劉松良

摘 要：電力系統(tǒng)的安全高效運轉，對我國經(jīng)濟發(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鍵的部分之一；設計開發(fā)變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的安全、高效、可靠運行具有一定的應用價值[1]。針對變電站重要性、特殊性、危險性等特點，本文設計了一款適用于變電站的智能巡檢機器人系統(tǒng)，并著重對機器人巡檢車體及運動控制系統(tǒng)進行闡述。

關鍵詞：變電站；智能巡檢機器人；運動控制系統(tǒng)；無線網(wǎng)橋

1 概述

設計開發(fā)變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)[1]，變電站工作人員可通過遠程監(jiān)控室，不僅對現(xiàn)場機器人巡檢車體（以下簡稱車體）的運動進行控制，而且對車體的視頻和紅外設備進行控制。首先車體能夠沿著導航設定的路線進行巡檢，并根據(jù)導航系統(tǒng)對待檢設備進行智能精準定位；其次通過紅外熱成像儀和可見光攝像機等成像系統(tǒng)對變電站設備的運行狀態(tài)進行分析檢測[2]，并將檢測數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心（包括遠程監(jiān)控室和本地監(jiān)控室）；最后將檢測設備進行故障報警，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(tǒng)，既要安全可靠地完成巡檢任務，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。整個系統(tǒng)由五大部分組成：變電站遠程監(jiān)控室、本地監(jiān)控室、充電房、無線網(wǎng)絡和機器人巡檢車體；具體如圖1所示。其中變電站監(jiān)控室主要功能是對巡檢現(xiàn)場的情況進行監(jiān)控；本地監(jiān)控室不僅能夠通過上傳的視頻和紅外圖像對設備進行監(jiān)控，并能通過電子地圖來展現(xiàn)車體巡檢的工作過程；同時，本地監(jiān)控室把所有監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳遠程監(jiān)控室，使遠程監(jiān)控室時時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(tǒng)主要設計有七大功能：運動功能；語音功能；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。

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

語音功能設計主要包括：雙向智能語音（喊話和對講）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(xù)航能力不小于5 h，電池電量不足時車體自動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(tǒng)包括人工輔助遙控巡檢及全自動巡檢兩種巡檢方式[3]。

自檢功能設計主要包括：電機和驅動模塊，傳感器模塊、成像系統(tǒng)模塊、無線網(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體和監(jiān)控室后臺進行報警信息提示。

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。另外一種車體故障報警信息提示。

3 機器人巡檢車體設計

3.1 機器人巡檢車體整體框架設計

車體設計符合人機工程，采用全驅、全向平臺作為基礎傳動平臺；系統(tǒng)組成包括：工控機、步進電機及驅動器、直流電機及驅動器、云臺、可見光單目和雙目攝像機、紅外熱成像儀、無線網(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 機器人巡檢車體運動控制系統(tǒng)方案設計

運動控制系統(tǒng)是機器人巡檢車體最關鍵的核心技術。

運動控制系統(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)議進行通信。軟件算法在主板上實現(xiàn)，采用PWM波和光電編碼器控制直流電機；從板主要實現(xiàn)對四個轉向步進電機的控制，主板得到轉向步進電機位置誤差參數(shù)（通過磁旋轉編碼器得到步進電機速度反饋信號）后通過串口發(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)給步進電機驅動器。具體見圖2運動控制硬件結構圖。

STM32主控制板與工控機通信，接收X、Y、Z（ω）3個速度值，通過底盤矢量分解得到每個轉向步進電機的速度和每個移動直流電機的速度（當前占空比），轉向步進電機速度送到轉向模塊，與磁旋轉編碼器傳回的數(shù)據(jù)做比較，實現(xiàn)位置的調整。移動直流電機的速度與A/B相光電編碼器（通過定時器和計數(shù)器獲得）計數(shù)值做比較，并通過PID調節(jié)PWM波占空比，實現(xiàn)4個車輪的直流電機控制。各個模塊相互之間的關系如圖3所示。

1）直流電機及驅動器設計

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器負責把控制脈沖轉換成各電機轉動角度，實現(xiàn)車體移動。電機驅動器采用H橋斬波驅動電路設計，其工作原理如下：車體前后左右四輪的驅動，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)時間的PWM信號分別驅動控制[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）步進電機設計

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

3.3 機器人巡檢車體控制系統(tǒng)軟件設計

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

4 結束語

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

參考文獻：

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

[2]郎福成，牟童，韓月.變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)設計[J].自動化技術與設計，2020（10）：233-235.

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