器分辨率采用512。直流電機的PWM 控制采用定頻調寬法。

本項目直流電機驅動(dòng)器負責把控制脈沖轉換成各電機轉動(dòng)角度，實(shí)現車(chē)體移動(dòng)。電機驅動(dòng)器采用H 橋斬波驅動(dòng)電路設計，其工作原理如下：車(chē)體前后左右四輪的驅動(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時(shí)間的PWM 信號分別驅動(dòng)控制^[4]。

2）直流電機反饋檢測模塊設計

該模塊主要采集反饋信號，包括電機轉速、轉向，蓄電池電壓，電機電流等，主要由A/B 相光電編碼器、ADC 采樣電路完成。本項目采用MAXON 公司配套電機的增量式A/B 相光電編碼器。

3）步進(jìn)電機設計

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

3.3 機器人巡檢車(chē)體控制系統軟件設計

本項目軟件設計充分考慮到機器人巡檢車(chē)體運動(dòng)的協(xié)調性，包括動(dòng)力學(xué)協(xié)調和運動(dòng)學(xué)協(xié)調；動(dòng)力學(xué)協(xié)調指車(chē)體本體與各車(chē)輪的加速度的協(xié)調；運動(dòng)學(xué)協(xié)調指車(chē)體本體與各車(chē)輪的速度、偏轉角的協(xié)調^[5]。車(chē)體控制策略包括：前后運動(dòng)；左右運動(dòng)；旋轉運動(dòng)；轉彎運動(dòng)；停止等。具體見(jiàn)圖4 運動(dòng)控制程序流程圖。

圖4 運動(dòng)控制程序流程圖

4   結束語(yǔ)

本文詳細論述了一款智能巡檢機器人系統的研究和設計。對系統整體設計、機器人巡檢車(chē)體設計做了完整闡述。隨著(zhù)變電站的智能巡檢機器人系統的安全可靠設計和功能不斷完善，以實(shí)現變電站巡檢任務(wù)的標準化、統一化、智能化。

參考文獻：

[1]李煥明.智能機器人巡檢系統在變電站的應用研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2020.

[2]郎福成,牟童,韓月.變電站智能巡檢機器人系統設計[J].電工材料,2017(6):36-38.

[ 3 ] 崔彥彬, 劉歡. 變電站智能巡檢機器人系統的設計[J].設計與研究,2014(4):53.

[4]趙璠璠.變電站智能巡檢機器人系統設計[J].自動(dòng)化技術(shù)與設計,2020(10):233-235.

[5]胡桐.四輪獨立驅動(dòng)和轉向移動(dòng)機器人的設計與控制[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2015.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）