机器人巡检系统

机器人巡检系统（精选7篇）

机器人巡检系统 篇1

摘要：为实现巡检机器人在无人干预情况下安全可靠、快速高效地自动充电,进而实现巡检机器人在变电站长期值守、完全自治,提出一种充电装置侧向对接的自动充电系统。该系统采用磁轨道引导,RFID标签定位,导航定位精度较高;通过检测充电机构位置和极片电压,判断充电条件是否满足,简单可靠;通过采用弹片压住极片夹,滑槽连接充电座与定位槽板,提高误差容忍度和对接可靠性。该系统已在全国30多个变电站实际应用,运行效果良好,应用前景广阔。

关键词：巡检机器人,自动充电,变电站

0 引言

随着科技进步和电力体制改革的不断发展,以“信息化、数字化、自动化、互动化”为特征的智能电网建设逐渐深入。为保证变电站设备的安全可靠运行,更好更快地推进变电站无人值守进程,变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。传统的变电站巡视主要是通过人工方式,综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查,该方式存在劳动强度大,检测质量分散,主观因素多,巡检不到位难以监控,巡检结果数字化不便等缺陷,不符合智能电网的发展方向[1,2]。变电站巡检机器人集成最新的机电一体化和信息化技术,采用自主或遥控方式,部分替代人对变电站室外设备进行可见光、红外、声音等检测,对巡检数据进行对比和趋势分析,及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆,如:异物、损伤、发热和漏油等。巡检机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平,确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。

巡检机器人的移动属性决定其适合采用无缆化的电池供电。但电池容量有限,一般只能维持几个小时,所以一旦电池电量不足,必须及时充电。如果人工充电,机器人就无法实现完全自主运行。如何让机器人在无人干预情况下,安全可靠、快速高效地实现自动充电是实现巡检机器人长期值守、完全自治需要重点解决的问题之一[3]。本文介绍自动充电的关键技术,重点介绍一种能够满足变电站巡检机器人长期自治要求的自动充电系统,包括磁导航与RFID定位,接触式侧向充电对接装置,充电箱结构及工作原理,自动充电系统控制流程等。

1 自动充电关键技术

自动充电过程主要包括:移动机器人需要补充电力时,自动驶向指定充电点,车载充电连接器与固定充电装置实现电连接并实施充电。充电完成后,机器人自动停止充电,待命或投入正常运行。整个充电过程完全实现自动化,无需人工干预。自动充电的关键技术主要有:充电点定位导航,充电装置对接,误差容忍和自主纠错等[4]。

1.1 充电点导航定位

机器人充电时必须在离充电座足够近的地方。机器人从当前位置移动并定位到充电座需要导航定位技术。在可能面临障碍物的情况下,机器人系统还需要有停障或避障能力,以及路径规划能力。

1.2 充电装置对接

机器人和充电座必须实现自动电气连接与脱离。一般情况下,在机器人上设计一个公头连接器,在充电座上设计一个母头连接器,连接方式要便于电流通过。可通过调整机器人位置或控制充电臂的位置实现机器人的充电插头与充电座的自动对接及断开。必须检测机器人与充电座的电气连接是否成功,否则可能产生误接,造成充电失败。可以通过测量机器人侧的连接器电压等来判断充电装置对接是否成功。

1.3 误差容忍和自主纠错能力

由于导航定位均存在精度问题,所以充电装置对接需要有一定的误差容忍度。当出现较小偏差时,对接也应该成功。在实际情况中,可能出现未发现充电座目标或是目标定位错误等情况,此时需要机器人自行判断并选择相应对策。一个真正健壮的自动充电系统必须具有容错及自主纠错功能。

2 变电站巡检机器人自动充电系统

2.1 磁导航与RFID定位

变电站巡检机器人导航定位原理如图1所示,机器人采用四轮结构,前面两个驱动轮,后面两个万向轮[5,6]。工控机通过电机驱动控制器和编码器控制电机,实现机器人行走和高精度定距停车。机器人导航定位的工作流程是:由安装于机器人底盘前部的磁传感器阵列检测机器人相对于磁轨迹的偏移,电机驱动控制器按照该偏移量调整机器人两侧驱动轮的差速,从而使机器人沿预先铺设的磁轨迹运行。在机器人巡检的转弯点、检测点、调速点和充电点等特定位置预先埋设好RFID标签。RFID标签的串号与地理位置一一对应。机器人运动时,RFID读卡器读取标签串号并上报给工控机,由工控机判断机器人所处位置,并下发相应指令控制机器人执行停靠、转弯、调速、检测、充电等操作。该导航定位方式简单可靠,定位精度较高,可达厘米级。另外,在机器人外壳上还装有超声波检测装置,将障碍物信息反馈给运动控制器,实现停障。机器人变电站巡检工作如图2所示。

2.2 接触式侧向充电对接装置

接触式侧向充电对接装置如图3所示,由充电座(图3中1~4)和充电机构(图3中5~14)两部分组成[7]。机器人通过电机驱动板控制充电机构电机转动,电机通过齿轮齿条与传动丝杠配合,实现充电机构的伸出或收回。进而实现充电机构极片与充电座极片夹的电气连接。充电机构上设有三个限位开关,一个用于检测充电机构是否收回到位,另外两个用于检测充电机构的伸出位置。为安全起见,充电机构收回到位时,机器人才允许执行巡检任务。机器人在充电机构伸出过程中,实时检测极片电压是否正常,若检测到正常,则停止伸出充电机构,准备充电。若充电机构伸出到极限位置后,仍然检测极片电压异常,则进行异常报警并重试。若重试三次均出现此类情况,则报告充电失败。充电座三个极片夹从上至下分别为充电端、公共地和供电端。充电端用来给机器人的动力电池进行电力补充。供电端为机器人电池充电时机器人设备的外供电源,避免电池充电时设备掉电引起数据丢失等弊端。经实验,极片夹水平面上有±15°,±10cm的误差容忍度。用弹片压紧极片夹压紧后,垂直方向也有±2cm的误差容忍度。目前已有的对接系统一般允许的水平对接误差为±5°,±5cm。

2.3 充电箱结构及工作原理

充电座固定在充电箱上,充电箱结构如图4所示[8]。交流220V经接插件2和空气开关1后,输入到充电器进行电压转换,然后经空气开关2、分流器、接插件1和充电座电源接口,最后由充电座输出直流29.4V给机器人设备供电,电池充电。电压表和电流表实时检测、显示供电和充电的电压及电流。充电座通过滑槽与定位槽板连接,便于调整高度,提高加工装配误差和充电对接误差的容忍度。充电座绝缘隔板可防止极片夹短路。充电座外壳可防止人员误接触电极。

2.4 自动充电系统控制流程

变电站巡检机器人自动充电控制流程如图5所示。机器人分为空闲、巡检、准备充电、充电四种状态。机器人上电初始化后进入空闲状态。收到巡检任务命令后,机器人检查电池电量是否充足,如果充足即进入巡检状态,开始执行巡检任务,否则拒绝执行并报警。在巡检任务中实时检测电池电量,如果电量不足,直接返回充电。巡检任务正常完成后,机器人返回充电。到达充电点后,机器人进入准备充电状态。伸出充电机构后,机器人通过充电机构位置和极片电压,判断充电条件是否满足。如果条件满足,机器人切到外部供电,启动电池充电,机器人进入充电状态。进入充电状态后,机器人如果没有收到巡检任务命令,就实时检查充电状态是否正常,不正常就报警。如果收到巡检任务命令,机器人就检查电池电量是否充足,如果充足,就开始巡检准备工作,否则拒绝执行并报警。巡检准备工作包括:机器人切到电池供电,停止电池充电,收回充电机构。如果充电机构收回到位,机器人即可进入巡检状态。从而实现巡检、充电、巡检的闭环长期自主运行。

3 结束语

本文提出一种应用于变电站巡检机器人的充电装置侧向对接的自动充电系统。该系统导航定位精度较高,充电装置对接方式简单可靠,对加工装配误差和充电对接误差的容忍度较高,完全实现了变电站巡检机器人在无人干预情况下的自动充电。截止到2012年9月,变电站巡检机器人已在全国十多个省市成功推广应用,在山东青岛午山220k V、浙江金华兰溪500k V、山西长治1000k V等变电站顺利投运30多台。本文介绍的自动充电系统也随之应用于工程现场。巡检机器人自动充电现场如图6所示。机器人完全实现长期无人化自动运行,运行效果良好,为电网安全稳定运行发挥了重要作用。随着科学技术的不断发展,巡检机器人充电系统的自动化水平也必然不断提升。

参考文献

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[2]郝登朴,卫宁,贠鹏,等.500kV变电站智能巡检系统关键技术的应用[J],电力学报,24(6),2009.

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[8]杨墨,王兴光,曹涛,等.变电站巡检机器人充电装置:中国,202285342[P],2012-6-27.

变电站巡检机器人的充电系统设计 篇2

随着我国电力系统的不断发展,电网安全、稳定运行越来越受到重视。尤其在近年来大力发展的超高压、特高压输电系统中,安全问题更受重视。变电站巡检机器人的诞生大大提高了工作效率和质量,降低了人工劳动强度和危险。机器人执行巡检任务时时刻查询电池电量,当电量降到输出下限时,机器人返回充电系统,完成机器人电能自动补给,对在无人参与下机器人自动进行充电完成机器人电能补给成为变电站巡检机器人的一项重要研究课题。

1锂离子电池的工作原理

锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极, 没有金属锂存在,只有锂离子。锂离子电池是以锂离子嵌入化合物为正极材料的电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中, 同时伴随着与锂离子等当量的电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。

锂离子电池能量密度大,平均输出电压高;自放电小,每月在10%以下;没有记忆效应;工作温度范围为-20~60 ℃;循环性能优越,可快速充放电,充电效率高达100%,而且输出功率大;使用寿命长,没有环境污染,被称为“绿色电池”。

2充电系统硬件设计

2.1总体设计

充电系统的结构框图如图1所示。

本系统采用ATmega128A为中央处理器,设计时充分利用了其自身集成丰富的内外设资源,简化了外部电路,提高了系统的稳定性能。设计上,变电站巡检机器人的充电系统主要包括采集电路、电机驱动电路、电源模块、激光传感器接收电路和通信模块等。

2.2电源电路设计

电源电路设计如图2所示。

12V电源由24V电源隔离模块URB2412YMD经过滤波电容产生,为5V电源模块、电压输出开关电路和电机驱动电路提供工作电压。5V电源由12V非隔离稳压模块7805产生,为保证电源质量,后又经过典型LC-π滤波电路处理,使得纹波小于100mV,提高了模拟电源的抗干扰性。

2.3对接机构电机控制电路设计

执行机构电机选用42两相四线步进电机,电机驱动电路采用德州仪器(TI)的DRV8824步进电机控制器IC为集成电机驱动器。德州仪器(TI)的DRV8824集成芯片是PWM微步进电机驱动器,内置微索引器,片上可进行1/32微步、1/16微步、1/8微步、1/4微步、1/2微步细分,24V时最大驱动电流为1.6A,工作电压范围为8~45V。对接机构电机控制电路如图3所示,采用DRV8824典型电路,1/16微步控制,电流限制在1A以下。单片机I/O端口PB0、PB1、PB2设置细分模式,PC0输出可控的PWM波形,可以控制电机转速。待单片机检测到对接状态为“1”时,控制电机停止运动,完成充电对接动作。

2.4采集电路设计

图4为电池电压检测电路,接收电路主要由仪表放大器AD620构成。仪表放大器AD620为ADI(Analog Devices,Inc)公司研发出的单片IC仪表放大器,内部经典的三运放结构有效减小了共模输入的干扰,增益可以由外界1脚和8脚连接电阻控制,公式为在8脚和1脚电阻不接时,放大倍数是1,使得单片机采集的模拟信号失真变小,大大提高了采集精度。

2.5通信电路设计

通信电路采用的ADM3251E是ADI公司推出的基于其专利iCoupler和isoPower磁隔离技术的RS-232隔离器,在性能、 功耗、体积等各方面都有传统光电隔离器(光耦)无法比拟的优势。它的功耗仅为光电耦合器的1/10~1/6,具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力,大大提高了通信的质量和正确性。

3充电系统软件设计

系统软件程序包括初始化程序、定时器程序和串口通信程序等。程序运行流程如图5所示。

该系统已经成功应用于变电站巡检机器人,无故障运行时间在1年以上,现场返回信息说明该系统运行正常。

4结语

机器人巡检系统 篇3

阀厅是直流输电过程中放置电力设备的封闭建筑,其内部有换流阀塔、套管、冷却装置等设备,其中换流阀是整个直流输电工程的核心设备,其运行的可靠性直接决定着直流输电的可靠性。换流阀元件主要由绝缘栅双极型晶体管组成,其在工作时会因自身功率耗散产生大量的热。 为保障其运行安全,一方面对阀组配备冷却装置,及时将热量散播出去;另一方面需要对阀组设备进行实时监控和定时巡检,以及时发现冷却系统漏水或者局部温度过高等隐患[1,2,3]。

目前,对变电站设备的巡检,已经广泛使用巡检机器人来代替人工操作[4,5]。对于换流站设备,除设备自带在线温度监测系统外,巡检主要依靠人工和固定位置的实时监视设备来进行[6]。人工巡检方式存在着劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一等不足,巡检到位率、 及时性无法保证。而固定位置的监控系统,由于受到阀塔较高度且分层等客观条件限制,只能对部分设备的局部位置进行监控,存在很大的监控盲区,很难真正满足巡视范围全方位覆盖的要求。基于此种情况,能满足大范围检测要求的智能巡检机器人的技术研究就具有重要意义。

1巡检机器人系统机械结构设计

阀厅内的阀塔一般为多列多层结构,巡检机器人需要对每一列的每一次层都应有较好的检测视角。目前移动机器人主要采用轮式、履带或是复合驱动的方式,也已有水平轨道式变电站巡检机器人的产品研究及应用案例[7,8]。 在阀厅内,受阀塔等设备布局限制,要实现对设备全方位的检测功能,需要机器人能够在垂直方向运动。传统轮式驱动方式实现垂直方向运动存在设计难度大等缺点,故在阀厅机器人行走方式设计上采用轨道式设计。阀厅的壁面上安装带有滑块的轨道系统,机器人可以沿竖直轨道上下运行并通过云台的水平俯仰及旋转运动,而实现对阀厅内设备特别是换流阀组的大范围细节巡检。

1.1轨道驱动系统结构设计

轨道竖直安装阀厅壁面上,轨道上装有同步带驱动装置和滑座,同步带带动滑座上下移动,滑座上安装辅控箱和相关检测组件,实现对阀厅设备的检测。机器人系统终端外形如图1所示。

轨道驱动系统组成包括型材轨道、同步带、同步带轮、 同步带轮箱、减速器、交流伺服电机、限位开关、接近开关、拖链、滑座等结构。同步带轮装在同步带轮箱内,同步带轮箱与安装在轨道的上下两端。在一端的同步带轮上安装减速器和伺服驱动电机,组成驱动系统。同步带与同步带轮配合装在轨道型材的槽内,滑座通过滑动接触安装在型材轨道上,通过型材轨道实现导向,并与同步带固连, 在同步带带动下实现上下运动。上述轨道加同步带驱动系统组成一个整体,安装到阀厅壁面上,并根据检测视角需要来确定轨道的安装位置。

1.2巡检机器人本体结构设计

轨道机器人本体主要由辅控箱、云台和检测组件等组成,如图1、2所示。辅控箱内安装视频服务器、电源板、 云台控制板、交换机等设备,而且起到承载云台和检测组件的作用。在其结构设计时,除满足器件的安装需要外, 还应保证有足够的刚强度。

为增强电磁屏蔽效果,辅控箱框架结构采用钣金设计, 左右各增加一个金属衬板。两边使用塑料件作为侧板,以增强外观效果。

辅控箱内器件的安装在钣金结构的安装座上,器件先安装到安装座上之后,再整体安装到右衬板和右侧板上。 维修时只需要打开右侧板,将右侧板拿出即可对所有器件进行维修、更换工作,如图3所示。

对于本体安装设计,应使得安装结构尽量简单,故设计卡槽式结构。带有导向边结构的安装支架装在辅控箱上, 带有滑槽的安装支座装在导轨的滑座上。机器人本体作为整件直接插入支座的滑槽内,并通过支架的边缘限位。此种结构安装快速方便,满足低速运行要求。

2巡检机器人控制系统设计

2.1硬件系统设计

阀厅内设备主要分为三部分,即机器人本体(辅控箱、 云台和检测组件)、主控箱和轨道驱动系统。上位机位于主控室内。主控室与阀厅设备的通信采用光纤 , 系统硬件框图如图4所示。

轨道机器人本体的电源线和网线装在拖链内,拖链起到保护线缆作用,跟随本体上下运动。辅控箱完成检测组件状态和云台的运动控制,辅控箱与主控箱之间通过网线连接,主控箱实现对轨道驱动系统控制以及通信中继,在主控箱内完成光电转换后通过光纤与主控室内的上位机连接。

检测组件的检测信号传输到辅控箱内的视频服务器, 与本体的控制信息等数据汇集到后,经辅控箱及主控箱内的交换机、光电转换器等传输到位于主控室的上位内。上位机根据访问权限实时浏览被检测设备的可见光和红外视频图像、机器人本身运行情况等相关信息,并且可以控制机器人的任务执行及状态切换等。

2.2轨道驱动控制系统

交流伺服电机自带编码器,精度和可靠性高,故机器人本体的运动采用交流伺服电机驱动加同步带的驱动方式。

PLC内置FINS以太网通信协议,与上位机主控系统通讯,接收并执行主控系统下发的控制指令,并上报机器人当前的运动状态信息和故障信息等。PLC接收各种位置开关输出的机器人位置和检测系统输出的姿态信息,并通过数脉冲的方式,控制机器人实现自主运动和准确定位。

2.3检测组件和云台控制系统

检测组件包括红外热成像仪、可见光摄像机,并可扩展拾音器、紫外探测仪等检测设备。云台通过水平和俯仰转动来使检测组件动作至指定工作位置。如图7所示,通过上位机向云台控制板发出控制命令,云台控制板控制云台动作。云台控制板内存储有预先设置好的零点,上位机将云台当前位置存储下来,下次进行此处的设备检测时直接调用预置位即可。

通过上位机向视频接口板发送控制命令,进而控制可见光摄像机和红外热像仪进行聚焦等操作,抓拍待检测设备的图像、红外热图,并将数据传送回上位机;也可实时显示监测画面,以备相关人员进行分析。

3巡检机器人应用软件设计

上位应用控制系统位于主控室内。其采用PC机、 Windows操作系统,配置包括服务器、光电转换器、防火墙、刻录机、显示屏等,主要用于人机交互、接收操作人员的各种操作指令,并将这些指令下达到机器人移动体运动控制系统。同时,上位控制系统也是用户了解机器人的工作情况和结果的直接渠道。

3.1软件功能设计

上位机应用控制系统提供基于角色的安全权限控制、 定周期采集相合的实时数据存储机制、无损压缩的巡检数据存储技术等。若增加通信模块,还可以将相关数据通过移动网络实时发送到相关人员的移动通信终端上,降低对检测人员工作位置和要求。

3.2软件体系结构设计

上位应用软件系统采用分层的模块化结构,基于Windows XP/Server 2003操作系统和 .Net Framework 2.0运行平台;采用纯面向对象的编程语言C# 进行托管代码编程;以面向对象的内存实时数据库和大型商用关系型数据库相结合。通过多线程进行耗时任务的后台处理,避免阻塞用户的界面操作。

3.3软件界面设计

系统主界面是一个容易使用的现代桌面环境,它具有友好的界面、简洁标准的菜单和工具栏,能够方便、高效使用所有应用。该系统可支持多台巡检机器人同时运行, 可对多个巡检机器人进行实时控制。如图6所示。

3.4检测数据处理

1)可见光视频处理

上位机可实时显示机器人可见光摄像机拍摄到的视频。在系统界面的右键菜单中提供、停止、播放、抓图、 视频切换等功能。

2)红外图像处理

界面图像显示区域分为可见光图像、红外图像及对应的红外图像区域温度分析。系统提供了两种分析红外图像温度的方法。

超温填充:用户可通过拖拉红外图像温度标或输入温度数值的方式设置温度,高于设定温度的图像部分将被设置颜色填充;在属性栏中可设置填充颜色及温度阈值。如图7所示。

区域分析:用户可用鼠标在红外图像上选择一个或多个区域,系统将在右侧对话框中分析并展示对应区域的最高温度和最低温度等数值。

3)报表及历史曲线生成

该模块查询系统所生成的所有报表,包括手动生成和自动生成。共有设备巡检报表、巡检任务、设备曲线和多设备报表四种类型。

历史曲线查询主要功能是对一段时间内阀厅内设备的温度等数据进行查询,并以曲线的形式显示出来。历史曲线查询界面如图9所示。

历史曲线查询模块除可以进行设备选择、查询外,还具有图表设置,曲线图放缩、复制、保存、打印、生成报表等功能。

4结语

阀厅内设备运行状态的实时监控对于保证换流站的可靠运行至关重要。轨道式机器人采用可靠的铝型材导轨加伺服电机驱动方式实现精确可靠定位。每次上电启动后机器人可自动回归零点位置进行位置校核以消除累积误差。 通信方式采用有线方式,可有效避免阀厅强电磁环境对设备运行的影响。控制箱采用分布式设计,以提高设计的灵活性和扩展性。上位机应用软件系统可任意设置巡检任务, 并方便对实时数据、历史数据进行处理,自动生成图表曲线和巡检报告,且可以实现对多个机器人的同步实时控制。 智能轨道式巡检样机器人样机的成功应用验证了设计的科学性和合理性,目前该机器人已经小批量生产,并在特高压中州换流站及金华换流站成功投运,运行可靠,监测效果良好。

机器人巡检系统 篇4

设备巡检是保证变电站设备安全稳定运行的一项基础性工作,一般通过人工方式,综合运用感官及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查。人工方式存在易受天气影响、劳动强度大、工作效率低、管理成本高、检测质量分散、主观因素多、巡检不到位难以监控、巡检结果数字化不便等缺陷,不符合以“信息化、数字化、自动化、互动化”为特征的智能电网的发展趋势[1,2]。为了提高变电站设备巡检的质量和效率,机器人巡检已经开始部分替代人工巡检。

在全天候、强电磁等复杂背景下,变电站巡检机器人集成自主运动控制、精确导航定位、多传感器融合、动态电源管理、多载波无线通讯、音频采集分析、智能模式识别等前沿技术,可完成变电站一次设备的自动和遥控巡检,及时发现电力设备的外观异常和内部热缺陷等故障先兆,提高变电站设备巡检的自动化程度,保证设备巡检的工作效果。实际运行情况表明,变电站巡检机器人在高温、暴雨等极端天气下运行可靠,检测结果准确,提高了巡检质量,降低了运维成本,为更好更快地推进变电站无人值守发挥了重要作用。本文介绍的变电站巡检机器人现场运行情况如图1所示。

检测及控制系统是变电站巡检机器人的重要组成部分,其功能结构如图2所示,主要包括导航定位及运动控制系统、电源管理系统、云台控制系统和图像及声音检测系统。

1 导航定位及运动控制系统

变电站巡检机器人导航定位原理如图3所示,机器人采用磁导航,由安装于机器人前部的磁传感器组检测机器人相对于磁轨迹的偏移,从而引导机器人沿预定路线运行。其主要优点是导引原理简单而可靠,导航定位精度高并且重复性好,抗干扰能力强,缺点是磁轨迹铺设工作量大,地面处理工作量大,路径灵活性差。机器人依靠RFID标签定位,定位精度较高,可达厘米级[3,4]。

通过对移动机器人行走系统长期的跟踪研究,从地形适应能力、运行速度、控制算法复杂度、功耗、技术成熟性和可靠性、生产加工便利性、设计难易程度等角度总观:在变电站地面相对平坦的情况下,变电站巡检机器人的行走系统选择了四轮结构,前两轮为驱动轮,后两轮为随动万向轮。左右两个驱动轮由两个电机经过减速器独立驱动,随动轮置于底盘后方。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定,通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动,因此可以实现全向移动。当两轮转速大小相等、方向相反时,可以实现机器人本体的半径回转。轮式机构是应用最广泛的一种行走方式,也是目前研究最透彻的移动机构之一。轮式机构按照轮的数量可以分为两轮、三轮、四轮以及多轮。轮式机构具有移动灵活,机械结构简单,机械效率高,运动控制相对容易等优点。在相对平坦的地面上,轮式机构具有突出优势,运行速度较高。

2 电源管理系统

变电站巡检机器人以电池组为动力源。电源管理系统通过实时采集电池组及设备的电压、电流、温度等重要参数,及时预警电量不足等异常状态,调整电源管理策略。根据设备电压、电流及功率需求,电源管理系统转换分配电池组电能,保证机器人全自主运行的能源供应。自动化水平高、稳定性强的电源管理系统是变电站巡检机器人实现完全自治的必然要求[5,6]。

变电站巡检机器人电源管理系统原理框图如图4所示。

电源管理系统以单片机为控制核心,通过传感器和检测芯片检测电压、电流、电量、温度等状态参数;通过驱动继电器组,控制电源模块,实现电源转换和分配;通过RS232串口接收工控机命令并反馈执行状态和结果。电源管理系统必须对电池组进行适当保护,以保证电池运行安全,提高电池工作效率,延长电池使用寿命。电源管理系统的保护措施主要包括过放/过充保护、过流/过压保护和短路/浪涌保护等。当检测到电池电量不足时,电源管理系统将发出告警信息。机器人提前结束巡检任务,返回充电室充电。电池电压过低等极端情况下,自动切断电池供电,防止电池因过放而损坏。当检测到电池充满时,电源管理系统自动切断电池充电回路,防止电池过充。通过控制散热风扇和电加热板,可使电池组及设备工作在适宜温度[7]。为方便机器人运行状态检测、运行故障排除,电源管理系统将命令执行过程和异常时刻状态以事项形式存储在非易失性存储芯片上。机器人电源状态均通过指示灯直观显示。

巡检机器人由电池供电,一旦电池电量过低,必须进行充电。如果采用人工方式充电,则无法实现机器人全自主运行,所以自动充电是巡检机器人长期自主运行的关键技术之一[8,9]。本文介绍的电源管理系统采用机械接触式对接装置进行电气连接与脱离,自动充电控制逻辑如图5所示。移动机器人需要补充电力时,自动驶向指定充电点,车载充电连接器与固定充电装置实现电气连接并实施充电。充电完成后,机器人自动停止充电,待命或投入正常运行。整个充电过程完全实现自动化,无需人工干预。自动充电的关键技术主要有充电点定位导航、充电装置对接、误差容忍和自主纠错等。

3 云台控制系统

变电站巡检机器人按照规划路线运行至检测点后,调用云台的预置位功能,云台带动可见光摄像机、红外热像仪等检测设备对准待检电力设备。云台性能直接影响可见光、红外图像质量[10]。本文对云台本体采用模块化设计,结构紧凑坚固,齿轮间隙小于0.1°,具有IP67防护等级。云台控制系统结构如图6所示,包含直流伺服电机、角度传感器、硬件限位和云台控制板,它们分别负责云台水平和垂直运动时的驱动、位置反馈、行程保护和系统控制,云台控制系统通过RS485总线与工控机连接,工控机负责转发机器人后台下发的云台控制指令。

4 图像及声音检测系统

变电站巡检机器人图像检测系统通过可见光摄像机、红外热像仪采集电力设备图像,并通过无线设备将图像上传至后台[11]。后台通过图像预处理、图像特征提取和事件判决等工作,及时发现设备的内部热缺陷和外部机械、电气问题,并向上一级传输及发出告警信号,调度员不再需要时刻注视监视屏幕,有利于变电站实现减员增效及无人值守。

传统变电站设备声音检测方面主要依赖安装在设备本体上的音频传感器和信号处理单元。其主要不足在于:固定点和紧贴本体的方式没有灵活性,每个待检设备都需要单独配备音频传感器,数量过多,造成安装困难、成本偏高。变电站巡检机器人更具灵活性。巡检机器人到达设备旁边时,会启动音频采集模块,由拾音器以8K的采样率录制变电站设备的运行声音,声音录制后,传入视频模块进行编码和压缩,形成A率PCM格式的音频信号。该信号会进入音频训练和识别模块。训练功能即提取声音特征,产生音频特征库,并存储特征库和声音信号。识别功能即提取待识别声音特征,将待识别声音的特征与声音特征库进行比对,从而检测出设备运行是否异常。

5 结语

针对全天候、强电磁等复杂背景下要求变电站设备巡检机器人适应性强、可靠性高、控制灵活及检测结果准确等因素,本文介绍了一种应用于变电站巡检机器人的检测及控制系统。该系统抗干扰能力强,实用化程度高,为实现巡检机器人完全自主运行,变电站长期无人值守发挥了重要作用。随着科技水平的不断提高,各种先进的技术和产品不断涌现,变电站设备巡检方式的优化升级也势在必行。

参考文献

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机器人巡检系统 篇5

高压输电线路和超高压架空电力线是长距离输配电力的主要方式。为保证供电可靠性,电力公司需要定期对线路设备巡检。高压输电线路巡检机器人能够代替人工进行电力线路的巡检工作,提高输电线路巡检的效率和精度。因此,高压输电线路巡检机器人的研究成为热点[1]。20世纪80年代末,日本、加拿大、美国等发达国家先后开展了巡检机器人的研究工作,部分实现了机器人的沿架空线路行走、跨越障碍和巡检等功能[2,3]。国内的研究起步较晚,始于20世纪90年代,在国家863计划资助下几家单位先后开展了此项研究,并取得了一定的成果[4]。综合国内外发展现状,巡检机器人仍处于实验室研发阶段,还需进一步的完善以达到实用化要求。控制、机械、损伤探测是影响巡检机器人应用与发展的关键技术,其中智能控制系统的设计对整机功能的实现具有至关重要的作用。为促进巡检器人的发展,我们研究设计了新型的履带式巡检机器人。

本文首先介绍了一种新型的履带式巡检机器人,然后重点阐述了机器人行走和越障的智能控制系统,分析了越障的动作规划过程,最后对机器人越障动作进行了仿真验证。

1 履带式巡检机器人的本体结构

原有110KV输电线路巡检机器人样机能够实现在线行走和自主越障功能,但存在重量大、关节多、机构复杂、运行不稳定等缺点。针对这些缺点,在保持原有样机优点的基础上,重新进行了机械本体结构设计,得到履带式巡检机器人。机器人整体结构如图1所示。

该机器人机械本体主要由3个单体和基座组成。每个手臂就是1个单体,其中前手臂和后手臂上具有驱动轮,并可以实现收缩、升降、旋转运动;中间手臂具有单轮没有驱动力,可以进行升降、旋转动作。机器人本体上具有10个驱动关节。机器人的基座是一个箱体,用于安放控制器、高能量蓄电池。这一设计在能够满足实现机器人在线行走和越障功能要求外,还具有以下特点:

(1)柔性臂采用折叠式结构,既能实现大范围跨越,又能实现整体回缩,使得机器人整体结构紧凑,重心变化平稳。

(2)手掌采用单侧开放式设计,简化结构,减少了驱动电机数目,减少了越障时的动作环节,提高了机器人的运行效率。

(3)采用履带式行走机构,增加了机器人与线路的接触面积,增大了机器人行走时的摩擦力,提高了机器人运行的稳定性。

2 智能控制系统

巡检机器人沿架空电力线路爬行,要跨越防震锤、悬垂绝缘子、线夹、杆塔等障碍,障碍物的类型相对固定。但是线路和障碍物的相对位姿和形态不是固定的,而且在实际环境中还有其他不确定因素。在障碍情况特别复杂,机器人仅靠自身的传感器可能无法完成判断,不能实现自主控制。因此,根据巡检机器人的工作特点,确定巡检机器人应具备主从遥控操作控制和自动控制2种方式[5]。所以本巡检机器人的控制系统由机器人本体控制系统和远程地面控制系统2部分组成。

2.1 基于递阶控制系统的系统结构设计

递阶智能控制是在研究早期学习控制系统的基础上,从工程控制论角度总结人工智能与自适应控制、自学习控制和自组织控制的关系之后逐渐形成的。由萨里递斯提出的基于3个控制层次和IPDI原理的三级递阶智能控制系统是比较常用的一种方法[6]。根据这一理论,结合巡检机器人的特点,设计了专门的三级控制结构,其结构框图如图2所示。机器人本体控制系统采用由组织级和执行级两级控制结构。

组织级的设计以基于PC104-PLUS总线标准的工控计算机系统为核心,其主要组成如下:研华PC104主板及附件、图像采集卡、调试检修控制面板、数据采集卡、超声波测距传感器、CCD高清晰黑白工业摄像机、无线网卡、电源模块。主控计算机连接机器人前后手臂上的摄像机和超声波测距传感器以确定障碍物的类型和位置,同时留出足够的I/O口以备连接更多的线路检测设备。组织级主要负责机器人任务分解和行为的协调。在远程遥控模式下,它接收地面主机发出的控制命令,并解释为各个关节的行为动作,发送给相应的执行级,同时将巡检图像传输给地面主机进行监视。在机器人自主运行模式下,它根据各种传感器的反馈信息和机器人的位姿信息,进行计算规划机器人的行为动作并发送给下位机,控制机器人自主行走和自主越障。组织级与地面控制部分通过无线网络进行通信,与执行级通过RS232进行通信。

执行级是递阶智能控制的最底层,要求具有较高的精度但较低的智能。因而,执行级的核心采用多片高性能、低功耗的STC系列52单片机,外围加上电机驱动器、限位开关、光电编码器,实现对各个关节电机和驱动电机的可靠控制。

远程地面控制部分由监控主机和无线通讯模块组成,可以监视机器人的运行状况,存储机器人拍摄的录像,实施遥控操作,控制机器人行走、越障、停止等。

2.2 基于专家控制系统的动作规划

巡检机器人的行走环境介于结构化和非结构化环境之间。这就要求机器人具有一定的智能,能够根据实际情况进行在线行为动作规划,从而实现自主行走和自主越障功能[7]。对于相对固定的障碍物类型,可以事先规划动作序列。在运行过程中,根据实际情况再对越障动作进行部分的在线规划与事先已规划的动作相结合,生成适用于当前情况的控制行为序列。因此,机器人本体控制系统组织级的主要任务是进行局部的行为动作规划。

组织级代表控制系统的主导思想,并使用人工智能控制技术。在此,采用基于专家系统的组织级机构模型,用于实现组织级对高层信息的处理,实现机器人的机器推理、规划、决策、学习和记忆操作。专家控制系统是应用专家系统概念和技术,模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统。它需要获取在线的动态信息,并对系统进行实时控制,几乎所有的专家控制系统都包含知识库、推理机、控制规则集和(或)控制算法等。根据专家控制器的设计原则,结合巡检机器人控制的特点,采用基于规则模型的专家控制器。专家控制器一般模型的基本形式为:

式中:E为控制输入集;K为知识库中的经验数据和事实集;I为推理机构的输出集;G为规则修改指令;U为控制器输出集[5]。

根据上述控制模型,可确定基于产生式规则库的专家控制器结构图,如图3所示。根据图3所示结构图,可以确定机器人动作行为规划的控制过程。当机器人遇到障碍物的时候,首先主控机获取障碍物的图像信息,在特征识别和信息处理环节通过图像处理程序得到障碍物的特征信息,在知识库中进行查询与之匹配的信息,进而确定障碍物类型。然后再通过推理机构结合行为规则知识库,获得动作规划的行为命令和规划的目标,再通过控制规则集把这一宏观上的行为命令解释成具体的动作命令序列。最后发送给执行级,由单片机和驱动器,利用传感器的反馈信息,准确地完成各个关节的协调动作。当一宏观命令执行完毕后,主控机通过传感器获取当前障碍物和机器人位姿,判断是否达到行为规划预期目标。若没有达到预期目标则根据当先信息重新进行动作规划,继续执行。若已达到预期目标则直接执行下一条行为命令。

在整个控制过程中需要不断的接受传感器的反馈信息。3个传感器信息反馈环所对应的传感器不同,反馈的时刻和作用也不同。内环的传感器反馈电机光电编码器信息,用来控制电机转动速度和转动角度。中间环反馈关节动作命令结束条件的信息,如限位开关、光电开关的信息。当满足结束条件时,根据这些信息,来判断决策如何执行关节动作中的命令,它是关节动作序列中的执行取向反馈环。外环是在一条行为规划命令执行结束后,把障碍物和机器人的位姿信息反馈给主控机,根据这些信息和行为规划预期目标库中信息比较判断是否需要重新规划。它是命令执行后实际效果的反馈环节。

巡检机器人按照上述的行为规划过程,利用3个反馈环,就可以自主地进行越障行为规划和越障运动控制,实现自主越障功能。

3 越障动作仿真

对巡检机器人越障的典型任务——跨越悬垂绝缘子串,进行机器人的运动学仿真,验证越障动作是否合理、功能能否实现,并分析在特定动作规划下的运动学特性。本文仅部分列出了跨越悬垂绝缘子串的分解动作,如图4所示。(a)图表示巡检机器人正常行走的姿态。行走过程中,前手臂上的摄像机和超声波传感器用于判断障碍物的类型和距离。(b)图表示前手掌脱线后位姿,基本动作是小臂和肩关节的旋转。在此过程中利用腕部的光电传感器检测手掌是否脱线,通过编码器记录肩关节和肘关节旋转角度。(c)图表示机器人向前移动跨越悬垂绝缘子串(障碍)后的位姿。中间手臂的超声波传感器判断中间轮是否接近障碍。(d)图表示重新挂线后的位姿。它是脱线的逆过程,关键是利用肩关节转动角度的记录和手掌上的多个光电开关,来保证手掌平行处于电线正上方。(e)表示后手臂单体调节至与前手臂对称的位姿和向上移动并外摆脱线后的位姿。中间手臂的上升和摆动是通过光电传感器和限位开关控制。(f)图表示巡检机器人向前移动,越过障碍并重新上线后的位姿。前进距离通过后手臂上超声波传感器控制。(g)图表示后手臂重复前手臂的动作,越过障碍后的位姿。(h)图表示机器人完成越障动作,恢复初始状态。

机器人基本动作是大小臂的升降、手掌的脱线和挂线、肩关节的旋转,其越障是通过这些基本动作的协调配和来实现。通过仿真验证了越障动作的可行性、正确性。自主越障的关键是对障碍物位置和机器人位姿的判断,这需要根据传感器信息融合技术,综合利用多种传感器来实现。

4 结论

履带式巡检机器人是输电线路巡检机器人研究的新尝试。本文主要从控制角度进行研究,把多种智能控制理论应用到巡检机器人的控制上。根据巡检机器人工作特点,提出了基于递阶控制理论的系统整体结构设计和基于规则库模型的专家控制系统用于机器人行为规划,分析了行为规划过程。另外,通过对越障过程的仿真,验证了越障动作的正确性。

摘要：文章介绍了一种新型的履带式高压输电线路巡检机器人,阐述了基于递阶控制理论的分级控制系统结构设计和基于规则库模型的专家控制系统控制策略,仿真验证了机器人越障动作过程的正确性。

关键词：履带式巡检机器人,递阶控制系统,专家控制系统,规则库

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机器人巡检系统 篇6

变电站设备巡检是有效保证变电站内设备安全运行, 提高供电可靠性的一项基础性工作, 它分为例行巡检和特殊巡检。其中, 例行巡检每天至少两次;特殊巡检一般在高温天气、大负荷运行、新投入设备运行前以及大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨后进行。我国地域辽阔, 很多变电站的地理环境十分恶劣 (如高海拔、酷热、极寒、大风、沙尘、多雨等) , 大多数变电站巡检方式多为人工巡检, 主要是通过手持红外热像仪对变电站设备进行红外测温。而只靠人工在室外进行长时间的设备巡检工作是十分困难的, 同时也存在劳动强度大、工作效率低、检测质量分散等不足。

1 智能机器人的系统架构

变电站设备巡检智能机器人基于自主导航、精确定位、自动充电的室外全天候移动平台, 集成可见光、红外、声音等传感器;基于磁轨迹和路面特殊布置的无线射频设别 (RFID) 标签, 实现巡检机器人的最优路径规划和双向行走, 将被检测设备的视频、声音和红外测温数据通过无线网络传输到监控室;巡检后台系统通过设备图像处理和模式识别等技术, 结合设备图像红外专家库, 实现对设备热缺陷、分合状态、外观异常的判别, 以及仪表读数、油位计位置的识别;并配合智能变电站顺控操作系统实现被控设备状态的自动校核。智能机器人的系统架构如图1所示, 分为基站控制系统层和移动系统层。

基站控制系统层主要由无线网桥和监控计算机 (主站) 组成。主站系统基于Windows系统, 采用C#面向对象编程语言开发设计, 其主要功能是自动采集和存储可见光图像和红外图像并进行分析和处理, 动态显示机器人当前采集的可见光图像和红外图像;实时显示机器人当前的方位、运动状态、电源状态, 并进行分析和异常报警;查询机器人现场采集的历史数据, 并进行对比分析;提供友好的操作界面, 完成机器人检测、监测功能, 为机器人运行提供相应的命令及环境信息。

移动系统层主要由电源系统、导航系统、检测系统、控制系统、通信系统以及运动系统组成, 负责导航定位信息的采集和处理, 按照预先设定好的巡视路线自动完成巡视任务, 在预设点自动定位、自动采集可见光图像和红外图像并上传至基站, 完成巡视任务后自动充电, 在巡视过程中遇到障碍物时自动停车并进行报警。

2 变电站智能机器人的运行指标及功能

智能机器人在一定程度上可以减轻运行人员的设备巡检任务, 并可在恶劣天气中代替人工对设备进行巡检。它通过底部的磁传感器沿着根据巡视路线铺设的3 590m磁轨道进行巡视, 在需要采样的信息点处埋设无线射频设别 (RFID) 点370个, 巡视相关设备、接头、仪表及油位500多个, 实现对全站设备的有效自动巡视。运行人员可通过工作站主界面, 依据现场情况为机器人安排合理的巡视时间及运行任务、路线, 单日对220kV及35kV设备区进行时长1h的可见光巡视及时长2h的红外成像巡视;双日对主变、500kV设备区进行时长2h可见光及时长3h的红外成像巡视。巡检任务结束后, 通过筛选巡视时间及设备类型分析设备温度, 并显示模式识别区域的温度;当超过温度阀值时, 发出报警提示信息, 并形成设备检测报告。检测报告中详细记录设备名称、巡检时间、红外检测图像及三相对比结果。

3 智能机器人的操作指令及响应

500kV文都变采用的智能机器人可以完全自主进行巡检, 只需在自动规划前对任务进行人工配置。下面对机器人的常用操作及响应做简要说明。

3.1 人机互动

(1) 检查连接状态。检查机器人状态是进行其它大部分操作的前置要求, 操作人员须掌握后再进行其它操作。

(2) 手动巡检。在系统界面工具栏中点击控制平台按钮, 进入控制平台界面 (如图2所示) , 点击切换按钮后模式变成“手动控制模式”, 此时可用键盘的四个方向键控制车体的前后左右, 空格键为停车;或通过快捷键W、S、A、D、Q、R键分别控制车体的上、下、左、右、停止、复位。

(3) 视频录制、回放。打开可见光右键菜单, 点击开始录像即可进行视频的录制, 录制完成后事项中会显示录像存储路径, 双击该事项, 点击“导航到”即可查看该录像, 如图3所示。

(4) 启动与关闭任务定时、下发配置。启动定时:点击主界面工具栏的“巡检任务”按钮打开任务界面, 点击需要启动定时的任务名称 (如“220kV+35kV夜”) 选择定时, 再点击右下方“220kV+35kV巡检任务夜”的定时时间, 这时工具栏上“启用定时”由灰色不可选变成黑色可选的状态, 点击“启动定时”即可, 如图4所示。

禁用定时:即取消定时任务, 执行此操作后机器人将不再自主进行该任务的定时设备巡检。该操作与启用定时操作类似, 在选中任务及任务的定时时间后, 再选择“禁用定时”即可。

下发配置:修改任务的定时或修改其它配置时, 界面会出现如图5所示版本提示, 确认之前所做修改均有效, 再点击“是”下发配置, 机器人会按照所做修改执行。

3.2 巡检模型配置

(1) 温升设置。打开“配置/巡检模型配置”菜单, 选中左侧“设备”节点, 弹出如图6所示巡检模型配置图界面, 再选中需要设置的设备, 此时在右侧属性栏可以看到“允许温升”项, 其值为20, 该值可根据不同设备、不同季节进行修改。

(2) 巡检定时时间设置。打开“配置/巡检模型配置”菜单, 选中左侧“巡检任务”节点, 选中要修改的任务名称, 在右侧可以设定定时周期个数及时间。例如图6中选中设备的定时周期为2, 定时任务时间分别为10:00和15:00, 表示巡检机器人一天巡检两次, 巡检时间分别为10:00和15:00。

3.3 查询操作

(1) 巡检数据查询。点击系统工具栏上的“巡检数据”按钮, 弹出巡检数据查询界面。在界面左上角处先选中起止时间, 然后点击“查询”按钮就可看到如图7所示信息, 界面中的红色数据表示温升越界报警。

(2) 报表查询。该模块主要查询巡检数据中所生成的报表, 操作过程与巡检数据查询类似, 打开“分析/报表查询”菜单, 弹出报表查询工具界面。界面左侧展示温度与设备两种过滤方式, 中间为查询结果列表, 右侧是以Word文件格式展示的所查询的报表, 可进行页面设置、打印预览、打印等操作。

(3) 历史曲线查询。打开“分析/历史曲线”菜单, 弹出历史曲线查询界面, 设定需要查询的开始时间和结束时间, 结束时间不能早于开始时间。点击“选择”按钮, 打开曲线选择操作界面对变电站的设备进行选择, 点击设备曲线页面勾选出需要查询的设备。若需对移动站测点曲线进行选择, 则点击移动站测点曲线页面, 勾选出需要查询的移动站测点曲线参数。曲线选择完毕后, 点击“查询”按钮即可查询。

4 存在的问题及解决措施

变电站智能机器人巡检系统在导航方式、自动控制、数据采集和图像处理等方面还处于探索研究阶段, 尤其是在导航方式上, 由于500kV文都变的智能机器人采用的是磁轨道导航, 机器人在行驶过程中只要检测不到磁信号或检测信号装置出现故障, 就会偏离磁轨道或停滞不前, 从而影响整个巡检任务。在多次出现该问题后, 更换机器人磁点和磁传感器才解决了问题。此外, 在一些细节问题上机器人的表现不够人性化, 例如在执行巡检任务时, 若终止任务再去执行另一个任务, 机器人就会冲出磁轨道, 如需正常改变任务, 则需在执行新任务时选择机器人当前所在的位置点再执行任务。另外, 机器人的可见光采集点存在误差, 部分避雷器表计无法对准, 并且后台生成的单设备报告或多设备报告的依据无从确定, 环境温度、检测日期、诊断和缺陷分析、处理意见也应该生成在报表中, 这些问题目前还没有得到有效解决。由此可见, 机器人要真正扮演起变电站设备巡检工作的主角, 还有很多工作需要完善。

5 结束语

本文介绍了设备智能巡检机器人在500kV文都变的典型应用模式, 该机器人基于室外全自主移动平台和磁轨迹导航, 实现了最优路径规划和双向行走, 可以取代或辅助变电站运行人员进行日常的设备巡检、红外测温等工作, 还能人工配合顺序控制系统实现被控设备位置的自动校核。通过智能巡检机器人可以实现变电站设备巡检无纸化和信息化, 切实提高设备巡检的工作效率和质量, 降低变电站运行人员的劳动强度和工作风险, 为智能变电站或无人值守变电站的运行管理提供了一种创新型的设备检测和监控手段。

摘要：介绍一种基于移动机器人的设备巡检系统在500kV变电站的应用情况。根据机器人在文都变5个月的运行情况, 结合机器人的编程语言、系统架构、运行要求、功能与操作, 对500kV文都变机器人存在的问题与解决方案进行了总结。现场实际应用情况表明, 移动式变电站设备巡检机器人为智能变电站或无人值守变电站的运行管理提供了一种创新型设备检测和监控手段。

机器人巡检系统 篇7

随着电力工业向着大机组、大容量和高电压的迅速发展,保障设备运行的可靠性更成为安全生产的突出课题[1]。利用变电站机器人进行电站设备的巡检,可以提高工作效率和质量,降低劳动强度和巡检危险性,真正起到减员增效的作用,能更快地推进变电站无人值守的进程。变电站环境比较复杂,机器人执行巡检任务时,既有静态障碍物环境下机器人的巡检任务,也有动态障碍物环境下机器人的巡检任务[2],对障碍物的检测成为变电站巡检机器人研究的一项重要课题。

本文设计了一种基于变电站巡检机器人使用的超声波检测系统。超声波是一种非接触式检测技术,不受光线和被测对象颜色等的影响,易于定向发射、方向性好和强度好控制等特点[3],同时具有成本低和安装方便。为了克服单超声传感器对空间信息检测的盲区大和存在幻影干扰等缺点,本文研究采用了多超声传感器的机器人安全检测技术,同时考虑到变电站强磁环境下,超声波反馈信号易受干扰等问题,在系统的软硬件设计上提出了许多防干扰措施,从而在实际应用中获得了良好的检测效果。

1 系统硬件设计

1.1 总体设计

本系统采用ATMEGA128芯片作为核心处理器,其片上集成了丰富的片内外设资源,设计时充分利用了这一特点,简化外围电路,降低了系统功耗。同时在设计上,移动机器人的超声检测系统采用了四路超声传感器来进行避障物的检测和定位[4]。根据电路中各部分实现的功能,整个体统可分为以下四个模块:电源模块、超声波发射模块、超声波接收模块和通讯模块等。超声检测系统总体硬件结构图如图1所示。

1.2 电源设计

系统设计的电源电路设计原理图如图2所示。5V电源由12V电源经过RC滤波和一个线性稳压器K7805变换产生,为单片机以及整流滤波电路提供工作电压。考虑到超声反馈信号对电压的稳定性比较敏感,为保证5V电源纹波小于100m V,在电源部分做适当的处理,采用LC-π型滤波电路。

系统电源电路设计原理图中5V电源包括模拟电源(AVCC)和数字电源(DVCC),其中DVCC为电路中数字部分提供供电压,包括单片机及通讯电路等;而AVCC则为模拟部分提供工作电压,包括放大器等。在进行PCB设计时,模拟电源要远离数字电源,避免对模拟电源造成干扰。

1.3 超声波发射电路设计

本系统中采用的传感器是一体式全封闭防水超声传感器,此传感器的谐振频率为42±1k(KHz)。系统中采用中周变压器对超声传感器驱动信号进行升压处理,可以加大发射信号的功率,增加系统的检测距离。超声传感器与中周的匹配很重要,否则会影响系统的性能及稳定性,在选择上应该满足公式:

式中f为超声传感器的谐振频率,L为中周变压器的电感量,C为超声传感器的电容量。

图3为超声波发射电路原理图,中周工作时,会对12V电源产生干扰,所以在每一路超声驱动电路中加入一个100u F的电解电容进行滤波,将产生的交流毛刺滤除,并在其输入端两端接一个续流二极管,保护元器件不被线圈产生的感应电压击穿或烧坏。单片机引脚无法直接驱动中周,硬件电路上通过三极管进行驱动,图中OC0接单片机的输出引脚,通过该管脚单片机可以输出标准的40KHz PWM方波,来驱动超声传感器工作。

1.4 超声波接收电路设计

超声波的回波信号一般为几m V,有时候甚至小于1m V,因此在设计接收电路时需要考虑信号的放大、整形和滤波等。由于使用的是一体式超声传感器,传感器发射超声波信号后,有一定的惯性,会产生余振信号,如果此时进行信号采集,会使系统产生误报,所以在进行设计时,必须在余振信号停止后再对回波信号进行采集。

如图4所示为超声信号接收电路,接收电路主要由SIG0处直接连接超声传感器,用来采集超声传感器的回声信号。超声波接收电路采用LM324四运放放大器芯片,具有电源电压范围宽,低功耗,自带高增益平率补偿,对微弱信号的放大效果好[5],并可单电源使用。电路中,R2与R8为放大器U1A提供直流偏置点,偏置电压为2.14V。原理图中BAV99DW有两个作用,左上角二极管起到限幅作用,它防止无超声信号时,放大器U1B反相输入端输入电压超过4V,防止共模输入电压越限。右下角的二极管与外围电阻电容及放大器U1C组成倍压检波电路,当有超声信号时,放大器输出端输出低电平。在进行PCB设计时,超声传感器的信号线要远离电源并尽量短,走线宽度应在20mil且不要穿孔。

1.5 通讯电路设计

系统电路中,采用拨码开关设定报警检测距离,每一路超声传感器都有一个指示灯与其对应,指示灯与电路中的拨码开关相互配合,当超声传感器检测到的距离少于设定的距离时,与传感器对应的指示灯便会亮起,起到警示作用。系统通讯模块采用RS232与主机进行通讯,在没有障碍物情况下,系统会停止向主机输出信号,在有障碍物的情况,系统会依次发送多路超声传感器与障碍物之间的距离值,实现机器人避障功能。

2 系统软件设计

系统软件包括初始化程序、定时器中断程序、超声波收发程序及串口通信程序。系统软件流程图如图5所示。

为验证系统设计的精度及稳定性,将系统安装在机器人上在变电站现场进行测试,并通过FLUKE激光测距仪对距离进行标定。表1是测量数据与测距仪标定数据比照表,检测数据最大误差约为0.5%。应用数据说明该系统测试结果准确,应用效果良好。

3 结束语

该超声检测系统通过硬件及软件上的一系列抗干扰措施,成功解决了变电站环境复杂、强磁干扰的问题。在机器人进行巡检任务过程中,该系统有效地维护了机器人的运行安全,提高了机器人的可靠性,拓宽了机器人的应用范围。

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