南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 姚傳濤 褚海洋 王 坤 陳田濟凡 莫云曉 王學(xué)埕

2020年全國共發(fā)生電力人身傷亡事故36起，死亡45人。如能廣泛應(yīng)用室內(nèi)巡檢機器人，

這一數(shù)值可能會大大降低。目前用電量增加了許多，相對變電站的巡檢要求也隨之提高，從而大大提高了對室內(nèi)電力巡檢機器人的需求程度。

1 需求分析

自2010年以后，我國涌現(xiàn)了諸多研究機構(gòu)和廠家開展了巡檢機器人的相關(guān)研究工作，并在多個變電站完成了試運行[1]。本文所設(shè)計的機器人主要核心將集中在明確所在位置、下一步工作是什么，以及怎樣去那里完成巡檢任務(wù)。所以要求所設(shè)計的機器人應(yīng)擁有以下功能：能以較快速度準時駛向既定的巡檢任務(wù)地點；在行駛過程中能智能回避各種障礙物，能做到不碰觸高危設(shè)備，確保自身的安全性；能安全順利通過升降門；通過可視化的操作界面能直接設(shè)定機器人的巡檢任務(wù)以及查看其工作狀態(tài)；能在操作界面遠程遙控機器人完成巡檢任務(wù)，并根據(jù)實際需要予以拍照。

2 總體設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

本文所設(shè)計的機器人將主要具有以下功能：自動定位所在位置、自動確定導(dǎo)航路徑、智能規(guī)避障礙物、智能拍照、實時上傳巡檢信息（圖1），最上層是上位機管理系統(tǒng)，主要提供機器人運行狀態(tài)查看、設(shè)置巡檢路線、發(fā)布巡檢任務(wù)和拍照對象，以及提供手動遙控機器人的功能。中間層是邏輯核心層，是機器人的中央控制以及業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，借助傳感器與攝像頭來探測周邊情況。硬件系統(tǒng)主要負責(zé)承擔(dān)機器人的相關(guān)運用功能，可以轉(zhuǎn)向以及給定速度行駛。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

2.2 硬件架構(gòu)

機器人的硬件將主要由中樞控制器、四輪全向機器人平臺、垂直升降云臺及傳感器系統(tǒng)構(gòu)成。其中中樞控制器主要負責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集和處理，對機器人的運動姿態(tài)予以實時監(jiān)控及控制。同時將機器人的傳感器數(shù)據(jù)信息、運動狀態(tài)信息等傳輸至中控機，并對相應(yīng)的控制指令予以響應(yīng)；四輪全向機器人平臺是機器人的承載平臺，將借助4個麥克納姆輪實現(xiàn)驅(qū)動；垂直升降云臺在控制器以及直流無刷電機的驅(qū)動及控制下，主要負責(zé)對機器人的多角度檢測；傳感器系統(tǒng)主要包括激光雷達、超寬帶定位模塊等傳感器而構(gòu)成，通過多種傳感器的協(xié)同配合，共同完成對機器人相關(guān)情況的判斷。

超聲測距。機器人由于將主要在電站的監(jiān)控室、生產(chǎn)車間等較為復(fù)雜的環(huán)境下執(zhí)行巡檢任務(wù)，所以需實時探測和判斷周圍環(huán)境情況，是否存在障礙物、危險不可碰觸高危設(shè)備等。避障傳感器主要是借助超聲探測方案來實現(xiàn)障礙物感知[2]，其具有發(fā)生和接收超聲波的功能，當(dāng)發(fā)出的超聲波遇到障礙物后會發(fā)反射，接收器在接收到反射信號后將自動將相關(guān)距離信息計算出來并提供給機器人。本設(shè)計將使用多個傳感模塊來構(gòu)成一個傳感器陣列，如此就能夠?qū)Χ鄠€單點距離的信息進行綜合分析。

電量檢測。由于電池在放電過程中伴隨電量的減少其帶負載輸出電壓會下降較為明顯[3]，所以通過數(shù)字量化輸出電壓就能實現(xiàn)對電池剩余電量的成功估計。但考慮到剩余電量與帶載輸出電壓兩者間并非線性關(guān)系，因此通過這樣的方法來估計得到的結(jié)果并不一定準確，所以考慮預(yù)先對電池負載放電特性加以估計和測定，以便所獲得的電池電壓值變得更加準確。

升降云臺。主要采用分布式控制的方式來控制垂直升降云臺的運動。驅(qū)動器以及電機都將被配備控制器，在充分考慮成本的情況下對其予以模塊化設(shè)計。而控制器內(nèi)部將做到電機的閉環(huán)控制，把編碼器所反饋的角度信息讀取到以后作為反饋信號，從而借此實現(xiàn)對電機控制執(zhí)行值的計算。其中水平控制單元主要負責(zé)水平方向的旋轉(zhuǎn)，而垂直升降單元將主要負責(zé)垂直方向的運動。分立的控制單元將作為從設(shè)備掛載于中樞控制器的CAN總線，在實現(xiàn)對電機獨立控制的同時還可借助中樞控制器將相關(guān)協(xié)調(diào)工作做好。

通信接口。通過總線通信方式主要借助分立的控制器（Controller）來實現(xiàn)對中樞控制器連接的架構(gòu)，各類傳感器（Sensor）也是通過這樣一種方式從而掛載于通信端口上。而中樞控制器將主要負責(zé)對各類數(shù)據(jù)的采集，并遵循設(shè)定的格式對這些數(shù)據(jù)加以打包傳輸。而上位機在收到相關(guān)指令信息后也會先將數(shù)據(jù)解析出來然后加以執(zhí)行。

系統(tǒng)電源。主要是指兩個部分，即中控機電源以及機器人平臺電源。其中針對工控機電源將使用獨立的鋰電池（12V、40Ah）?？紤]到該電池存在電壓輸出不夠穩(wěn)定，將對其借助DC-DC予以升壓處理。平臺電源能借助平臺實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，能滿足多個供電需求。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括中控機和上位機，主要是底盤以上的層級。其中中控機主要負責(zé)控制底盤運動、攝像頭拍照以及控制云臺升降等核心任務(wù)，上位機主要負責(zé)供用戶向機器人發(fā)布巡檢任務(wù)、查看機器人狀態(tài)及展示運檢地圖等。

操作系統(tǒng)。為了機器人的各種功能能得以順利實現(xiàn)，設(shè)計中將使用機器人操作系統(tǒng)ROS，這是專門針對機器人而開發(fā)出來的一種系統(tǒng)，是一套開源的系統(tǒng)框架，具有通用性、開源性、復(fù)用性、社區(qū)性等諸多優(yōu)點，由于具備諸多功能，同時能免費用于商用或研究，因此有利于降低研究開發(fā)成本[4]。為使機器人變得更加契合室內(nèi)電力巡檢任務(wù)，本研究將對定位和導(dǎo)航模塊予以相應(yīng)修改。本文所設(shè)計的機器人將主要使用3個節(jié)點（圖2），這些節(jié)點間將呈耦合分布式，基本能做到同時運行，借助頻率較高消息隊列來實現(xiàn)消息的彼此傳遞。

圖2 節(jié)點關(guān)系示意圖

定位模塊。主要通過對激光雷達（Laser radar）和超寬帶（UWB）數(shù)據(jù)的解析來獲得機器人的相關(guān)定位信息，但其會優(yōu)先借助濾波算法（Filtering algorithm）來對UWB的數(shù)據(jù)予以優(yōu)化，從而使所獲取的定位信息更加精確穩(wěn)定。還會運用ROS的ACML包對線管數(shù)據(jù)再次加以計算，從而獲得最終的定位信息。該模塊既能夠?qū)蓚€定位信息予以單獨使用，也可以融合使用。

圖3 定位模塊示意圖

圖4 導(dǎo)航模塊示意圖

導(dǎo)航模塊。主要分為手動控制、局部路徑規(guī)劃以及全局路徑規(guī)劃，通過局部、全局兩個子模塊彼此間的協(xié)同配合能實現(xiàn)實時路徑規(guī)劃。但當(dāng)機器人接收到手動控制命令后，此時機器人的控制權(quán)將被工作人員所接管，從而自動切換至手動模式狀態(tài)，以供工作人員手動規(guī)劃機器人的巡檢路線。

巡檢模塊。機器人在接收到巡檢任務(wù)后將自動規(guī)劃路線開始巡檢工作，期間依靠多個傳感器來判斷水平方向是否存在障礙物或不可觸碰高危設(shè)備。同時根據(jù)巡檢任務(wù)的實際需要，相關(guān)指令能夠及時傳達至攝像頭以及升降云臺，從而對其升降高度以及拍攝角度進行相應(yīng)調(diào)整，確保拍攝效果。巡檢功能主要還能完成危險情況緊急制動、通過升降門、設(shè)備拍照、手動控制等等機器人功能。