變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙璠璠

（山西西山藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024）

1 研究背景

隨著電力行業(yè)智能化的普及應(yīng)用，對(duì)智能巡檢機(jī)器人也進(jìn)行了大力的推廣。變電站是連接各個(gè)電網(wǎng)的樞紐，變電站的安全運(yùn)行直接決定了電網(wǎng)的正常運(yùn)行，因此變電站的巡檢工作顯得十分重要。以往人工巡檢中巡檢工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、工作效率低，在惡略天氣下巡檢還容易出現(xiàn)差錯(cuò)，因此使用智能巡檢機(jī)器人就顯得至關(guān)重要。智能巡檢機(jī)器人具有自主導(dǎo)航定位、檢測(cè)固定點(diǎn)位、上傳數(shù)據(jù)、自動(dòng)充電等一系列功能，其主要可以通過(guò)紅外識(shí)別由于電壓、電流導(dǎo)致的設(shè)備過(guò)熱等問(wèn)題，還可以檢測(cè)到設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的超負(fù)荷等情況，可以真正實(shí)現(xiàn)變電站智能檢修方案[1-2]。

2 研究現(xiàn)狀

變電站運(yùn)用智能巡檢機(jī)器人可以追溯到80 年代，日本率先開(kāi)展此項(xiàng)工作的研究。1988 年，Jun Sawada 教授研制了一款巡視機(jī)器人，主要應(yīng)用于66 kV 以上光纖復(fù)合架空地線。日本三菱公司開(kāi)發(fā)了一款基于軌道交通的500 kV 巡檢機(jī)器人。2003 年日本學(xué)者研制了一款沿軌道行駛的機(jī)器人，其具有自行充電、與后臺(tái)數(shù)據(jù)交換等功能。2008 年Wail Gueaieb 等人結(jié)合RFID 技術(shù)對(duì)機(jī)器人添加定點(diǎn)識(shí)別等功能，可以使機(jī)器人準(zhǔn)確對(duì)故障進(jìn)行定位，完成巡檢任務(wù)，并且可以通過(guò)RFID 對(duì)機(jī)器人下命令[3-4]。

3 自動(dòng)巡檢機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)模塊

本文選取巡檢機(jī)器人體積較小，動(dòng)力、制動(dòng)和傳動(dòng)裝置模塊化安裝。其中輪轂電機(jī)選取直流無(wú)刷電機(jī)，其具有調(diào)速平滑、啟動(dòng)性能優(yōu)越等特點(diǎn)。其中最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000 r/min，最大電流19 A，為保證電機(jī)安全配備相關(guān)減速機(jī)構(gòu)，方便轉(zhuǎn)速控制，最大輸出電流限制為15 A。輪轂轉(zhuǎn)向模塊選取步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)向精度高的特點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)矩也較小，不適合較大較快轉(zhuǎn)向，因此機(jī)器人行走主要在低速、低強(qiáng)度條件下進(jìn)行。輪轂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖1所示。本設(shè)計(jì)選取TMCM-1161 控制器控制步進(jìn)電機(jī)，其額定電流為2.8 A，額定電壓為24 V。減速機(jī)減速比為15∶1。

圖1 步進(jìn)電機(jī)配合減速機(jī)控制的輪轂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

3.2 主控模塊

控制系統(tǒng)是機(jī)器人行動(dòng)的核心，本設(shè)計(jì)選取STM32f407 系列控制芯片，其主要內(nèi)核為ARM Cortex-M4，具有運(yùn)行速度快、存儲(chǔ)空間大、連接串口多等優(yōu)點(diǎn)，其最多可設(shè)置17 個(gè)定時(shí)器，擁有16 個(gè)優(yōu)先級(jí)，可滿足機(jī)器人的復(fù)雜控制需求。如圖2 所示，該開(kāi)發(fā)板具有6 個(gè)獨(dú)立的USART/UART 串口，可利用USB 接口對(duì)其進(jìn)行供電，具有4 個(gè)5 V 直流輸出，8 個(gè)3.3 V 直流輸出，足夠智能巡檢機(jī)器人使用[5-6]。

3.3 通信模塊

變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要不斷收發(fā)信息，其主控模塊根據(jù)收發(fā)到的信息對(duì)其他機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制運(yùn)動(dòng)，因此通信模塊顯得尤為重要。圖3 所示為主控板通信控制示意圖。

圖2 STM32f407VET6 開(kāi)發(fā)板

圖3 主控板通信控制示意圖

本文主控板和工控機(jī)之間選取USB 轉(zhuǎn)TTL 協(xié)議進(jìn)行連接，其中USB 總線協(xié)議規(guī)定當(dāng)D+＞2.8 V、D-＜0.3 V 時(shí)為高電頻，D-＞2.8 V、D+＜0.3 V 時(shí)為低電頻。工控機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況向控制模塊發(fā)出模擬信號(hào)，根據(jù)控制器解析計(jì)算相應(yīng)的控制量，向步進(jìn)電機(jī)和輪轂電機(jī)發(fā)出指令，控制相關(guān)電機(jī)運(yùn)行。而步進(jìn)電機(jī)、輪轂電機(jī)主要是通過(guò)RS485 電平進(jìn)行通信，所以主控板通過(guò)TTL 轉(zhuǎn)RS485 模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后與相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信。為保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和快捷性，將所有設(shè)備與一個(gè)RS485 模塊相連。

3.4 其他模塊

本文選取的電源模塊為將多個(gè)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行串聯(lián)，單個(gè)電池電壓為3.2 V，串聯(lián)12 個(gè)電池后，電源電壓為38.4 V，可以滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)供電。制動(dòng)模塊選取繼電器配合急停開(kāi)關(guān)的方式進(jìn)行制動(dòng)，在遇到緊急情況下，用繼電器動(dòng)斷觸點(diǎn)可以完成大電流的切斷功能。散熱模塊，本設(shè)計(jì)通過(guò)在機(jī)器人上方開(kāi)孔的方式增加機(jī)器人散熱，并在機(jī)器人前方安裝散熱風(fēng)扇，可以避免過(guò)熱引起自燃等事故。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保證機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)需要魯棒性好、誤差小的控制策略作為保障。

4.1 輪轂角度適時(shí)控制策略

由于巡檢地形復(fù)雜，行動(dòng)中環(huán)境多變，輪轂在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)因碰撞、摩擦發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成運(yùn)行失步，隨著時(shí)間累積誤差逐漸增大。因此考慮對(duì)步進(jìn)電機(jī)添加閉環(huán)控制策略。如圖4 所示，根據(jù)指令選取目標(biāo)角度與反饋值之差，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)角度差值除以360°，確定每圈步數(shù)，通過(guò)減速機(jī)進(jìn)行減速，減速后通過(guò)電機(jī)進(jìn)行輸出。輸出角度通過(guò)角度傳感器與輸入角度進(jìn)行對(duì)比，將差值輸入系統(tǒng)，形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)輪轂的自動(dòng)校正。運(yùn)動(dòng)指令與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角度之間滿足式（1）：

圖4 角度傳感器輔助步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制

式中：s 為電機(jī)需要前進(jìn)步數(shù)，S 為電機(jī)每圈的步數(shù)，G 為減速機(jī)構(gòu)的減速倍數(shù)，θ 為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角度，φ 為當(dāng)前傳感器的返回值，φmax為傳感器最大返回值。

4.2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制策略

為保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平滑，制定一種控制策略避免機(jī)器人在啟停中因速度突變發(fā)生不必要的抖動(dòng)，以增加機(jī)器人安全性，減少機(jī)械磨損，減少定位誤差。本設(shè)計(jì)選取的控制策略為S 形控制策略，如圖5 所示。

圖5 S 形速度平滑控制算法

如圖5 所示，可以看出機(jī)器人分加速、勻速、減速三個(gè)階段，加速過(guò)程中保證加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為一常數(shù)，從而確保機(jī)器人加速階段實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。可以得出式（2）：

保證加速度倒數(shù)為常數(shù)的話，即可得出式（3）：

式中：a'為加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，m/s3；J 為某常數(shù)，代表加速度對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的值，m/s3。

通過(guò)分析結(jié)合實(shí)際情況可知，機(jī)器人每到一個(gè)點(diǎn)需要停下來(lái)對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，故機(jī)器人在一個(gè)行程周期內(nèi)需要多次啟停，通過(guò)添加控制算法可以使加速度平滑，減少機(jī)械摩擦，大大延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。

4.3 通信故障控制策略

主模塊和各個(gè)分模塊間有著自己的通信策略，例如輪轂電機(jī)收到主控板的信號(hào)后，通過(guò)指令校驗(yàn)，開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)輪轂電機(jī)與主控板通信發(fā)生故障后，主控板未接收到反饋指令，不能判斷輪轂電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，故機(jī)器人會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤報(bào)警。

基于上述問(wèn)題，本文提出一種通信故障時(shí)的控制策略，如圖6 所示。

圖6 通信失敗的診斷與應(yīng)對(duì)策略

可以看出在中斷響應(yīng)后下發(fā)指令進(jìn)行詢問(wèn)，接受到反饋信號(hào)后，判斷其校驗(yàn)是否合法，若合法則計(jì)數(shù)器計(jì)0，判斷為無(wú)故障，若不合法，則計(jì)數(shù)器加1；判斷計(jì)數(shù)器數(shù)值是否超過(guò)閾值，若超過(guò)則采取應(yīng)急措施，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行緊急停止，并上傳故障信息，若沒(méi)超過(guò)則判斷機(jī)器人可以繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文針對(duì)變電站復(fù)雜的運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)了智能化自動(dòng)巡檢機(jī)器人，其硬件設(shè)備包括運(yùn)動(dòng)模塊、主控模塊、通信模塊、電源模塊、制動(dòng)模塊等。各個(gè)模塊結(jié)合良好，通過(guò)控制系統(tǒng)運(yùn)行流暢。針對(duì)輪轂轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)，可以保證輪轂多次轉(zhuǎn)向后沒(méi)有位移誤差；針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)啟停運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以保障機(jī)器人順暢運(yùn)轉(zhuǎn)，避免機(jī)械摩擦過(guò)多導(dǎo)致機(jī)器人壽命降低；主要針對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)通信故障問(wèn)題，通信故障控制系統(tǒng)使機(jī)器人及時(shí)停止運(yùn)行，保障機(jī)械安全。