張 強胡立夫李 彭

1.沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院

基于wifi的智能變電站巡檢機器人設(shè)計

張 強1胡立夫2李 彭1

1.沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院

變電站的巡檢工作是保證變電站正常工作、安全運行的一項基礎(chǔ)且極其重要的工作。傳統(tǒng)巡檢任務(wù)需要運行巡檢人員定期到各個變電站去做巡檢，采集大量的運行數(shù)據(jù)，時間過長；并且在特殊情況，如高溫，大雪等和一些地理條件十分惡劣的也需要去巡檢，對于巡檢人員的安全沒有保障。鑒于此情況，提出一種基于wifi的智能變電站巡檢機器人設(shè)計。智能變電站巡檢機器人可在無人參與的情況下按照預(yù)設(shè)路線進(jìn)行自主巡檢，并對電力設(shè)備的異常情況進(jìn)行預(yù)警處理或執(zhí)行預(yù)先設(shè)置的故障處理措施，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息的自動采集與分析。

隨著科技的不斷發(fā)展，電已經(jīng)成為了不可缺少的日常品，現(xiàn)如今超高壓、特高壓輸變電系統(tǒng)工程正在大規(guī)模發(fā)展，而新電壓等級、新技術(shù)的大量應(yīng)用使變電站傳統(tǒng)的運行、操作、維護(hù)等都面臨著新的挑戰(zhàn)，如何運用新技術(shù)、新手段以減輕變電站的運行維護(hù)負(fù)擔(dān)，更加有效的保障設(shè)備安全運行可靠，成為今后所面臨的主要問題之一。

本文設(shè)計的基于wifi的變電站巡檢機器人系統(tǒng)采用以mc9s12xs128單片機作為核心微處理器，配合以紅外攝像頭，可見光攝像頭，聲吶傳感器，加之以無線通信、語音報警等模塊來實現(xiàn)巡檢顯示、避障，無線傳送數(shù)據(jù)、語音報警等功能。在巡檢過程中，把記錄的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，值班人員根據(jù)反饋數(shù)據(jù)做出相應(yīng)措施。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于wifi的變電站巡檢機器人系統(tǒng)由控制中心和巡檢機器人系統(tǒng)兩部分組成。控制中心包括基于C/S架構(gòu)的本地控制中心和基于B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程控制中心兩種模式。本地控制中心位于局域網(wǎng)中，是巡檢機器人的中心控制系統(tǒng)，工作人員在辦公地點控制，其安全性較強，且實時性較高。遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)實現(xiàn)了工作人員在外可遠(yuǎn)程控制，通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問和操作移動機器人、本地控制中心，具有良好的開放性、靈活性，方便管理人員實時了解變電站的情況和機器人的狀態(tài)。

巡檢機器人安裝有導(dǎo)航系統(tǒng)和聲吶系統(tǒng)，可以獲得變電站環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，精確導(dǎo)航與避障，實施安全巡檢。雙向傳輸音頻系統(tǒng)可以接受現(xiàn)場的音頻信號，對變電站設(shè)備的聲音有無異常進(jìn)行檢測；若發(fā)現(xiàn)異常情況，將觸發(fā)機器人報警模塊發(fā)出報警信號，本地控制中心的工作人員也可通過遙控音頻系統(tǒng)對現(xiàn)場人員提出警告，從而有效避免安全事故的發(fā)生。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備包括紅外熱成像攝像頭與可視光攝像頭，可以對變電站設(shè)備的運行情況進(jìn)行檢測，視頻信號與音頻信號通過視頻服務(wù)器同步傳輸?shù)娇刂浦行?。如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的特點，構(gòu)建巡檢機器人硬件系統(tǒng)包括機器人本體、mc9s12xs128單片機、攝像頭、音頻系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、避障聲吶系統(tǒng)及報警系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 智能變電站巡檢機器人系統(tǒng)框圖

圖3 系統(tǒng)程序圖

控制系統(tǒng)

基于wifi的變電站巡檢機器人控制系統(tǒng)分為兩層，底層控制部分負(fù)責(zé)控制機器人的行駛速度和航向，使巡檢機器人可以平穩(wěn)快速的行駛到目的地；。上層控制部分提供了高層次的機器人控制，包括導(dǎo)航系統(tǒng)，預(yù)設(shè)路徑等功能。

無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)通過無線局域網(wǎng)與控制中心進(jìn)行信息交流，接受指示和反饋信息。選用無線網(wǎng)卡TP－LINK，使得機器人和控制中心可以快速通信；再在無線網(wǎng)卡接口連接12dB的全向天線，確保巡檢機器人與信號接收器連接，穩(wěn)定傳輸信息。選用TP－LINK無線路由器，作為無線局域網(wǎng)的接入點AP來搭建了無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。巡檢機器人發(fā)送消息時，首先通過無線網(wǎng)卡接入無線路由器，無線路由器再通過其廣域網(wǎng)連接端口連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)送給控制中心；反過來，控制中心通過Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機器人進(jìn)行操作。

監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)包括熱成像和可見光兩部分，熱成像部分采用紅外熱成像儀，可見光部分采用普通可見光攝像頭。安裝在能左右旋轉(zhuǎn)又能上下旋轉(zhuǎn)的全方位云臺上。

選用紅外熱成像儀測定目標(biāo)，由于一切物體都在不斷的輻射紅外線，接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。

選用普通可見光攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，控制中心可以實時了解現(xiàn)場的情況，也可以把采集的視頻數(shù)據(jù)存儲起來，以備以后的查看。

避障聲吶系統(tǒng)

機器人避障聲吶系統(tǒng)選用超聲波傳感器，具備獨立的驅(qū)動電路，能夠單獨控制，操作起來靈活、方便?？紤]到芯片引腳與編程問題，一共選用了16個超聲波傳感器。其中機器人的左右兩側(cè)各2個，其余12個均勻分布在前后兩邊。這16個超聲波傳感器的布置可以為機器人提供360度全方位的檢測，從而有效的達(dá)到避障的目的。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

變電站巡檢機器人系統(tǒng)程序主要包含驅(qū)動程序和控制運算程序，其中驅(qū)動程序主要完成上位機數(shù)據(jù)接收、超聲波數(shù)據(jù)接收、攝像頭數(shù)據(jù)接收、電機控制等功能；控制運算程序，主要完成導(dǎo)航控制功能；當(dāng)機器人與控制中心進(jìn)行航線通信后，把航線發(fā)送到機器人的存儲區(qū)，控制運算程序通過一定時間的運算，控制舵機方向，然后沿著航線進(jìn)行巡航。到達(dá)航點后，機器人進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)行一些必要的監(jiān)測，然后讀取存儲區(qū)內(nèi)的下一個航點，通過控制運算程序進(jìn)行調(diào)整方向，繼續(xù)導(dǎo)航。機器人到達(dá)最后一個航點后，立即進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，然后進(jìn)行回程的功能，在回程中再次進(jìn)行監(jiān)測，把數(shù)據(jù)傳輸給上位機。系統(tǒng)程序圖如圖3所示。

實驗結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)功能，在校內(nèi)進(jìn)行了多次測試；經(jīng)過多次程序的調(diào)整，實現(xiàn)了導(dǎo)航、避障、圖像采集與處理、云臺控制和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。下圖為機器人圖。

側(cè)視圖

俯視圖

結(jié)束語

本文設(shè)計的基于wifi的智能變電站巡檢機器人系統(tǒng)充分利用了智能車的機動性高、穩(wěn)定性好、易操控等特點，通過WIFI連接智能車，實現(xiàn)實時、高效、自動巡檢變電站。通過智能車的幫助，值班人員可以詳細(xì)、徹底地了解變電站內(nèi)的信息。同時可以把信息保存，方便以后的研究，對于變電站的安全可靠運行起到積極的作用。

張強（1994－）男，本科，測控技術(shù)與儀器；教師簡介：胡立夫，男，高級工程師。胡立夫，男，高級工程師。

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新項目（項目編號：DCX140706）