巡檢機(jī)器人塔上充電站設(shè)計(jì)

陳麗霞，林 杰，張 焰，盧 海，吳 炅，徐 研，胡 燃，陳奕凡

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州供電局輸電管理一所，廣東 廣州 510000）

1 巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)采用兩塊36 V/450 W的單晶硅太陽能電池板和外轉(zhuǎn)子24 V/400 W的三相交流永磁發(fā)電機(jī)作為發(fā)電裝置，24 V/300 （A·h）的磷酸鐵鋰電池作為儲能裝置。在發(fā)電裝置增加風(fēng)光互補(bǔ)控制器和充電站控制單元，改進(jìn)充電模組的電控系統(tǒng)，優(yōu)化充電模組機(jī)械結(jié)構(gòu)[1]。自動(dòng)充電結(jié)構(gòu)安裝在巡檢機(jī)器人移動(dòng)平臺上，當(dāng)巡檢機(jī)器人需要充電時(shí)，機(jī)器人按照指令移動(dòng)到充電室指定位置，自動(dòng)充電機(jī)構(gòu)進(jìn)行充電對接操作。充電完成后，機(jī)器人自動(dòng)充電結(jié)構(gòu)斷開電器連接。巡檢機(jī)器人充電的過程中會對其充電結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，這樣可以保證充電過程安全可靠[2]。

風(fēng)光互補(bǔ)控制器分為數(shù)據(jù)采集和能量管理兩部分。其中，數(shù)據(jù)采集借助外接高精度電流、電壓以及溫度傳感器獲取發(fā)電模組各個(gè)組件的工作狀態(tài)，并提供過流、過壓、欠壓、過載、短路及溫度等多重保護(hù)；能量管理是通過最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）充電控制器，使發(fā)電裝置以最大的功率給蓄電池充電，在發(fā)電裝置和蓄電池的負(fù)端串入功率MOSFET，提供強(qiáng)大的控制能力和保護(hù)能力[3]。

1.2 充電模組設(shè)計(jì)

變電站巡檢機(jī)器人采用客戶端與服務(wù)器連接的系統(tǒng)模式，其中客戶端通過與主控室的計(jì)算機(jī)服務(wù)器進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)對巡檢設(shè)備以及巡檢機(jī)器人動(dòng)作的控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括定位導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集和傳輸，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接的形式來實(shí)現(xiàn)。并且無線網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)通信與傳輸時(shí)，需要具備較高的帶寬，具有較高的實(shí)時(shí)性，能夠提高抗干擾能力與可靠性[4]。

充電站控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控輸入輸出信息，可通過RS485通信接口獲取風(fēng)光互補(bǔ)控制器和充電模塊各組件的工作狀態(tài)，對數(shù)據(jù)保存生成日志。通過WiFi通信接口將數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)，同時(shí)可從后臺系統(tǒng)接收控制指令，獲取機(jī)器人的狀態(tài)信息，從而對整個(gè)巡檢機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置進(jìn)行控制，使整個(gè)系統(tǒng)可以長久、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行[5]。

新的充電站將在導(dǎo)槽的前端兩側(cè)增加機(jī)械凹槽，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入充電站時(shí)，機(jī)械鎖可以準(zhǔn)確落入機(jī)械凹槽，使得充電站具備對機(jī)器人自身鎖定機(jī)構(gòu)的加固結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)機(jī)器人鎖定機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，延長機(jī)器人自鎖裝置的使用壽命，減少故障率。在機(jī)械凹槽內(nèi)增加機(jī)器人鎖定機(jī)構(gòu)的脫離裝置，當(dāng)機(jī)器人自身的機(jī)械鎖發(fā)生故障時(shí)，遠(yuǎn)端控制可以遠(yuǎn)程操作充電站凹槽內(nèi)的推起裝置，將機(jī)器人機(jī)械鎖推起進(jìn)行解鎖，保證機(jī)器人可以正常取下維護(hù)或者緊急執(zhí)行任務(wù)。充電站采用框架式輕量化設(shè)計(jì)，并使用鋁合金材料以及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computer Numerical Control，CNC）加工工藝，大幅度減輕其重量[6]。

2 充電站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電站控制系統(tǒng)為多鏈路通信方式，采用RS485總線和WiFi通信接口，通信協(xié)議具有循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）。另外制定巡視機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置整體充放電方案[7]。

充電站控制系統(tǒng)不僅可以通過RS485總線與風(fēng)光互補(bǔ)控制器和充電模組控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取太陽能電池板發(fā)電量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量、電池剩余電量、充電站用電量、機(jī)器人用電量以及個(gè)各模塊的工作狀態(tài)信息等，保存數(shù)據(jù)生成日志。而且可以通過無線WiFi通信接口接入到后臺系統(tǒng)，從后臺系統(tǒng)獲取機(jī)器人的狀態(tài)，接收后臺系統(tǒng)的控制指令，然后轉(zhuǎn)發(fā)到風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)或充電模組電控系統(tǒng)，控制發(fā)電裝置和充電模組的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電裝置電源的通斷、負(fù)載電源的通斷、充電模組的電源通斷、無線充電系統(tǒng)的電源通斷，使巡視機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置可以長時(shí)間穩(wěn)定且可靠地運(yùn)行[8]。

充電站控制系統(tǒng)除了提供RS485通信接口和無線WiFi接口外，還提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232、USB、CAN等有線通信接口以及藍(lán)牙或ZigBee等無線通信接口，便于擴(kuò)展通信方式，可以方便遠(yuǎn)程或現(xiàn)場獲取巡檢機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行信息，控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為現(xiàn)場檢修、排除故障提供數(shù)據(jù)檢測和安全保障。不僅如此，還提供多重保護(hù)功能，其中包括漏電保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、過欠壓保護(hù)、防浪涌保護(hù)以及防反接保護(hù)等。

此外，充電站控制系統(tǒng)采用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙路供電輸入，當(dāng)無光有風(fēng)時(shí)，使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)給巡檢機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置系統(tǒng)供電；當(dāng)有光無風(fēng)時(shí)，使用太陽能電池板給巡檢機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置系統(tǒng)供電；有風(fēng)有光時(shí)，同時(shí)使用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)給巡檢機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置系統(tǒng)供電。當(dāng)電池電壓高于29.6 V（即蓄電池滿電量）時(shí)，充電站控制系統(tǒng)自動(dòng)切斷電池充電MOS管，停止給蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓低于25.2 V（或蓄電池電量為80%）時(shí)，充電站控制系統(tǒng)自動(dòng)打開電池充電MOS管，開始給蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓低于22.2 V（或蓄電池電量為20%）時(shí)，切斷無線充電系統(tǒng)的電源輸入和網(wǎng)橋通信負(fù)載供電MOS管，保持太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的供電輸入，確保發(fā)電裝置能正常給蓄電池充電，風(fēng)光互補(bǔ)控制器、充電站控制系統(tǒng)、充電模組電控系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，關(guān)閉藍(lán)牙和WiFi通信；當(dāng)電壓恢復(fù)到23 V（或蓄電池電量為40%）時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)控制器、充電站控制系統(tǒng)、充電模組電控系統(tǒng)恢復(fù)正常工作模式，打開藍(lán)牙、WiFi通信，打開網(wǎng)橋通信負(fù)載供電MOS管，并從后臺系統(tǒng)獲取機(jī)器人的電池狀態(tài)，判斷是否需要打開無線充電系統(tǒng)給機(jī)器人充電。此外，機(jī)器人的充電分時(shí)段進(jìn)行，20：00-24：00充電一次，06：00-10：00充電一次，13：00-14：00充電一次。

為提高巡檢機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置上通信系統(tǒng)的抗干擾能力和通信接口的防護(hù)能力，所有通信接口采用符合各個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器，對通信模塊進(jìn)行電源和信號采用數(shù)字隔離，外置靜電釋放（Electro-Static Discharge，ESD）二極管以及瞬態(tài)二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）進(jìn)一步保護(hù)，并且通信協(xié)議具有CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤自動(dòng)重發(fā)送。下面以RS485通信接口為例，講述通信鏈路的設(shè)計(jì)方案和保護(hù)措施。

巡檢機(jī)器人塔上電源供應(yīng)裝置上的RS485通信接口均使用菊花鏈連接其節(jié)點(diǎn)，也稱為合用線或總線拓?fù)洹Ｔ谶@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所使用的驅(qū)動(dòng)器、接收器以及收發(fā)器通過短網(wǎng)存根接入主干線。接口總線用于半雙工傳輸，其總線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

RS485通信使用符合RS485標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器，可在54 Ω負(fù)載上提供不小于1.5 V的差分輸出以及符合該標(biāo)準(zhǔn)的接收器，可檢測到低至200 mV的差分輸入。即使在電纜和連接器信號嚴(yán)重衰減的情況下，這兩個(gè)值仍能為高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸提供充足的余量。RS485規(guī)定的最低總線信號電平如圖2所示。采用雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，外部干擾源會以共模方式均等地耦合到兩根信號線上，這些噪聲會被差分接收器過濾掉，從而穩(wěn)健而可靠的傳輸數(shù)據(jù)[9]。

圖2 RS485規(guī)定的最低總線信號電平

此外，系統(tǒng)對RS485總線進(jìn)行信號及供電電源隔離，如圖3所示，能夠容忍數(shù)千伏接地電勢差，并且可長距離傳輸?shù)腞S485數(shù)據(jù)。另外，RS485通信協(xié)議具有校驗(yàn)功能。

圖3 具有單接地基準(zhǔn)的兩個(gè)遠(yuǎn)程收發(fā)信站的隔離

充電站控制系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)的端到端數(shù)據(jù)處理時(shí)延≤0.8 s，常規(guī)控制指令、數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時(shí)間≤4 s，一般畫面調(diào)出響應(yīng)時(shí)間≤2 s，過壓、過流保護(hù)時(shí)間＜0.1 s，過溫保護(hù)時(shí)間≤0.8 s；電壓檢測誤差＜2%，電流檢測誤差＜2.5%，溫度測量誤差＜2.5%，電量統(tǒng)計(jì)誤差＜1‰。塔上充電站電源充電模塊具有防雷、防浪涌以及防突波保護(hù)，采用2 000 V直流電氣隔離接口，內(nèi)建2 kV浪涌保護(hù)，電源和通信接口提供了電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）可靠保護(hù)。嚴(yán)密設(shè)計(jì)給內(nèi)部元件提供安全的工作環(huán)境，防水防塵設(shè)計(jì)能夠輕松應(yīng)對雨雪天氣[10]。

3 結(jié) 論

巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)的發(fā)電模組中集成可回傳自身狀態(tài)的通信裝置，使得發(fā)電模組的發(fā)電量和蓄電量利用情況實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)與分析，可以對充電狀態(tài)做到全程防護(hù)，極大保障了巡檢機(jī)器人的電量供應(yīng)。此外，巡檢機(jī)器人充放電控制系統(tǒng)用于機(jī)器人無人自動(dòng)管理充放電能夠達(dá)到無人自動(dòng)化、充分利用資源的目的，該充電系統(tǒng)可推廣至無人機(jī)、機(jī)器人以及新能源汽車等領(lǐng)域，前景較為廣闊。