嚴(yán)宇　康文　肖奕　龔闖　江維

摘 要：為了提升變電檢修智能化作業(yè)水平，減輕人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。文章提出了一種變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，著重對(duì)機(jī)器人的硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能、尋跡功能、避障功能等重要模塊進(jìn)行分析，最后在硬件設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，以單片機(jī)為機(jī)器人主控芯片，在PROTUES軟件中進(jìn)行仿真研究，分別對(duì)智能運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能、尋跡功能、避障功能進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠較好的實(shí)現(xiàn)上述功能，文章對(duì)變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究為物理樣機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，同時(shí)，對(duì)于變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人實(shí)用化研究具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：變電站；智能運(yùn)載機(jī)器人；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；PROTEUS仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－414X（2023）05－0065－05

0引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，社會(huì)用電量不斷提升，對(duì)電力運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性提出更高挑戰(zhàn)。變電站[1-4]是電力系統(tǒng)中與人們關(guān)系最為直接的基礎(chǔ)設(shè)施，是服務(wù)區(qū)域輸送電力，保證人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣?huì)生產(chǎn)所需電力供應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。目前，我國(guó)東部地區(qū)平均每個(gè)省擁有5000座變電站，西部地區(qū)為3000座。大多數(shù)變電站處于露天環(huán)境，受自然環(huán)境的腐蝕、松動(dòng)給變電的穩(wěn)定性造成影響。變電站的日常巡檢維護(hù)若不能得到充分的保障，一旦沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀況并有效處理，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為保證供電穩(wěn)定性及可靠性，變電站相應(yīng)部門(mén)需要對(duì)其進(jìn)行定期檢修。為實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)作業(yè)工具規(guī)范化管理，站內(nèi)所需的作業(yè)工具通常按序分類(lèi)存放在指定工具室內(nèi)，這樣常造成作業(yè)工具存放點(diǎn)距離檢修作業(yè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，作業(yè)工具存取不方便等問(wèn)題。為提高變電站室內(nèi)檢修作業(yè)的智能化程度，減輕電力檢修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)一種利用AGV移動(dòng)平臺(tái)的變電站室內(nèi)全自主搬運(yùn)移動(dòng)機(jī)器人具有重要意義。AGV[5-8]是無(wú)人搬運(yùn)車(chē)（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫(xiě)，是指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)引導(dǎo)裝置，能夠沿規(guī)定的引導(dǎo)路徑運(yùn)行，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車(chē)，屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人。AGV的導(dǎo)航是指其決定AGV運(yùn)行方向和路徑的方法，目前常用的AGV導(dǎo)航方式[9-12]主要有車(chē)外預(yù)定路徑方式和非預(yù)定路徑方式兩種。所謂車(chē)外預(yù)定路徑導(dǎo)航方式是指在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)航用的信息媒介物，AGV通過(guò)檢測(cè)其信息而得到導(dǎo)向的導(dǎo)航方式，如電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引等。所謂非預(yù)定路徑導(dǎo)航方式是指AGV不預(yù)先確定行駛路徑，而是根據(jù)調(diào)度要求，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)方位識(shí)別確定行駛路徑。如激光導(dǎo)航、坐標(biāo)或地理信息識(shí)別導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等。

基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一款變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人AGV小車(chē)系統(tǒng)，著重對(duì)所設(shè)計(jì)的AGV小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、尋跡功能、避障功能進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性和有效性，本文的研究是對(duì)配電網(wǎng)檢修維護(hù)的全新應(yīng)用和探索，其研究和實(shí)施對(duì)于提升復(fù)配電電網(wǎng)系統(tǒng)工作能效、推進(jìn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)，AGV導(dǎo)航模式行走于變電站內(nèi)地面上，輔助甚至替代人工搭載作業(yè)工具，它的主要結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)部分：其一，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由鋰電池來(lái)提供電能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，鋰電池將直流電傳導(dǎo)至電機(jī)提供車(chē)輪的動(dòng)力，電池組設(shè)計(jì)在小車(chē)內(nèi)部，位于小車(chē)的前后兩端，分別有一個(gè)電池組來(lái)提供電力；其二，運(yùn)載部位，小車(chē)在頂端設(shè)計(jì)護(hù)欄樣式來(lái)安放工具，在變電站內(nèi)運(yùn)輸。小車(chē)內(nèi)部設(shè)計(jì)為上下兩層，下層安裝電機(jī)與車(chē)輪連接，上層安裝控制系統(tǒng)，車(chē)壁安裝傳導(dǎo)裝置，起到控制作用。小車(chē)的前后部安裝有傳感裝置來(lái)感應(yīng)障礙物或者地面基礎(chǔ)線來(lái)安排前進(jìn)的路線，同時(shí)用于感應(yīng)充電裝置。小車(chē)頂部前后兩端，設(shè)計(jì)有控制面板，可以由技術(shù)人員輸入編程設(shè)定好前進(jìn)路線，變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。

2 變電檢修智能運(yùn)載機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文針對(duì)智能運(yùn)載機(jī)器人的控制需求，采用基于單片機(jī)的機(jī)器人控制系統(tǒng)和自主避障和自主尋跡模塊。小車(chē)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)就是為了使得小車(chē)能夠首先運(yùn)動(dòng)起來(lái)，其次，再考慮讓小車(chē)按照預(yù)設(shè)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此，首先在小車(chē)的動(dòng)力部分方面，小車(chē)在物理結(jié)構(gòu)上采用的是四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪使用的是四個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這樣單片機(jī)通過(guò)控制直流電機(jī)，進(jìn)一步控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)小車(chē)的目的。但由于單片機(jī)的直接輸出可能無(wú)法有效的控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，考慮使用專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，從而使得單片機(jī)間接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)載機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2尋跡功能的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人的尋跡是在小車(chē)能夠正常運(yùn)動(dòng)起來(lái)的前提下，進(jìn)一步通過(guò)軟件設(shè)計(jì)和硬件選擇，從而可以讓小車(chē)按照規(guī)定的路線來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，采用的是紅外光電傳感器，紅外光電傳感器可以很好的貼合本設(shè)計(jì)的要求，因此對(duì)于紅外光電傳感器進(jìn)行了研究。另一方面也同時(shí)對(duì)于紅外尋跡的工作原理和尋跡原理進(jìn)行了研究，最后使得小車(chē)可以達(dá)到尋跡的功能。避障流程示意圖如圖3所示。

2.3避障功能的實(shí)現(xiàn)

小車(chē)的避障功能是指小車(chē)在遇到前方存在障礙物的時(shí)候，能夠自動(dòng)的識(shí)別障礙物，并且可以根據(jù)障礙物的位置做出相應(yīng)躲避的運(yùn)動(dòng)行為。為了達(dá)到這一功能，本設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案可以選擇，一個(gè)是利用紅外光電傳感器，一個(gè)是利用超聲波模塊。首先，小車(chē)能夠識(shí)別障礙物需要從小車(chē)位置發(fā)射信號(hào)，在遇到障礙物可以識(shí)別出來(lái)，并且反射，這樣

小車(chē)接收到反射信號(hào)就可以得到小車(chē)自身距離障礙物的距離。從而單片機(jī)可以輸出相應(yīng)的控制信號(hào)使得小車(chē)能夠做出躲避行為。

因此，避障的重點(diǎn)在于距離的測(cè)量是否精準(zhǔn)和快速，首先，精準(zhǔn)可以讓小車(chē)能夠準(zhǔn)確識(shí)別障礙物位置。其次，由于小車(chē)的行駛速度，單片機(jī)需要時(shí)間來(lái)輸出控制信號(hào)，小車(chē)對(duì)于單片機(jī)輸出的控制信號(hào)也需要時(shí)間來(lái)改變自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，在選用測(cè)距模塊上，需要同時(shí)兼顧準(zhǔn)確性和及時(shí)性，AGV避障流程示意圖如圖4所示。

2.4機(jī)器人小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

在不同的運(yùn)行環(huán)境中，機(jī)器人所呈現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，由于環(huán)境的復(fù)雜性，小車(chē)根據(jù)障礙物和干擾因素，會(huì)出現(xiàn)四種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別是前進(jìn)、停止、后退，以及轉(zhuǎn)向。因此，首先需要自動(dòng)識(shí)別小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)需求從而對(duì)各狀態(tài)下的小車(chē)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，小車(chē)停止?fàn)顟B(tài)分為兩種情況，其一，小車(chē)在出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)停止的目的是用于加載貨物和卸載貨物。其二，在運(yùn)輸過(guò)程中出于避障目的，對(duì)于突發(fā)情況而產(chǎn)生的障礙物，小車(chē)無(wú)法通過(guò)轉(zhuǎn)彎避障的時(shí)候，需要采用停止避障的方法。小車(chē)的前進(jìn)狀態(tài)用于小車(chē)正在運(yùn)輸?shù)耐局?，為小?chē)正常行駛的狀態(tài)。通過(guò)反饋控制進(jìn)行速度的調(diào)劑，使得小車(chē)在運(yùn)輸過(guò)程中可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的速度。小車(chē)的后退狀態(tài)多用于避障，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)性障礙物時(shí)，配合小車(chē)的停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行障礙物的躲避行為。對(duì)于一個(gè)具有自動(dòng)導(dǎo)航功能的小車(chē)而言，轉(zhuǎn)彎可以說(shuō)是最為重要的部分。因此，根據(jù)障礙物不同小車(chē)需要進(jìn)行不同方向的避障，在遇到障礙物，機(jī)器人小車(chē)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序目標(biāo)進(jìn)行障礙物的躲避行為，左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)仿真平臺(tái)搭建

基于前述分析，設(shè)計(jì)了AGV系統(tǒng)的電路圖，并采用了Proteus 8 Professional仿真軟件，并通過(guò)Keil uVision5編寫(xiě)的單片機(jī)程序生產(chǎn)可執(zhí)行的HEX文件燒錄到Proteus的電路圖中，從而進(jìn)行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)仿真。主要對(duì)AGV系統(tǒng)尋跡功能，避障功能，反饋控制進(jìn)行邏輯仿真。因此，通過(guò)搭建單片機(jī)和各部分元件的電路進(jìn)行功能仿真。圖5中AGV系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖，在仿真環(huán)境內(nèi)，將單片機(jī)與小車(chē)的各功能部分相連，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制，從而使得小車(chē)在仿真環(huán)境內(nèi)可以做出相應(yīng)的行為。

3.2 仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

首先測(cè)試小車(chē)的避障功能，設(shè)置30cm為小車(chē)避障臨界值，當(dāng)超聲波測(cè)量數(shù)值不小于30cm時(shí)，小車(chē)正常行駛，其結(jié)果如圖6小車(chē)正常前進(jìn)示意圖。

當(dāng)左側(cè)超聲波測(cè)量距離低于30cm時(shí)，左側(cè)超聲波檢測(cè)到障礙物，此時(shí)小車(chē)應(yīng)該向右側(cè)轉(zhuǎn)彎，如圖7為左側(cè)避障結(jié)果示意圖。

當(dāng)超聲波檢測(cè)到障礙物距離小于10cm時(shí)，小車(chē)會(huì)直接停止，從而達(dá)到避障目的，因?yàn)榇藭r(shí)小車(chē)已經(jīng)無(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)彎。此種情況適用于突然出現(xiàn)的障礙物，如在小車(chē)行駛過(guò)程中，可以用手來(lái)模仿突然出現(xiàn)的障礙物，如圖8為小車(chē)停止避障示意圖。

然后測(cè)試小車(chē)的尋跡功能，在仿真時(shí)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器電阻阻值，來(lái)模擬檢測(cè)黑線，當(dāng)降低右側(cè)電阻阻值時(shí)，根據(jù)尋跡過(guò)程分析可知，此時(shí)表示右側(cè)紅外傳感器檢測(cè)到了黑線，說(shuō)明此時(shí)小車(chē)位置偏左，需要向右轉(zhuǎn)，如圖9為右側(cè)尋跡示意圖。

同理，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器上電阻阻值來(lái)模擬檢測(cè)黑線，當(dāng)降低左側(cè)電阻阻值時(shí)，根據(jù)尋跡過(guò)程分析可知，此時(shí)為左側(cè)紅外傳感器檢測(cè)到了黑線，說(shuō)明此時(shí)小車(chē)位置偏右，需要向左轉(zhuǎn)。通過(guò)仿真測(cè)試可知，AGV系統(tǒng)能夠順利的完成行走、避障、尋跡等典型功能，這些功能測(cè)試為變電智能運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）本文針對(duì)變電站智能運(yùn)載需求提出了一種適用于變電站內(nèi)部的智能運(yùn)載機(jī)器人AGV小車(chē)的基本構(gòu)型，開(kāi)發(fā)了智能運(yùn)載機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型。

（2）本文針對(duì)智能運(yùn)載機(jī)器人的控制需求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的機(jī)器人控制系統(tǒng)和自主避障和自主尋跡模塊，為機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

（3）在PROTEUS軟件中對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了AGV小車(chē)自主尋跡，自主避障功能電路設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

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Design and Simulation Research of Intelligent Carrier Robot System for

Substation Maintenance

YAN Yu1，2， KANG Wen1，2， XIAO Yi1，2， GONG Chuang3， JIANG Wei3

（1. State Grid Hunan EHV Substation Company， Changsha Hunan 410004， China; 2. Substation Intelligent Transportation and Inspection Laboratory of State Grid Hunan Company， Changsha Hunan 410004， China ; 3. School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430073， China）

Abstract：In order to improve the level of intelligent operation of substation maintenance， reduce the labor intensity of manual operation， and reduce the risk of personnel operation. This paper proposes a system design method for a substation maintenance intelligent carrier robot， develops a virtual prototype model of the robot， and focuses on the design of the robot's hardware control system， especially for the robot's motion function， tracking function， The important modules such as obstacle avoidance function are analyzed in depth. Finally， on the basis of the hardware design scheme， the single-chip microcomputer is used as the main control chip of the robot， and simulation research is carried out in PROTUES software. The obstacle avoidance function is simulated and studied. The simulation results show that the designed system can better realize the above functions. The design and simulation research of the intelligent carrier robot system for substation maintenance in this paper has laid a theoretical foundation for the development and optimization of the physical prototype of the system. The practical research of intelligent carrier robot for substation maintenance has important theoretical significance and practical application value.

Keywords：substation; intelligent delivery robot; system design; PROTEUS simulation

（責(zé)任編輯：周莉）

*通訊作者：江維（1984-），男，講師，博士，研究方向：電力作業(yè)機(jī)器人.

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司科技項(xiàng)目（5216A3220004）.