多功能變電站搜救機器人系統設計

周 宇，斯文麒

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司,江蘇 南京210000；2.杭州東部信必優服務外包有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

電力作為我國國民經濟發展和居民日常生活的能源來源，在整個社會發展中起到了舉足輕重的作用，而變電站是保障整個電力系統安全穩定運行的重要環節。隨著變電站綜合自動化程度不斷提高，由電氣設備本身因素以及外界環境天氣等因素誘發的電力火災事故日漸增多。電力火災事故一旦發生，其危險性大且涉及范圍廣，因此災害現場的信息獲取成為制定滅火救援計劃的前提和關鍵[1]，而變電站搜救機器人成為救援工作中不可缺少的輔助裝置[2]。

在傳統的救援中，當事故發生后，消防救援人員被派到事故現場直接進行滅火搜救。然而變電站內部設備眾多且情況復雜多變，消防救援人員通常不知道火災內部的實際狀況，在事先沒有檢測到環境信息的情況下進入變電站內部，對救援人員來說是非常危險的。基于這種情況，變電站搜救機器人憑借自身獨有的優勢，可以快速地投入到搜救工作中，從而為滅火營救工作帶來極大方便。

為此，在分析和研究變電站搜救機器人的應用環境和技術要求的基礎上[3]，從軟硬件結合的角度出發，對可以搭載多種傳感器進行環境信息采集的變電站搜救機器人系統進行了深入研究。首先，搭建了以STC12C5A60S2芯片為控制核心的變電站搜救機器人硬件平臺；其次，通過對井下無線通信技術的選擇對比，選擇了應用于變電站搜救機器人的Wi-Fi通信方案；然后，利用LabVIEW軟件編寫了上位機控制平臺，并分析了搜救機器人視頻采集、車體姿態3D顯示以及模擬雷達技術，開發出一種多功能變電站搜救機器人系統，可實現視頻監控和遠程控制。

1 系統整體方案設計

本次變電站搜救機器設計過程中，需要滿足在Wi-Fi環境下數據傳輸、上位機的視頻監控顯示和遠程控制的功能[4]。整個系統由上位機監控平臺、Wi-Fi無線傳輸模塊、運動控制部分、傳感器采集部分和視頻采集部分構成。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

由圖1可知，傳感器采集部分負責采集：事故現場數據信息，如溫度、有毒氣體濃度、磁場變化、視頻信息；自身數據，如車體運行姿態、攝像頭姿態和電池電壓等。將采集到的數據通過Wi-Fi無線傳輸模塊傳輸到上位機監控平臺，上位機監控平臺以電腦為基礎，負責對采集的數據進行處理，完成整個系統的數據傳輸和視頻監控工作。PC上位機監控平臺上通過Wi-Fi無線模塊發出相應的數據指令給單片機處理器，處理器根據相應指令完成對機器人電機、舵機和車燈的控制，完成整個系統的遠程控制工作。

2 系統硬件選型與電路設計

硬件系統主要是由控制系統、傳感器模塊、電源模塊、電機驅動電路、舵機和攝像頭等模塊構成。

2.1 控制系統的選擇

本次設計采用STC公司的STC12C5A60S2作為主要的控制核心，該控制芯片內部資源豐富，運算速率快且抗電磁干擾能力強。擁有8路AD，2路PWM波和2路串口。芯片容量為60 KB的ROM，1 280 B的RAM，基本可以滿足大容量程序下載，無需再接存儲芯片。其功耗較低，性價比高，適合作為本系統的開發平臺。控制系統原理如圖2所示。

圖2 控制系統原理

2.2 傳感器模塊選型

變電站搜救機器人需要在環境惡劣的火災現場工作，不僅需要采集事故現場數據信息，而且還需采取車體運行數據回傳給上位機。因此，精度和穩定性可作為傳感器選型的重要原則[5]。

溫度是火災現場是否正常的重要參考因素，測量現場溫度變化，可采用的傳感器有溫度計、熱電偶和熱電阻傳感器等。溫度計測量簡潔方便，但因為不能產生電信號，后續的數據處理與報警無法實現。熱電阻傳感器的種類很多，應用的領域也相當廣泛，但存在熱響應慢、耐振動和耐沖擊性差、成本同比較高的缺點。通過綜合比較，本設計采用半導體溫度傳感器DS18B20，它具有體積小、穩定性好、精度高和操作簡單等優點，符合變電站搜救機器人傳感器選型要求[6]。

火災現場環境多變、搜救路線復雜，為了防止車輛翻車，必須利用角度傳感器實時了解機器人的車身姿態。本設計采用MMA7260傳感器芯片。其優點是體積小、靈敏度高，可以監測X，Y，Z三軸加速度值。不同的角度其輸出的各軸電壓值不一樣，因此根據不同的電壓值可以確定車體所對應的角度。

機器人運行期間會遇到許多障礙物，由于屬于遠程操控，攝像頭的探視角度有限。操作者不可能完全了解當時的周圍環境，從而很好地進行避障操作。所以為了救援機器人更穩定的運行，本設計用超聲波傳感器和舵機制作了一個避障模塊，可以180°探測小車前方障礙，并把數據傳給上位機終端，實時顯示當前環境。本設計選用的超聲波傳感器為HC-SR04，其具有精度高、體積小和使用方便的特點。非接觸距離可以提供20～400 cm感應范圍，測距精度達到3 cm。

機器人在現場運行時，操作員是無法判斷現場方向的，但有時必須知道具體方向才可以詳細了解火災現場情況，所以有必要通過指南針傳感器加以判斷。而且變電站內如果周圍有一些異常，會影響周圍電磁場分布，機器人探測到后反饋給上位機顯示。因此，可以在事故分析時提供一些有用的操作依據。本設計采用的是IIMC58831指南針傳感器，具有靈敏度和線性精度高的優點。

2.3 電源模塊設計

搜救機器人在變電站內部工作時，要靠電能來維持其正常工作。本設計相對于傳統的變電站搜救機器人電纜供電方式，采用電池直接供電，因此搜救機器人可以行駛更廣的范圍。本設計中為了保證機器人可以在現場可靠工作并且有很好的續航能力，設計了一套穩定的供電系統。供電方案如圖3所示。

圖3 系統供電方案

根據圖3所示，為了保證救援機器人可以持續工作1 h以上，本設計選用鎳鎘電池，其輸出電壓為7.2 V，電量為2 700 mA·h，2塊電池串聯提供14.4 V電壓。

由于不同的芯片或電子元器件需要不同的電壓來驅動使能，故本設計中所涉及到的芯片或電子元器件，總共需要3種工作電壓：單片機和傳感器需要5 V的電壓環境；舵機需要6 V的電壓環境；無線Wi-Fi模塊需要的是12 V的電壓環境。

由于單片機模塊和各個傳感器模塊需要5 V電壓供電，且所用電流之和不超過1 A，所以本設計采用5 V電壓芯片LM2940。其電路原理如圖4所示。

圖4 LM2940原理

本設計中采用3個Futaba舵機，3個舵機總電流為1.5 A，所以本設計采用的電壓芯片為LM7806。其電路原理如圖5所示。

圖5 LM7806原理

路由器所用電壓為12 V、電流為1 A，根據要求及成本選用的芯片為LM7812。由于LM7812供出大電流時會發熱，所以選加散熱片進行散熱。其電路原理如圖6所示。

圖6 LM7812原理

2.4 電機驅動電路

救援機器人靠兩邊的電機帶動履帶完成前進與轉彎等動作，因此需要驅動電路對電機進行控制。本設計選用驅動芯片為BTS7960，其優點是驅動電流大，驅動方式簡單，電路搭建方便。

使用4個BTS7960驅動芯片驅動2臺直流電機，分別為JK1和JK2。單片機P1.3和P1.4連接到BTS7960使能端，輸出可用于電機速度控制的PWM脈沖寬度調制信號。STC12C5A60S2引腳P2.5輸出5 V，引腳P2.4輸出0 V，馬達JK1正向旋轉(當P2.5引腳輸出0 V，引腳P2.4輸出5 V，馬達JK1反向旋轉)。控制第2個電機采用同樣的辦法，單片機P2.1輸出高電平，單片機P2.3輸出低電平，電機JK2正轉(反之則反轉)。BTS7960驅動模塊電路原理如圖7所示。

圖7 BTS7960驅動模塊電路原理

3 系統軟件設計

軟件設計是機器人智能化的體現[7]，系統軟件設計分為下位機軟件和上位機軟件2個部分。下位機軟件程序包括多個子程序：控制程序實現電機調速、舵機轉動和車燈的開斷控制；傳感器采集程序完成傳感器循壞采集工作；串口通信程序控制單片機和路由通過TTL串口建立通信。上位機則采用NI公司的LabVIEW作為開發平臺。系統軟件主體流程如圖8所示。

圖8 系統軟件的構成

3.1 無線路由模塊

路由作為整個系統的通信樞紐，本設計中使用的無線Wi-Fi通信模塊由路由器DB120-WG改造而來。該路由性能穩定、傳輸范圍廣且支持OpenWrt[8]。OpenWrt是一個基于Linux的開源路由固件[9]，提供了一個完全可寫的文件系統和軟件包管理。為了滿足本系統設計要求，對路由進行固件升級，刷新ser2net和MJPG-Streamer固件。ser2net可以將Wi-Fi模塊所接收到的來自上位機的控制數據，由網絡數據轉化成串行數據傳至單片機，進而實現相應的控制操作。MJPG-Streamer固件可以通過HTTP的形式訪問Linux系統，從而可以使攝像頭采集的視頻信息通過TCP/IP網絡協議傳輸到上位機進行顯示。

3.2 上位機監控設計

系統上位機監控軟件[10]采用LabVIEW作為開發平臺。與傳統的開發環境，如VB和C語言使用英文字母編寫代碼相比，LabVIEW使用的是易于理解的圖形化的開發語言，使用靈活、工作效率高。本系統上位機設計界面如圖9所示。

圖9 上位機監控主界面

根據圖9可知，主界面包括視頻顯示區域、車速顯示面板、3D車體姿態顯示區域、避障雷達顯示模塊、傳感器數據顯示區域和控制按鍵區域。

視頻顯示區域位于界面正中央，用于實時顯示攝像頭監控的現場視頻數據。

傳感器數據顯示區域位于界面的左上方，以圖形的方式顯示經過換算后的溫度、有毒氣體濃度和電壓值。通過對溫度、有毒氣體濃度和電壓值上限及下限的設計，在超出指定范圍時，單片機會發出警報，并且指示燈會閃爍。

3D車體姿態顯示區域位于界面左下方，用于顯示車體的實時姿態，整個3D圖片先用SoildWorks軟件進行繪制生成vhrl文件[11]，然后直接用LabVIEW調用。

避障雷達顯示模塊位于界面右上方，用于顯示障礙物位置。本設計運用超聲波傳感器和舵機模擬雷達探測器的功能。單片機接收超聲波數據，然后通過串口把角度和超聲波數據傳給電腦終端。在電腦終端上直接調用相位圖顯示，用綠色圓點代表障礙物，從而達到機器人避障作用。

車速顯示面板位于界面右下方，用于顯示機器人實時車速。

控制按鍵區位于界面正下方，通過按鍵可以調整舵機轉動角度、啟動視頻的錄制和保存圖片。

4 系統測試

系統開發完成后，為了驗證機器人的整體設計性能，通過對軟硬件性能指標進行全方位檢測與調試。各性能評價指標值如表1所示。

表1 系統性能評價指標值

機器人實物樣機如圖10所示。經過多次測試實驗，并結合表1和圖10可知：系統采用全金屬履帶式底盤和2個直流電機驅動，移動性能穩定、操控靈敏、移動速度快、移動范圍廣且適應多種地形；采用高清網絡攝像頭，視頻像素高、回傳信號清晰且響應速度較快；滿足搜救機器人視頻監控和遠程控制的需求。

圖10 機器人實物樣機

5 結束語

從軟硬件結合的角度出發，設計了一種多功能變電站搜救機器人，選擇性價比高、性能穩定的STC12C5A60S2單片機作為主控制器搭建硬件平臺，選擇無線Wi-Fi技術作為通信方案，利用LabVIEW制作了上位機監控平臺。系統完成后經過測試表明，本設計既可以實時獲取攝像頭監控圖像、顯示各個傳感器采集的參數，也可以對機器人進行遠程控制。

與傳統的搜救機器人相比，本文設計的變電站搜救機器人結合了多傳感器信息融合技術、無線通信技術和上位機技術，系統結構簡單、功能齊全、智能化程度高且性能穩定可靠，為變電站事故災后救援工作提供了一種快速有效的輔助手段。