孟慧霞

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司公共事業(yè)服務(wù)分公司， 山西 臨汾 041000）

引言

運(yùn)維人員定期對(duì)配電室電氣設(shè)備、消防設(shè)施、安全用具、環(huán)境等進(jìn)行專業(yè)性巡視檢查，以確認(rèn)相關(guān)設(shè)備設(shè)施是否運(yùn)行正常，是否存在缺陷及安全隱患。多數(shù)配電室還是傳統(tǒng)的人工值守、人工巡檢和手工記錄模式，面臨諸多挑戰(zhàn)，如頻次高（每天、每班、定時(shí)等），巡檢、抄表工作量大；巡檢質(zhì)量難保證，只看表面，無(wú)法透視設(shè)備運(yùn)行情況，巡檢人員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心對(duì)巡檢質(zhì)量影響很大，巡檢過(guò)程難以監(jiān)控；全靠手工記錄，無(wú)法核實(shí)有無(wú)巡檢、巡檢內(nèi)容是否全面等，少巡檢、不巡檢、漏巡檢、編數(shù)據(jù)是常態(tài)；巡檢記錄難利用，手工記錄，數(shù)據(jù)只抄不用，無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況。針對(duì)以上問(wèn)題，采用室內(nèi)巡檢機(jī)器人可以克服以上問(wèn)題，室內(nèi)巡檢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)（X、Y、Z）。機(jī)器人可以完成配電室內(nèi)設(shè)備的全方位檢查，可以提高檢測(cè)覆蓋率、準(zhǔn)確性和電網(wǎng)的智能化水平。

1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該機(jī)器人系統(tǒng)由履帶機(jī)器人和后臺(tái)監(jiān)控組件組成[1]，所述機(jī)器人包括組合軌道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)體，如圖1 所示。該機(jī)器人采用滑動(dòng)接觸線和電力線載波通信技術(shù)[2]，可實(shí)現(xiàn)24 h 連續(xù)工作，滿足部分配電室內(nèi)禁止無(wú)線通信的要求。組合軌道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括兩個(gè)固定軌道（X 軸）、一個(gè)移動(dòng)軌道（Y 軸）和同步軸。其中X 軸和Y 軸為獨(dú)立的直線驅(qū)動(dòng)單元。Y 軸和同步軸固定在一起，以增加剛度。機(jī)器人固定在Y軸滑動(dòng)裝置上，同步軸固定在X 軸滑動(dòng)裝置上。X 軸通過(guò)固定托架安裝在天花板或室內(nèi)梁上。

圖1 室內(nèi)巡檢機(jī)器人安裝示意圖

1.2 工作原理

X 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率從減速器傳到傳動(dòng)帶，再傳到X 軸滑動(dòng)裝置，從而Y 軸可以沿X 軸運(yùn)行。同樣，Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率從減速器傳到傳動(dòng)帶，再傳到Y(jié) 軸滑動(dòng)裝置，從而Z 軸可以沿Y 軸運(yùn)行。Z 軸分別在X軸和Y 軸運(yùn)動(dòng)結(jié)束后開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。結(jié)合X 軸、Y 軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人可以在整個(gè)空間內(nèi)移動(dòng)，到達(dá)房間的每個(gè)角落。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋和精確控制，設(shè)計(jì)了基于PC機(jī)和PLC 的控制方案，PLC 與PC 機(jī)之間采用串行通信。PC 機(jī)是上位機(jī)，其主要功能是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、發(fā)出控制指令、故障顯示和報(bào)警。PLC 是下位機(jī)，其主要功能是完成信號(hào)采集和運(yùn)動(dòng)控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過(guò)PLC 控制X 軸、Y 軸前后移動(dòng)，接收到GPS 設(shè)備提供的Y 軸、Z 軸和檢測(cè)設(shè)備的姿態(tài)信息，并據(jù)此作出控制指令。因此，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和定位，定位是通過(guò)激光傳感器實(shí)現(xiàn)的。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

為了使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接并在組合軌道上平穩(wěn)運(yùn)行，提出了一種組合線性規(guī)劃算法，原理如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系和運(yùn)行軌跡圖

圖3 中，P0（X0，Y0）為初始點(diǎn)；Pf（Xf，Yf）為最終目的地；Pv為速度；Ta為加速時(shí)間；Tc為插補(bǔ)周期；T 為運(yùn)行時(shí)間。圖3 坐標(biāo)系及運(yùn)行軌跡圖基本參數(shù)的確定及插補(bǔ)點(diǎn)的求解如下[3]：實(shí)際距離Pd=|P0Pf|；加減速區(qū)段所需距離Cd=PvTa/2。將Pd與Cd進(jìn)行比較，如果Pd≤Cd，那么實(shí)際速度，否則Cv=Pv。

加速步長(zhǎng)Sa可通過(guò)加速時(shí)間Ta和插值時(shí)間Tc獲得。

空間線性參數(shù)方程由P0（X0，Y0）和Pf（Xf，Yf）得到，如下:

式中：K 為比例因子，0≤K≤1。

Csd（i）是從插值點(diǎn)Pi（Xi，Yi）到P0的距離，Csd（i）=其中i 為每個(gè)插值點(diǎn)的步數(shù)，介于0 和T/Tc之間。K 的計(jì)算公式如下：

式中：Sd（n）為第一個(gè)n 插值段的移動(dòng)距離，n=1…i.Csd（i）為從Pi到P0的距離；Csd（i-1）為從Pi-1到P0的距離；Csd（i）=為第一個(gè)i 插值段的移動(dòng)距離。

由上述公式可以得到插值點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)。當(dāng)機(jī)器人處于加速運(yùn)動(dòng)段時(shí)，Sd（i）如下：

當(dāng)機(jī)器人處于勻速運(yùn)動(dòng)段時(shí)，Sd（i）如下：

當(dāng)機(jī)器人處于減速運(yùn)動(dòng)段時(shí)，Sd（i）如下：

式 中：Scv（m）為 減 速 段 前m 個(gè) 插 補(bǔ) 點(diǎn) 的 速 度，Scv（m）=Cv+mTca；a 為減速段加速度為前一個(gè)i-1 插值點(diǎn)之后的剩余距離，Ld（i）=Pd-CSd（i-1）。

3 測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 聯(lián)合行走試驗(yàn)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)初始點(diǎn)、終點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)速度、加減速時(shí)間、插補(bǔ)周期和運(yùn)行時(shí)間得到插補(bǔ)步長(zhǎng)，驗(yàn)證了組合算法的正確性和軌跡的平滑性。

3.2 識(shí)別率測(cè)試

該機(jī)器人在用電高峰期間，每天設(shè)置兩次檢查任務(wù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)安裝在配電室房?jī)?nèi)，共有4 265 個(gè)設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)和一個(gè)巡邏任務(wù)大約需要3 h。三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的識(shí)別率如表3 所示，識(shí)別率大于99.8%，大于3σ 標(biāo)準(zhǔn)。

表3 識(shí)別率

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)持續(xù)3 個(gè)月，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別和分析LED 狀態(tài)、相關(guān)儀表讀數(shù)（模擬和數(shù)字顯示）和保護(hù)板位置。故障數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)在后臺(tái)主機(jī)中，從后臺(tái)主機(jī)可實(shí)時(shí)分析故障類別和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。聲光自動(dòng)報(bào)警也可以在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)，如圖4 所示。

圖4 背景檢測(cè)

運(yùn)行結(jié)果表明，該機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)控制、定位精度、可靠性、機(jī)械性能、通信性能和安全性等性能方面已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，該機(jī)器人適用于室內(nèi)的設(shè)備檢測(cè)，可以完成檢查工作，替代檢驗(yàn)人員。

4 結(jié)論

1）針對(duì)室內(nèi)檢測(cè)存在的問(wèn)題，提出了一種智能檢測(cè)機(jī)器人，介紹了該系統(tǒng)的主要工作原理、技術(shù)參數(shù)、控制系統(tǒng)。

2）本文提出了一種組合線性規(guī)劃算法，并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了組合算法的正確性和軌跡的平滑性。

3）該機(jī)器人已在一個(gè)水冷配電室投入使用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，識(shí)別效果良好，總有效率大于99.8%，大于3σ 標(biāo)準(zhǔn)?？梢源娌僮魅藛T，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。