束江 崔昊楊 劉晨斐 秦倫明 郭文誠

摘 要：利用機器人取代人工對變電站設(shè)備進(jìn)行例行巡檢，是電力設(shè)備狀態(tài)檢測領(lǐng)域的一個重要發(fā)展趨勢。針對目前巡檢機器人面臨的自主行走精度不高、系統(tǒng)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)緊湊性差的問題，文中研制了以STM32芯片為控制核心、以磁軌道和PID調(diào)速為行進(jìn)方式、以射頻識別（RFID）為定位手段的巡檢機器人系統(tǒng)，采用微軟基礎(chǔ)類庫（MFC）應(yīng)用程序開發(fā)出一套集多維運動方式控制、多種傳感數(shù)據(jù)融合、多光譜通道掃描顯示和故障診斷為一體的系統(tǒng)監(jiān)控軟件。實驗結(jié)果表明，巡檢機器人能夠按照預(yù)定路線對線路上的設(shè)備進(jìn)行自動檢測，并向運維人員提供基本數(shù)據(jù)與報表，實現(xiàn)對變電站設(shè)備巡檢的目的。系統(tǒng)的綜合性能滿足應(yīng)用要求，應(yīng)用前景較好。

關(guān)鍵詞：變電站；機器人；智能監(jiān)測；MFC

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-04

0 引 言

對變電站設(shè)備進(jìn)行例行巡檢是保障電力設(shè)備安全穩(wěn)定運行的常規(guī)手段[1-3]。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備的數(shù)量和種類越來越多，但在現(xiàn)有電力體制下，運維人員的數(shù)量將保持長期穩(wěn)定，運維人員數(shù)量不足與設(shè)備數(shù)量劇增的矛盾日益突出。提高巡檢效率，降低人工巡檢強度成為設(shè)備狀態(tài)檢測領(lǐng)域面臨的極為重要的課題，也成為設(shè)備狀態(tài)檢修策略深入推進(jìn)的重要基礎(chǔ)。利用巡檢儀器對設(shè)備進(jìn)行自動巡檢成為該領(lǐng)域一個重要的發(fā)展趨勢。近年來，傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)以及機器人技術(shù)的高速發(fā)展，為電力巡檢特種機器人的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。電力行業(yè)領(lǐng)域?qū)ρ矙z機器人的實際應(yīng)用水平和性能賦予了較高期望。雖然目前主流巡檢機器人的研究和應(yīng)用取得了較大發(fā)展，但依舊停留在示范應(yīng)用階段[4-5]，在實際應(yīng)用過程中，仍面臨較多的問題。如智能化水平雖較高，但系統(tǒng)不夠穩(wěn)定；對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力較弱，不能長時間按照預(yù)定軌道精確行走；信息融合處理技術(shù)有待提升等[6-7]。

本文研制了以STM32芯片為控制核心、以磁軌道和PID調(diào)速為行進(jìn)方式、以RFID為定位手段的巡檢機器人系統(tǒng)。采用MFC應(yīng)用程序開發(fā)出一套集多維運動方式控制、多種傳感數(shù)據(jù)融合、多光譜通道掃描顯示和故障診斷為一體的系統(tǒng)監(jiān)控軟件。在滿足巡檢機器人基本功能和性能的前提下，通過模塊化設(shè)計與MFC程序基礎(chǔ)類庫調(diào)用[8]，進(jìn)一步提高巡檢機器人結(jié)構(gòu)的緊湊性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 硬件控制及功能分析

變電站巡檢機器人總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它具有三層式結(jié)構(gòu)，即遠(yuǎn)程監(jiān)控，無線傳輸和移動車體檢測?？蛻暨h(yuǎn)程監(jiān)控軟件系統(tǒng)用于接收采集數(shù)據(jù)、發(fā)布控制指令以及后期生成報表。通過工業(yè)級無線AP連接移動車體與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機，互相接收并發(fā)送數(shù)據(jù)。機器人本體包含了網(wǎng)絡(luò)集成器，視頻傳輸系統(tǒng)，移動運動控制系統(tǒng)等。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

變電站巡檢機器人外觀及硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。機器人頭部包含可見光攝像頭與紅外熱像儀，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、電力設(shè)備熱故障診斷、儀表讀數(shù)等[9]。機器人身體為云臺，主要功能為帶動頭部進(jìn)行上、下、左、右旋轉(zhuǎn)，調(diào)整拍攝視角。機器人的載體為四輪移動車體，并攜帶多種傳感器。

巡檢機器人硬件接口輸入輸出如圖3所示。硬件電路布局以STM32為系統(tǒng)核心，接口包括CAN總線、網(wǎng)絡(luò)接口、RS 485、RS 232、繼電器、數(shù)字與模擬拓展口。為實現(xiàn)不同的功能，根據(jù)不同的接口，相對應(yīng)地接入功能器件。

1.2 系統(tǒng)運動控制

巡檢機器人系統(tǒng)底盤采用雙輪前驅(qū)，通過電磁傳感器跟隨磁軌道進(jìn)行自主行走，配合RFID定位裝置，實現(xiàn)路線位置的識別。為滿足實際巡檢需要，將車體行駛速度設(shè)定為1m/s，爬坡能力高于30°，連續(xù)行走運行時間超過5小時。受環(huán)境路面凹凸不平、坡度、轉(zhuǎn)彎、啟停的影響，機器人系統(tǒng)的實際行進(jìn)過程并不能按預(yù)定時間與路線進(jìn)行。為保證車體的相對穩(wěn)定、平衡，并提升巡檢效率，需要系統(tǒng)依據(jù)實際位置和環(huán)境情況對速度進(jìn)行動態(tài)控制，因此，系統(tǒng)速度采用閉環(huán)PID控制[10]。PID算法描述為：

其中，u（t）是PID輸出信號，e（t）是誤差控制信號，K為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，Ti和Td分別是PID控制中的積分時間和微分時間。

系統(tǒng)導(dǎo)航方案原理框架如圖4所示。

選擇自主巡檢模式后，轉(zhuǎn)角編碼盤實時反饋小車行進(jìn)速度，e（t）為理想速度輸出與實際速度輸出的誤差，這個誤差信號通過PID調(diào)節(jié)得到輸出量u（t）。u（t）被送到執(zhí)行機構(gòu)，通過PWM功率調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電機功率的輸入，從而實現(xiàn)驅(qū)動輪的差速轉(zhuǎn)彎與勻速前進(jìn)。

本文設(shè)計加入了N極8位電磁傳感器與RFID讀卡器，其運行軌跡如圖5所示。磁傳感器跟隨磁軌跡按預(yù)定軌跡行走，到達(dá)路口處RFID讀卡器對RFID標(biāo)志位進(jìn)行讀取與識別，按控制系統(tǒng)設(shè)定實現(xiàn)車體直行與轉(zhuǎn)彎?？刂葡到y(tǒng)在路口設(shè)定轉(zhuǎn)彎路線的同時，也預(yù)定了移動車體的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)與直行的雙輪速度目標(biāo)值。在車體行進(jìn)過程中，得到速度目標(biāo)值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，輸出功率可匹配當(dāng)前實際速度，實現(xiàn)了平滑轉(zhuǎn)彎與勻速直行。行進(jìn)至停車檢測點，讀取RFID標(biāo)志位信息，實現(xiàn)定時定點停車及設(shè)備檢測。

1.3 通訊功能

變電站巡檢機器人需實時觀測并傳輸高清視頻數(shù)據(jù)，故對傳輸距離與傳輸速率都提出了較高要求。本文采用5.8 GHz工業(yè)級車載一體化無線網(wǎng)橋，TDMA（時分多址）通信協(xié)議[11]的通訊速率可達(dá)40 Mb/s，可視傳輸距離可達(dá)1 000 m以上，能實現(xiàn)移動站與多基站連接的快速切換。通過多基站的設(shè)定與連接，可實現(xiàn)大范圍內(nèi)計算機與移動機器人的實時通訊。

2 軟件系統(tǒng)工作方式

本文設(shè)計的巡檢機器人系統(tǒng)軟件包括基站系統(tǒng)、移動站系統(tǒng)與雙光譜系統(tǒng)?；鞠到y(tǒng)運行在MFC系統(tǒng)下，利用無線傳輸將可見光攝像機和紅外熱像儀采集到的圖像信息傳輸?shù)缴衔粰C客戶端。移動站系統(tǒng)以STM32為控制核心，采用C++編程，經(jīng)Socket接收指令完成相關(guān)動作[12]。雙光譜系統(tǒng)以廠家提供的SDK開發(fā)包為基礎(chǔ)，通過主程序的調(diào)用以實現(xiàn)特定目標(biāo)。

2.1 基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

基站系統(tǒng)也稱為上位機客戶端，可以遠(yuǎn)程控制機器人，以實現(xiàn)對機器人現(xiàn)場巡檢作業(yè)的監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計大致分為四部分，即界面設(shè)計，文件操作，多媒體應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫。界面設(shè)計作為人機交互界面，是整個系統(tǒng)的控制面板，包含了大部分操作指令的控制與雙光譜系統(tǒng)視頻的呈現(xiàn)。文件操作是指在上位機客戶端操控界面上對機器人運動、云臺控制的操作按鍵。點擊按鍵向集中控制器發(fā)送控制指令，進(jìn)而完成對機器人的整體操控。雙光譜系統(tǒng)、電磁傳感器、超聲波傳感器與RFID讀卡器等都可作為多媒體應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫中主要存放拍攝到的視頻圖像與生成的報表。圍繞這四大部分展開的關(guān)鍵系統(tǒng)文件及其作用如圖6所示。

本文設(shè)計的MFC程序主體思想是進(jìn)入主程序之后，配置巡檢機器人的3個IP地址，分別為機器人車體總IP地址，紅外熱像儀IP，可見光攝像機IP。三者須統(tǒng)一網(wǎng)段，本設(shè)計統(tǒng)一為192.168.192.XX。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配對，連接總IP地址，進(jìn)入主界面（CMainFrame），生成后臺操作界面（CMainFrame：：Create）。通過頭文件（SelectDevice.h）中的子程序（CRealPlayDlg：：OpenIR）和（CRealPlayDlg：：Login）設(shè)置紅外熱像儀與可見光攝像機的IP 地址。調(diào)用Resource中紅外熱像的SDK 和可見光的SDK ，實現(xiàn)對兩者的綜合管理，顯示紅外熱像（CVideoInfraredDisplay）和可見光圖像（CVideoDisplay）的窗口。連接車體總IP后，在客戶端界面與移動車體之間建立通信系統(tǒng)，運用 SendDataInSocket來實現(xiàn)接收、發(fā)送指令。指令主要包括小車行駛模式的串口指令、云臺轉(zhuǎn)動指令、視頻錄像與拍照、RFID標(biāo)簽識別與設(shè)定等。

2.2 移動站巡檢系統(tǒng)流程

本文設(shè)計的巡檢機器人具有兩種工作模式，即智能巡檢與手動巡檢。工作流程如圖7所示。

系統(tǒng)連接后，在MFC應(yīng)用界面進(jìn)行模式選擇，選擇智能巡檢模式時，機器人按照預(yù)定軌跡行走，當(dāng)遇到障礙物時停車，否則繼續(xù)行走。經(jīng)RFID標(biāo)志位識別到達(dá)指定位置，然后開啟雙光譜系統(tǒng)對電力設(shè)備進(jìn)行檢測。將獲得的電力設(shè)備紅外圖像、可見光圖像傳輸至上位機。如果巡檢結(jié)束，則等待下一步命令，否則按磁軌跡引導(dǎo)，走向下一個指定點。當(dāng)選擇人工控制巡檢模式時，工作人員通過上位機給機器人發(fā)送指令。當(dāng)變電站巡檢機器人到達(dá)指定位置后，進(jìn)行雙光譜圖像拍攝與圖像傳輸。巡檢作業(yè)未完成則返回模式選擇，重新選定模式，否則結(jié)束巡檢。

3 測試與運行結(jié)果分析

實際測試中的系統(tǒng)軟件開發(fā)界面包含紅外與可見光兩個視頻顯示窗口、模式控制指令區(qū)域、可見光控制指令區(qū)域、小車控制指令區(qū)域、紅外控制指令區(qū)域等。系統(tǒng)軟件開發(fā)界面如圖8所示。

變電站巡檢機器人的突出特點在于其雙光譜通道掃描與顯示。利用本系統(tǒng)機器人對電力設(shè)備進(jìn)行檢測，獲得的3組熱故障設(shè)備圖像如圖9所示，左邊為可見光圖像，右邊為紅外圖像。圖9（a）為斷路器下接頭A相發(fā)熱，圖9（b）為B相開關(guān)側(cè)接頭發(fā)熱，圖9（c）為隔離開關(guān)動靜觸頭發(fā)熱，都是接觸不良引起的熱故障。雙光譜圖對比與呈現(xiàn)效果表明：可見光圖像利于設(shè)備識別和人眼觀看；紅外圖像利于設(shè)備熱故障診斷[13]。實踐結(jié)果表明，本文設(shè)計能夠按照預(yù)定路線對線路上的目標(biāo)電力設(shè)備進(jìn)行可見光與紅外圖像采集，提升巡檢效率。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)當(dāng)前自動化設(shè)備發(fā)展及電力市場的需要，研制出一種以磁軌道和PID調(diào)速為行進(jìn)方式、以RFID為定位手段的巡檢機器人系統(tǒng)。采用MFC應(yīng)用程序開發(fā)出一套集多維運動方式控制、多種傳感數(shù)據(jù)融合、多光譜通道掃描顯示和故障診斷為一體的系統(tǒng)監(jiān)控軟件。本文設(shè)計在滿足基本巡檢功能的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計，提高了巡檢機器人結(jié)構(gòu)的緊湊性，同時降低了研發(fā)難度。通過在變電站現(xiàn)場實際測試，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)電力設(shè)備雙光譜圖像采集，實現(xiàn)自主導(dǎo)航，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的要求。本套巡檢機器人系統(tǒng)為電力設(shè)備的可靠運行提供了保證，具有廣闊的市場前景以及較大的使用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]孫國凱，韓剛.變電站巡檢方式對比及智能巡檢機器人[J].農(nóng)村自動化，2008（4）：30-32.

[2]譚民，王碩.機器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].自動化學(xué)報， 2013，39（7）：963-972.

[3] ALLAN J F， BEAUDRY J. Robotic systems applied to power substa-tions-A state-of-the-art survey[C]∥Applied Robotics for the PowerIndustry. Foz do Iguassu， Brazil： IEEE， 2014：1-6.

[4] BEAUDRY J， POIRIER S. Véhiculetéléopéré pour inspection visuelleet thermographiquedans les postes de transformation：IREQ-2012-0121[R]. [S.l.]： [s.n.]， 2012.

[5] TANG W H， SPURGEON K， WU Q H， et al. An evidential reasoning approach to transformer condition assessments[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2004， 19（4）： 1696-1703.

[6]楊旭東，黃玉柱，李繼剛，等.變電站巡檢機器人研究現(xiàn)狀綜述[J].山東電力技術(shù)， 2015， 42（1）： 30-34.

[7]魯守銀，錢慶林，張斌，等.變電站設(shè)備巡檢機器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（13）：94-98.

[8]徐璇，姜明新，黃靜，等.基于MFC的工程軟件界面設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011，19（21）：12-13.

[9]周立輝，張永生，孫勇，等. 智能變電站巡檢機器人研制及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化， 2011， 35（19）：85-88.

[10]楊曉嵐.PID 算法在智能車中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8（4）：187-189.

[11]洪家平， 董武世.基于嵌入式系統(tǒng)的時分多址通信協(xié)議的實現(xiàn)[J].微計算機信息， 2005，21（6z）：32-34.

[12]陳兵， 沈?qū)W馗.socket 通信平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].小型微型計算機系統(tǒng)， 1996， 17（9）：40-45.

[13]崔昊楊， 許永鵬， 曾俊冬， 等.電氣設(shè)備故障紅外診斷現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2013，29（3）：271-275.