基于MFC的變電站巡檢機器人系統研制

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備進行例行巡檢，是電力設備狀態檢測領域的一個重要發展趨勢。針對目前巡檢機器人面臨的自主行走精度不高、系統穩定性與結構緊湊性差的問題，文中研制了以STM32芯片為控制核心、以磁軌道和PID調速為行進方式、以射頻識別（RFID）為定位手段的巡檢機器人系統，采用微軟基礎類庫（MFC）應用程序開發出一套集多維運動方式控制、多種傳感數據融合、多光譜通道掃描顯示和故障診斷為一體的系統監控軟件。實驗結果表明，巡檢機器人能夠按照預定路線對線路上的設備進行自動檢測，并向運維人員提供基本數據與報表，實現對變電站設備巡檢的目的。系統的綜合性能滿足應用要求，應用前景較好。

關鍵詞：變電站；機器人；智能監測；MFC

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

0 引 言

對變電站設備進行例行巡檢是保障電力設備安全穩定運行的常規手段[1-3]。隨著電網規模的不斷擴大，設備的數量和種類越來越多，但在現有電力體制下，運維人員的數量將保持長期穩定，運維人員數量不足與設備數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備狀態檢測領域面臨的極為重要的課題，也成為設備狀態檢修策略深入推進的重要基礎。利用巡檢儀器對設備進行自動巡檢成為該領域一個重要的發展趨勢。近年來，傳感器技術、人工智能技術以及機器人技術的高速發展，為電力巡檢特種機器人的研制奠定了堅實的基礎。電力行業領域對巡檢機器人的實際應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用取得了較大發展，但依舊停留在示范應用階段[4-5]，在實際應用過程中，仍面臨較多的問題。如智能化水平雖較高，但系統不夠穩定；對復雜環境的適應能力較弱，不能長時間按照預定軌道精確行走；信息融合處理技術有待提升等[6-7]。

本文研制了以STM32芯片為控制核心、以磁軌道和PID調速為行進方式、以RFID為定位手段的巡檢機器人系統。采用MFC應用程序開發出一套集多維運動方式控制、多種傳感數據融合、多光譜通道掃描顯示和故障診斷為一體的系統監控軟件。在滿足巡檢機器人基本功能和性能的前提下，通過模塊化設計與MFC程序基礎類庫調用[8]，進一步提高巡檢機器人結構的緊湊性和系統的穩定性。

1 硬件控制及功能分析

變電站巡檢機器人總體系統結構如圖1所示，它具有三層式結構，即遠程監控，無線傳輸和移動車體檢測?？蛻暨h程監控軟件系統用于接收采集數據、發布控制指令以及后期生成報表。通過工業級無線AP連接移動車體與遠程監控計算機，互相接收并發送數據。機器人本體包含了網絡集成器，視頻傳輸系統，移動運動控制系統等。

1.1 系統整體結構

變電站巡檢機器人外觀及硬件系統結構如圖2所示。機器人頭部包含可見光攝像頭與紅外熱像儀，可實現遠程視頻監控、電力設備熱故障診斷、儀表讀數等[9]。機器人身體為云臺，主要功能為帶動頭部進行上、下、左、右旋轉，調整拍攝視角。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為系統核心，接口包括CAN總線、網絡接口、RS 485、RS 232、繼電器、數字與模擬拓展口。為實現不同的功能，根據不同的接口，相對應地接入功能器件。

1.2 系統運動控制

巡檢機器人系統底盤采用雙輪前驅，通過電磁傳感器跟隨磁軌道進行自主行走，配合RFID定位裝置，實現路線位置的識別。為滿足實際巡檢需要，將車體行駛速度設定為1m/s，爬坡能力高于30°，連續行走運行時間超過5小時。受環境路面凹凸不平、坡度、轉彎、啟停的影響，機器人系統的實際行進過程并不能按預定時間與路線進行。為保證車體的相對穩定、平衡，并提升巡檢效率，需要系統依據實際位置和環境情況對速度進行動態控制，因此，系統速度采用閉環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為比例調節系數，Ti和Td分別是PID控制中的積分時間和微分時間。

系統導航方案原理框架如圖4所示。

選擇自主巡檢模式后，轉角編碼盤實時反饋小車行進速度，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調節得到輸出量u（t）。u（t）被送到執行機構，通過PWM功率調節器來調節電機功率的輸入，從而實現驅動輪的差速轉彎與勻速前進。

本文設計加入了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定軌跡行走，到達路口處RFID讀卡器對RFID標志位進行讀取與識別，按控制系統設定實現車體直行與轉彎?？刂葡到y在路口設定轉彎路線的同時，也預定了移動車體的左轉、右轉與直行的雙輪速度目標值。在車體行進過程中，得到速度目標值，經PID調節，輸出功率可匹配當前實際速度，實現了平滑轉彎與勻速直行。行進至停車檢測點，讀取RFID標志位信息，實現定時定點停車及設備檢測。

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據，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工業級車載一體化無線網橋，TDMA（時分多址）通信協議[11]的通訊速率可達40 Mb/s，可視傳輸距離可達1 000 m以上，能實現移動站與多基站連接的快速切換。通過多基站的設定與連接，可實現大范圍內計算機與移動機器人的實時通訊。

2 軟件系統工作方式

本文設計的巡檢機器人系統軟件包括基站系統、移動站系統與雙光譜系統?；鞠到y運行在MFC系統下，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到上位機客戶端。移動站系統以STM32為控制核心，采用C++編程，經Socket接收指令完成相關動作[12]。雙光譜系統以廠家提供的SDK開發包為基礎，通過主程序的調用以實現特定目標。

2.1 基站系統結構分析

基站系統也稱為上位機客戶端，可以遠程控制機器人，以實現對機器人現場巡檢作業的監控。系統設計大致分為四部分，即界面設計，文件操作，多媒體應用，數據庫。界面設計作為人機交互界面，是整個系統的控制面板，包含了大部分操作指令的控制與雙光譜系統視頻的呈現。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送控制指令，進而完成對機器人的整體操控。雙光譜系統、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用。數據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鍵系統文件及其作用如圖6所示。

本文設計的MFC程序主體思想是進入主程序之后，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。三者須統一網段，本設計統一為192.168.192.XX。經網絡配對，連接總IP地址，進入主界面（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）設置紅外熱像儀與可見光攝像機的IP 地址。調用Resource中紅外熱像的SDK 和可見光的SDK ，實現對兩者的綜合管理，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，運用 SendDataInSocket來實現接收、發送指令。指令主要包括小車行駛模式的串口指令、云臺轉動指令、視頻錄像與拍照、RFID標簽識別與設定等。

2.2 移動站巡檢系統流程

本文設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。

系統連接后，在MFC應用界面進行模式選擇，選擇智能巡檢模式時，機器人按照預定軌跡行走，當遇到障礙物時停車，否則繼續行走。經RFID標志位識別到達指定位置，然后開啟雙光譜系統對電力設備進行檢測。將獲得的電力設備紅外圖像、可見光圖像傳輸至上位機。如果巡檢結束，則等待下一步命令，否則按磁軌跡引導，走向下一個指定點。當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送指令。當變電站巡檢機器人到達指定位置后，進行雙光譜圖像拍攝與圖像傳輸。巡檢作業未完成則返回模式選擇，重新選定模式，否則結束巡檢。

3 測試與運行結果分析

實際測試中的系統軟件開發界面包含紅外與可見光兩個視頻顯示窗口、模式控制指令區域、可見光控制指令區域、小車控制指令區域、紅外控制指令區域等。系統軟件開發界面如圖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。利用本系統機器人對電力設備進行檢測，獲得的3組熱故障設備圖像如圖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相發熱，圖9（b）為B相開關側接頭發熱，圖9（c）為隔離開關動靜觸頭發熱，都是接觸不良引起的熱故障。雙光譜圖對比與呈現效果表明：可見光圖像利于設備識別和人眼觀看；紅外圖像利于設備熱故障診斷[13]。實踐結果表明，本文設計能夠按照預定路線對線路上的目標電力設備進行可見光與紅外圖像采集，提升巡檢效率。

4 結 語

本文根據當前自動化設備發展及電力市場的需要，研制出一種以磁軌道和PID調速為行進方式、以RFID為定位手段的巡檢機器人系統。采用MFC應用程序開發出一套集多維運動方式控制、多種傳感數據融合、多光譜通道掃描顯示和故障診斷為一體的系統監控軟件。本文設計在滿足基本巡檢功能的基礎上，采用模塊化設計，提高了巡檢機器人結構的緊湊性，同時降低了研發難度。通過在變電站現場實際測試，能夠實現目標電力設備雙光譜圖像采集，實現自主導航，達到了系統設計的要求。本套巡檢機器人系統為電力設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。

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