變配電智能應急操作機器人控制系統(tǒng)設計

吳焱明，趙士豪，郜 雄，詹 晨

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

牽引變電所作為電氣化鐵路的核心環(huán)節(jié)，在電氣化鐵路運作過程中起著極其重要的作用[1]。牽引變電所的設備復雜，設備良好和可靠的運行狀態(tài)對于保障鐵路運輸十分重要[2]。因此，做好設備的日常維護與緊急情況下對電氣控制柜的準確操作，及時消除牽引變電所內(nèi)的電氣安全隱患[3-5]，是保證牽引變電所穩(wěn)定運行的首要任務。為此設計了一種智能應急操作機器人控制系統(tǒng)，可遠程發(fā)送指令使該機器人自主移動至指定操作對象前，并按指令精準地操作電氣柜上的電氣元件。應急操作機器人采用自動控制、多種類傳感、圖像識別、遠程通訊等技術(shù)，通過遠程的任務下達并結(jié)合現(xiàn)場信息反饋，實現(xiàn)牽引變電所全天候、全方位、全自主的智能應急操作。機器人硬件與基礎電氣平臺已搭建完畢，現(xiàn)對其控制系統(tǒng)進行開發(fā)設計[6]。

1 智能應急操作機器人工作原理

智能應急操作機器人硬件結(jié)構(gòu)主要由升降總成、操作總成、控制柜和移動小車(AGV)組成[7]，如圖1所示。

1-移動小車；2-操作總成；3-升降總成；4-控制柜

升降總成負責實現(xiàn)操作平臺豎直方向的升降功能；操作總成搭載機械手和工業(yè)相機，相機用于圖像識別與定位，機械手負責執(zhí)行操作任務。機器人通過工業(yè)相機定位操作對象，將機械手對準操作對象后操作總成向前移動執(zhí)行操作。控制柜內(nèi)布置機器人控制系統(tǒng)所需的各類電器元件，如PLC、伺服驅(qū)動器等。AGV作為智能應急操作機器人的承載平臺，實現(xiàn)機器人的前進、后退和旋轉(zhuǎn)等功能。

在牽引變電所室和控制室內(nèi)鋪設磁條和布置RFID傳感器標簽，AGV可讀取磁條位置和RFID標簽信息，移動至不同的電氣柜定位處。RFID傳感器標簽布局如圖2所示。

圖2 RFID傳感器標簽布局

智能應急操作機器人的工作流程如圖3所示。

圖3 智能應急操作機器人工作流程

(1)機器人接收遠程計算機發(fā)送的指令。

(2)控制系統(tǒng)分析指令中需要操作的操作對象，從數(shù)據(jù)庫中讀取操作目標操作對象參數(shù)。

(3)機器人自主移動至指定柜門前，將機械手移動至目標操作對象前進行粗定位。

(4)圖像識別子模塊對目標操作對象進行圖像識別與定位，精確調(diào)整機械手進行精定位。

(5)機械手準確瞄準目標操作對象后執(zhí)行操作，拍照發(fā)送至遠程計算機等待工作人員確認。

(6)操作完成后自動返回充電位等待下一次任務。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

依據(jù)控制系統(tǒng)功能需求，本文采用模塊化、開放式的分布式主從控制的硬件結(jié)構(gòu)，主控制器負責任務決策命令，從控制器控制機器人電氣系統(tǒng)。整體分散控制、集中管理。控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖4所示，因控制系統(tǒng)需要進行圖像處理、TCP/IP通訊、流程控制等操作，故選用研華PPC-3120S型工控機作為上位機。工業(yè)計算機通過交換機連接無線路由器、工業(yè)相機和PLC。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組成框圖

執(zhí)行操作任務時，機器人控制系統(tǒng)需要同時控制多臺伺服電機，并讀取位移傳感器數(shù)據(jù)、RFID傳感器數(shù)據(jù)和磁條傳感器數(shù)據(jù)，因此選擇臺達AS200系列PLC作為下位機。臺達AS200系列PLC使用CANopen協(xié)議與伺服電機驅(qū)動器進行通訊，從而控制伺服電機[8]。加裝AS04AD模塊讀取激光位移傳感器輸出的模擬量。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)上位機程序通過C#語言開發(fā)設計，采用模塊化設計方案，分別設計實現(xiàn)單獨功能需求的子模塊，將子模塊組合成機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)任務執(zhí)行的功能[9]。主要包含如下模塊：

(1)圖像處理模塊：計算機讀取工業(yè)相機拍攝的照片，對圖片進行處理，根據(jù)圖像特征識別按鈕、旋鈕和空氣開關。其中通過霍夫圓算法檢測按鈕的圓形輪廓，通過按鈕的顏色篩選不同按鈕，選擇目標按鈕，獲取圓心在圖片中的坐標用于按鈕定位；旋鈕上貼上藍色矩形條，對圖片進行二值化處理獲取矩形輪廓信息，通過矩形頂點獲取旋鈕在圖片中的坐標；空氣開關下方貼有含空氣開關信息的二維碼，通過對二維碼進行定位獲取空氣開關在圖片中的坐標。獲取操作對象在圖片中的坐標后進行坐標變換，返回機械手對準操作對象所需移動的值。

(2)機械手運動控制模塊：該模塊實現(xiàn)各機械手的點進、點退、到目標、回原點等功能，因機械手運動控制模塊可能會在不同線程中被調(diào)用，所以需要實現(xiàn)該控制類的單例模式，保證在各線程中能正常使用機械手運動控制模塊。在該模塊中上位機連接PLC，控制系統(tǒng)通過對PLC發(fā)送指令實現(xiàn)控制伺服電機的功能，驅(qū)動各機械手的運動，同時將電機的運行信息反饋至控制系統(tǒng)。

(3)機器人底盤控制模塊：該模塊通過對機器人驅(qū)動電機進行控制，調(diào)整兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機器人的前進、后退、旋轉(zhuǎn)和糾偏等功能；控制系統(tǒng)與移動小車PLC進行通訊讀取當前地標卡信息，實現(xiàn)機器人的定位功能；使用Astar算法計算到達各柜門的最短路徑[10]，計算從當前地標卡至目標地標卡的路徑和路徑上的地標卡，實現(xiàn)機器人在牽引變電所內(nèi)的自主移動。

(4)數(shù)據(jù)庫模塊：將電氣牽引所內(nèi)完成任務所需的各操作對象參數(shù)和牽引所室內(nèi)地圖儲存在數(shù)據(jù)庫中，設計數(shù)據(jù)庫并儲存參數(shù)，由控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模塊實現(xiàn)參數(shù)的讀取與修改。使用數(shù)據(jù)庫對操作對象參數(shù)進行儲存，機器人在執(zhí)行任務時可由控制系統(tǒng)讀取目標操作對象參數(shù)。通過對數(shù)據(jù)庫模塊中儲存的參數(shù)進行修改對任務執(zhí)行參數(shù)進行調(diào)整，使程序更加靈活方便。

(5)遠程通訊模塊：遠程通訊模塊能提供可靠的網(wǎng)絡通訊，保持遠程計算機與機器人之間的通訊連接，自動檢測斷線重連的功能。根據(jù)工作人員選擇的電氣柜和操作對象實現(xiàn)生成指令的功能，當遠程應急指令發(fā)出后，需要內(nèi)部計算機對指令的正確性、有效性進行鑒別。只有正確有效的指令才會被接收，且轉(zhuǎn)發(fā)給應急操作機器人。控制系統(tǒng)接收遠程計算機發(fā)送的指令，分析指令，執(zhí)行相應任務。遠程通訊系統(tǒng)還負責轉(zhuǎn)發(fā)機器人任務執(zhí)行進度報告和工作圖片。

4 現(xiàn)場調(diào)試及執(zhí)行結(jié)果

開發(fā)完成智能應急操作機器人控制系統(tǒng)后，將其下載至機器人上位機中，并進行現(xiàn)場調(diào)試。牽引變電所共有兩個電氣控制室(34個電氣柜)。現(xiàn)場調(diào)試時采集電氣柜上的電氣元件參數(shù)，寫入數(shù)據(jù)庫中。啟動機器人控制系統(tǒng)遠程操作模式，由遠程計算機隨機選擇操作對象，指揮機器人進行應急操作，確認機器人執(zhí)行結(jié)果。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，機器人接收到指令后能夠穩(wěn)定移動至目標操作對象前，準確識別并定位目標操作對象，返回工作圖片，工作人員確認后完成操作任務，如圖5所示。因電氣柜位置不同，操作任務耗時2 min～5 min，滿足牽引變電所的應急操作要求。

圖5 機器人執(zhí)行操作任務中

5 結(jié)束語

目前，智能應急操作機器人控制系統(tǒng)已開發(fā)完成，實現(xiàn)了機器人遠程接收指令、自動執(zhí)行操作任務、反饋操作結(jié)果的功能，實現(xiàn)了牽引變電所供電高壓室內(nèi)應急操作的智能化，提高了工作效率，降低了人工投入。