變電站巡檢機(jī)器人評估

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1、戶內(nèi)軌道巡檢機(jī)器人 項目方案評估報告 一、項目背景： 1.1變電站設(shè)備巡檢和人工巡檢有效性分析 設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)如何， 必須通過對設(shè)備進(jìn)行巡回檢查后才可以得出相應(yīng) 的結(jié)果。為了提高設(shè)備的利用率， 設(shè)備運(yùn)行的可靠性、 降低維修成本。加強(qiáng)對設(shè)備巡檢及缺 陷管理，是提高設(shè)備的運(yùn)行管理水平的一項重要措施， 它能有效地為評估設(shè)備狀態(tài)、確定合 理的運(yùn)行方式、及時安排檢修提供可靠、詳細(xì)的數(shù)據(jù)并有助于做出科學(xué)分析。 變電站值班員進(jìn)行人工巡檢，對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行感觀的簡單的定性判斷， 主要通過看、觸、 聽、嗅等感官去實現(xiàn)的。人工巡視對設(shè)備外部可見、可聽、可嗅的缺陷能夠發(fā)現(xiàn)，例如：油 位、

2、油溫、壓力、滲漏油、外部損傷、銹蝕、冒煙、著火、異味、異常聲音、二次設(shè)備指示 信號異常等。 人工巡檢受人員的生理、心理素質(zhì)、責(zé)任心、外部工作環(huán)境、工作經(jīng)驗、技能技術(shù)水平 的影響較大，存在漏巡，缺陷漏發(fā)現(xiàn)的可能性。 且對于設(shè)備內(nèi)部的缺陷， 運(yùn)行人員無專業(yè)儀 器或者儀器精確度太低， 通過簡單的巡視是不能發(fā)現(xiàn)的， 比如油氣試驗項目超標(biāo)， 設(shè)備特殊 部位發(fā)熱、絕緣不合格等缺陷；還有一類缺陷只能在操作的過程中才能發(fā)現(xiàn)，如機(jī)械卡澀、 閘刀分合不到位、閘刀機(jī)構(gòu)箱門損壞等。 另一方面，由于無人值班變電站增多，許多變電站的距離也較遠(yuǎn)，在站內(nèi)出現(xiàn)事故或大 風(fēng)、大雪及雷雨后因集控站無法出車不能及時巡視時， 造

3、成集控站值班員不能及時了解現(xiàn)場 設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，危急電網(wǎng)的安全運(yùn)行。特別是無法及時了解出現(xiàn)問題的變電站情 況，失去優(yōu)先安排處理的機(jī)會。 巡視人員巡視設(shè)備時需要站在離設(shè)備較近的地方， 對巡視人員的人身安全也有一定的威 脅，特別是在異?，F(xiàn)象查看、惡劣天氣特巡，事故原因查找時危險性更大。 綜上所述，無人值班變電站的人工巡檢存在及時性、 可靠性差，花費(fèi)人工較多，存在較 大的交通風(fēng)險和巡視過程風(fēng)險。 1.2變電站巡檢機(jī)器人簡介 變電站室內(nèi)巡檢機(jī)器人集機(jī)電一體化技術(shù)、 多傳感器融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、導(dǎo)航及 行為規(guī)劃技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)、無線傳輸技術(shù)于一體。 通過機(jī)器人上的高清攝

4、像頭可實時采集分析圖像，自動識別并準(zhǔn)確定位所標(biāo)記的設(shè)備， 實現(xiàn)信息傳輸和拍照。 機(jī)器人以自主或遙控的方式，在無人值守或少人值守的變電站對室內(nèi)高壓設(shè)備進(jìn)行巡 檢，可及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷、 外部機(jī)械或電氣問題， 為運(yùn)行人員提供事故隱患和 故障先兆數(shù)據(jù)?？商娲\(yùn)行維護(hù)人員現(xiàn)場巡檢， 節(jié)省設(shè)備巡檢成本， 降低人身傷害風(fēng)險， 提 高變電站運(yùn)行維護(hù)水平。 1、巡檢機(jī)器人功能總體概述 2.1系統(tǒng)完成的功能概述 根據(jù)初步的說明書，系統(tǒng)需要完成以下功能： 1） 行走。需要能沿線行走，實現(xiàn)前進(jìn)，倒退，轉(zhuǎn)彎，停留，并且要跨越隔門。 2） 無線控制。通過無線的方式對機(jī)器人實施控制。 3）

5、 掛載并能提升巡檢設(shè)備。 除了上述功能性要求，機(jī)器人需要低成本，小型化。為了實現(xiàn)上述功能以及最終驗收， 需要對機(jī)器人性能提出一定的指標(biāo)。 2.2系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的指標(biāo) 初步設(shè)計機(jī)器人在上述 4個功能上應(yīng)該實現(xiàn)如下指標(biāo) 1） 行走。行走速度最高要達(dá)到 0.5m/s。機(jī)器人應(yīng)該能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。機(jī)器人應(yīng)該能 跨越高度為5cm的隔門 2） 機(jī)器人無線控制距離不少于 10米，能在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作。 3） 機(jī)器人能感知自己絕對位置。能達(dá)到 +/-2CM定位精度 4） 能為巡檢設(shè)備提供電源，電壓小于等于 24V。 5） 機(jī)器人尺寸應(yīng)小于1M*1M*2M。能進(jìn)入其他房間 6） 機(jī)器人重量應(yīng)

6、小于 50Kg 7） 機(jī)器人最大提升高度應(yīng)大于等于 1.8M。 8） 機(jī)器人待機(jī)工作時間為 12小時。正常工作時間為 8小時。 2.3系統(tǒng)所需模塊 根據(jù)機(jī)器人需要完成的功能和機(jī)器人需要達(dá)到的指標(biāo), 初步確定機(jī)器人應(yīng)包括如下幾個 子系統(tǒng)。 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中人機(jī)交互系統(tǒng)功能是從操作者處獲得指令， 控制機(jī)器人的運(yùn)動。 同時將從機(jī)器人處 獲得的傳感器數(shù)據(jù)提供給用戶。 無線遙控系統(tǒng)的功能是將用戶的指令和數(shù)據(jù)通過無線的方式進(jìn)行發(fā)送， 使機(jī)器人和用戶 聯(lián)系在一起。 主控系統(tǒng)的功能是搜集傳感器的數(shù)據(jù)， 對其進(jìn)行處理，并結(jié)合用戶的指令，完成對電機(jī) 相應(yīng)的控制

7、。 電源系統(tǒng)功能是為機(jī)器人提供動力源， 并保證電量異常時的報警、自我保護(hù)和充電行為。 傳感系統(tǒng)為機(jī)器人提供數(shù)據(jù)，其中一部分是和機(jī)器人定位與導(dǎo)航相關(guān)的， 機(jī)器人通過處 理這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行巡線并獲得機(jī)器人的坐標(biāo)。 另一部分是機(jī)器人搭載的巡檢設(shè)備。 機(jī)器人對 這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并通過無線模塊發(fā)送給控制基站。 圖2模塊功能圖 三、設(shè)計方案 2.1機(jī)械本體設(shè)計依據(jù) 考慮到機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境， 其移動體采用四輪輪式移動小車， 中驅(qū)結(jié)構(gòu)。由2個伺服直 流電機(jī)分別驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，前后兩輪為萬向輪。該移動體結(jié)構(gòu)簡單，易加工，直線運(yùn)動性 與轉(zhuǎn)彎性能好，能夠以中間驅(qū)動輪為中心點做原地轉(zhuǎn)彎， 且無

8、側(cè)滑，對路面的適應(yīng)性強(qiáng)， 且 便于控制系統(tǒng)的設(shè)計。 圖3移動機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 2.2傳感器系統(tǒng)設(shè)計 2.2.1巡線傳感器 對于AGV機(jī)器人的巡線傳感器，采用比較廣泛的是磁導(dǎo)航的方式，然而磁導(dǎo)航鋪設(shè)成 本較高。磁導(dǎo)航裝置檢測范圍內(nèi)不能存在電機(jī)等磁性裝置， 并且需要定期清潔磁導(dǎo)航傳感器， 維護(hù)成本較大。 若以降低成本考慮應(yīng)采用紅外光巡線的方式。 紅外光巡線傳感系統(tǒng)采用紅外光作為檢測 光源，避免了外界可見光對巡線傳感的干擾和影響， 可以在高亮或全黑暗的光照條件下工作。 內(nèi)部處理算法基于施密特濾波器及自適應(yīng)閾值學(xué)習(xí)算法， 對每個紅外反射管分別進(jìn)行閾值學(xué) 習(xí)，可以彌補(bǔ)因為器

9、件差異和反射條件差異造成的傳感誤差。 巡線條方面，通過鋪設(shè)工業(yè)耐 磨阻燃地板，可以很好地降低維護(hù)成本。 系統(tǒng)硬件部分為自主開發(fā)的基于 AVR單片機(jī)的傳感器板，采用 ATmega16A單片機(jī)，提 供3種通信接口： 10、l2C UART。用戶可根據(jù)需要選擇其中一種接口讀取傳感器模塊的檢 圖3紅外巡線板及耐磨阻燃巡線條材料 測結(jié)果。用戶可使用撥碼開關(guān)或者 I2C、UART通信接口控制此巡線板進(jìn)入采樣學(xué)習(xí)模式。 然而單純的巡線并不能為機(jī)器人提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息。 機(jī)器人除了在轉(zhuǎn)彎或者道路交匯 的地方能獲取坐標(biāo)， 并不知道在路徑上的具體坐標(biāo)。 因此，除了巡線系統(tǒng)， 巡線傳感器系

10、統(tǒng) 還要增量式碼盤為機(jī)器人提供航跡推算式的定位。 能沿著線前進(jìn)，又能了解當(dāng)前所在的坐標(biāo)。 通過巡線傳感器和增量式碼盤， 機(jī)器人既 圖4增量式碼盤及隨動輪裝置 222搭載傳感器 本機(jī)器人系統(tǒng)為變電站設(shè)備非電氣信號的采集提供了一個移動載體平臺， 在這個平臺上 可以搭建不同的檢測系統(tǒng)或裝置。 女口：遠(yuǎn)程在線式紅外熱像儀系統(tǒng)、 可見光圖像采集處理系 統(tǒng)、聲音采集處理系統(tǒng)和移動物體闖人報警系統(tǒng)。檢測設(shè)備如圖 6所示。 圖6搭載傳感設(shè)備檢測系統(tǒng)框圖 2.3無線遙控系統(tǒng)設(shè)計方案 無線遙控系統(tǒng)采用 n RF2401模塊作為通信硬件。n RF2401模塊速率高，最高

11、能達(dá)到 2Mbps。由于空中傳輸速度快，傳輸時間很短，極大的降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。頻點 多，可以滿足多點通信需要。成本低，芯片內(nèi)部繼承了所有與 RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理 部分，比如：自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動產(chǎn)生應(yīng)答信號等， NRF24L01的SPI接口可以利用 單片機(jī)的硬件SPI 口連接或用單片機(jī)I/O 口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理 器接口，便于使用低成本單片機(jī)。 除此之外，由于鏈路層完全集成在模塊上， 非常便于開發(fā)。 通信范圍廣，最大 OdBm發(fā)射功率，空曠100米。 圖7 nRF2401無線數(shù)傳模塊 2.4主控系統(tǒng)設(shè)計方案 移動機(jī)器人導(dǎo)航系

12、統(tǒng)需要在有限的時間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)， 因此要求控制系統(tǒng)具有較快 的數(shù)據(jù)處理能力，然而移動機(jī)器人要實現(xiàn)復(fù)雜的動作以及人機(jī)交互界面， 這又要求控制系統(tǒng) 具有較 強(qiáng)的綜合處 理能力以及豐富 的外 設(shè)接口。為了滿足上述需要，主控系 統(tǒng)采用 ARM7+FPGA的架構(gòu)。ARM7是ARM公司研制小型、快速、低能耗、集成式 RISC內(nèi)核。采 用ARM7架構(gòu)的內(nèi)核廣泛使用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。為了減輕處理器的負(fù) 擔(dān)，使用FPGA作為協(xié)處理器，可以豐富主控系統(tǒng)的接口，同時大大提高了主控系統(tǒng)的處理 能力。下圖所示就是一個以 ARM7+FPGA為架構(gòu)的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn) 12路電機(jī)伺服 控制，具

13、有LCD接口，USART接口，USB接口，SPI接口，I2C接口等常用的外設(shè)接口，能方 便地與外設(shè)進(jìn)行通信?？紤]到巡檢機(jī)器人需要掛載不同的外設(shè)， 外設(shè)接口越豐富，外設(shè)選擇 的自由度就越大，可以支持的外設(shè)就越多。 圖8 ARM7+FPGA主控系統(tǒng) 2.5電源系統(tǒng)設(shè)計依據(jù) 電源系統(tǒng)包括電池和充電系統(tǒng)兩個部分。 在機(jī)器人工作時，由電池提供能量。 常用的電 池有鋰電池，鉛蓄電池，鎳鎘電池等?？紤]到機(jī)器人工作時間較長，而且需要重復(fù)充電，并 且考慮成本，選擇鉛蓄電池作為機(jī)器人的電源。普通的鉛蓄電池具有容量大，放電電流大， 高循環(huán)壽命，可靠性好，時間耐久，安全性能好等特點。 機(jī)器人經(jīng)過一段時

14、間工作， 需要自行回到充電點充電。 可以采用充電站的模式， 機(jī)器人 到一個充電區(qū)域之后， 自行將充電接口對準(zhǔn)充電器， 完成充電。目前一些掃地機(jī)器人已經(jīng)具 備這樣的功能。 圖9 24V鉛蓄電池、充電器及其充電樁 2.6人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計依據(jù) 為了對巡檢機(jī)器人進(jìn)行有效的監(jiān)視、 控制和管理，為此建立了一個移動機(jī)器人監(jiān)控中心 來完成該任務(wù)，稱其為基站?；九c移動體之間通過無線網(wǎng)橋組成一個無線局域網(wǎng)， 其中無 線網(wǎng)橋滿足IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)，頻段5.8GHz,帶寬50Mbit/s，無遮擋傳輸距離 10km。整個 機(jī)器人系統(tǒng)采用基于IP網(wǎng)絡(luò)的二級結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

15、圖10機(jī)器人系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 在該系統(tǒng)中，可見光圖像、紅外圖像通過視頻服務(wù)器的視頻流數(shù)據(jù)和移動體控制系統(tǒng)信 息等數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)絡(luò)集線器后， 經(jīng)無線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)集線器一起通過電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳到運(yùn) 行監(jiān)控中心，連接到電力系統(tǒng)局域網(wǎng)上的計算機(jī)可根據(jù)訪問權(quán)限實時瀏覽變電站設(shè)備的可見 光和紅外視頻圖像、機(jī)器人本身運(yùn)行情況等相關(guān)信息，并且可以控制機(jī)器人移動體的運(yùn)動等。 基站系統(tǒng)采用PC機(jī)、Windows操作系統(tǒng)?；鞠到y(tǒng)包括基站計算機(jī)、無線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò) 集線器等硬件設(shè)備，主要用于人機(jī)交互、 接收操作人員的各種操作指令， 并將這些指令下達(dá) 到機(jī)器人移動體運(yùn)動控制系統(tǒng)。 同時，基站系統(tǒng)也是用戶了解機(jī)器人的工作情況和結(jié)果的直 接渠道。基站計算機(jī)安放在運(yùn)行監(jiān)控中心，由基站框架、電子地圖、狀態(tài)報警處理、全局路 徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、工作模塊 （包括圖像、聲音處理模塊）等模塊組成，如下圖所 示。 圖11基站軟件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)