電力智能巡檢機(jī)器人研究

姚天浩，于洪達(dá)，高國(guó)麗

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132101)

0 引言

電力巡檢是電力系統(tǒng)面向生活進(jìn)行電力供應(yīng)，以及面向國(guó)民生產(chǎn)的一種主要保障手段，不管是對(duì)人們的日常生活還是各大用電工廠來(lái)說(shuō)都具有極其重要的意義。但是，任何事情都有兩面性，電力的普及與應(yīng)用在日常生活中也存在著諸多問(wèn)題，如工業(yè)生產(chǎn)和生活用電的高能源化，用電量相較于前幾年大大提高，并且由于變電站自身的特殊原因，更新較慢，線路損耗較大，隨時(shí)出現(xiàn)各種問(wèn)題，所以日常的巡檢工作就顯得格外重要[1]。

1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

電力智能巡檢機(jī)器人是以樹(shù)莓派為中心進(jìn)行控制的。主體共分為3大模塊：移動(dòng)模塊(機(jī)器人本體)、巡檢模塊、應(yīng)用模塊[2]。

1.1 移動(dòng)模塊

機(jī)器人根據(jù)所設(shè)定的路線進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)到某一規(guī)定位置時(shí)會(huì)停止移動(dòng)，并將攝像頭轉(zhuǎn)向所需要檢測(cè)的方位。

1.2 巡檢模塊

將所需要檢測(cè)的物體進(jìn)行拍攝，拍攝完一處，會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到下一個(gè)規(guī)定的位置進(jìn)行拍攝，當(dāng)所有需要檢測(cè)的位置全部拍攝完畢后會(huì)自動(dòng)返航。

1.3 應(yīng)用模塊

將拍攝好的圖片上傳到云臺(tái)中，與該物體正常運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。二者一致進(jìn)行下一項(xiàng)檢測(cè)，二者不一致發(fā)出警報(bào)。

1.4 電源模塊

采用PR12V鋰電池組，由3塊18 650鋰電池組成，標(biāo)稱電壓為11.1 V，充電截止電壓為12.6 V，最大持續(xù)電流為6 A，標(biāo)準(zhǔn)容量為2 200 mAh。

1.5 信息采集模塊

信息采集模塊包含信息的采集、信息的傳輸以及信息顯示部件。主要的程序部分是基于樹(shù)莓派的操作系統(tǒng)、信息的采集程序、信息的編碼程序、信息的傳輸程序以及在電腦端的顯示程序等一系列程序構(gòu)成。我們可以隨時(shí)隨地地查看電路中的情況。

1.6 信息承載云臺(tái)模塊

本項(xiàng)目選用以高性能著稱的Raspberry Pi為主處理器的Python開(kāi)發(fā)平臺(tái)，作為ARM(Advanced RISC Machine)系列的處理器。它具有體積小、耗電少、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可處理16位/32位指令，具有良好的可擴(kuò)展性[7]。

2 功能模塊選用

2.1 移動(dòng)模塊

移動(dòng)模塊包含NRF24L01無(wú)線模塊、AMS1117穩(wěn)壓器和 L9110S芯片。

2.1.1 NRF24L01無(wú)線模塊

NRF24L01是一款新型的單片射頻收發(fā)器件，具有低消耗、即時(shí)性高、幾乎無(wú)延遲、傳輸速度可高達(dá)2 Mbps等優(yōu)點(diǎn)，可工作在2 400 MHz～2 480 MHz頻段。擁有125個(gè)通信頻道，供電電壓僅需1.9 V～3.6 V[3]。

2.1.2 AMS1117穩(wěn)壓器

AMS1117穩(wěn)壓器用于提供1 A輸出電流，它的工作壓差低至1 V。它的引腳兼容其他3段SSCI穩(wěn)壓器，相較于其他穩(wěn)壓器，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

2.1.3 L9110S芯片

L9110S芯片低靜態(tài)工作電流，寬電源電壓范圍，每條通道都具有800 mA連續(xù)電流輸出能力，且工作溫度范圍在0～80 ℃等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)在多種環(huán)境下工作，具有良好的可靠性。

2.2 巡檢模塊

巡檢模塊包含LM393、LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器和MPU6050。

2.2.1 LM393

LM393是一款雙電壓比較器集成電路，可使用單電源或雙電源作為工作電源，單電源工作范圍在2 V～36 V，雙電源工作范圍則在±1 V～±18 V，消耗電流小，輸入失調(diào)電壓小，輸出可與CMOS，TTL等兼容，具有較高的工作能力。

2.2.2 LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器

這是一種降壓型管理單片集成電路，輸出電流為3 A，擁有多種輸出電壓，最高輸出可達(dá)37 V，輸出范圍較廣，功率高，消耗小，TTL的斷電能力，外圍電路簡(jiǎn)單、易操作。

2.2.3 MPU6050

MPU6050是全球首個(gè)整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相比單獨(dú)使用陀螺儀和加速度儀，能夠有效減小誤差，減少占用空間。部件模塊內(nèi)部自帶穩(wěn)壓電路，可兼容3.3 V或5 V供電電壓。所有設(shè)備寄存器之間采用400 kHz的I2C接口或者是1 MHz的SPI接口。一個(gè)片上1 024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗[4-5]。

2.3 應(yīng)用模塊

應(yīng)用模塊包含TB6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊。

TB6612FNG模塊相較于L298N模塊的效率大大提升，擁有雙驅(qū)動(dòng)也就代表著可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。在額定范圍內(nèi)，芯片幾乎不發(fā)熱。本器件在輸出與制動(dòng)之間切換時(shí)，所帶動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM占空比之間能保持良好的性能關(guān)系，為適應(yīng)變電站戶外運(yùn)行需求，機(jī)器人車體選用輪式四輪驅(qū)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用PID控制及PMSM矢量控制算法進(jìn)行車體控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制和轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)，保證了控制算法的成熟性和穩(wěn)定性。四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)及柔性匹配控制實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)彎半徑，原地360°旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)路徑規(guī)劃靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用低磁阻大扭矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、效率高、可靠性好，機(jī)器人最大運(yùn)行速度可達(dá)1.1 m/s。

2.4 電源模塊

電源模塊包含PR12V鋰電池、PR12V鋰電池。

鋰離子電池具有重量輕、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等許多顯著優(yōu)點(diǎn)，壽命較長(zhǎng)，可以到達(dá)1 000-2 000次反復(fù)充電使用，且18 650鋰電池穩(wěn)定性能好，容量夠大，可以滿足各種機(jī)器的需要，應(yīng)用在各大領(lǐng)域。PR12V鋰電池組能夠滿足機(jī)器人的電壓以及電流所有需求，且不具有類似其他類型電池所含有的有毒物質(zhì)，較為安全，重量輕，不會(huì)影響機(jī)器人的行動(dòng)效果，價(jià)格較為實(shí)惠，相比于其他電池組，PR12 V電池組是最優(yōu)選[6]。

2.5 信息采集模塊

信息采集模塊包括無(wú)線視頻系統(tǒng)。

本項(xiàng)目所需要實(shí)現(xiàn)的無(wú)線視頻系統(tǒng)既包含硬件開(kāi)發(fā)及使用平臺(tái)，又需要各種端口函數(shù)，以便于在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上能夠穩(wěn)定運(yùn)行。從上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大致框架可以看出，本系統(tǒng)的整體構(gòu)成主要由信息的采集處理、信息傳輸，以及信息的顯示3個(gè)部分構(gòu)成。其中重要模塊之一的樹(shù)莓派硬件平臺(tái)設(shè)備負(fù)責(zé)通過(guò)人工控制攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且實(shí)時(shí)保存，同時(shí)使用相關(guān)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，然后通過(guò)WIFI接入局域網(wǎng)絡(luò)﹐進(jìn)行手機(jī)監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)傳輸，可以隨時(shí)通過(guò)各種移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)觀看。

2.6 信息承載云臺(tái)模塊

信息承載云臺(tái)模塊包括技術(shù)平臺(tái)處理器、云臺(tái)開(kāi)發(fā)、云臺(tái)處理和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采用。

2.6.1 技術(shù)平臺(tái)處理器

本項(xiàng)目所采用的存儲(chǔ)器是最新的RAM(Random Access Memory)內(nèi)部存儲(chǔ)器。在功能及性能方面，技術(shù)平臺(tái)處理器具有較大的提升空間，能夠充分滿足本項(xiàng)目的要求，為本項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)提供了硬件支持。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目還配備了Video Core IV雙核GPU。此GPU能夠支持OpenGLES2.0OpenVG硬件加速和1080p30 fps H.264/MPEG-4AVC高清解碼器，可以實(shí)現(xiàn)1Gpixel/s，1.5Gtexelsor24GFLOPs，提供紋理過(guò)濾以及DMA基礎(chǔ)構(gòu)架，為使用H.264編碼提供了技術(shù)保障[7]。

2.6.2 云臺(tái)開(kāi)發(fā)

本項(xiàng)目要求能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多線程序數(shù)據(jù)處理并通過(guò)無(wú)線或者局部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行穩(wěn)定傳輸，例如信息數(shù)據(jù)的采集、信息數(shù)據(jù)的編碼、信息數(shù)據(jù)的壓縮以及能夠傳輸U(kuò)DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理等。如果開(kāi)發(fā)平臺(tái)不具備這些能力，那么所要做的工作量就會(huì)大大增加，大量的數(shù)據(jù)將會(huì)等待處理，極其浪費(fèi)人力物力，對(duì)于性能方面也會(huì)造成很大的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響工作的進(jìn)度。因此，必須在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上安裝所需要的操作系統(tǒng)以此來(lái)推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，提升系統(tǒng)的性能。本項(xiàng)目采用了Python平臺(tái)，此平臺(tái)具有便捷的操作系統(tǒng)，作為基于Linux所產(chǎn)生的嵌入式操作系統(tǒng)，具有超強(qiáng)的性能，且同時(shí)具有可移植性，但又不缺少穩(wěn)定性，而且可以實(shí)現(xiàn)免費(fèi)軟件定時(shí)更新，程序應(yīng)用豐富，充分滿足了本次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。為使信息采集設(shè)備和開(kāi)發(fā)平臺(tái)兩者之間能夠完美結(jié)合，本項(xiàng)目采用了V4L2技術(shù)，而數(shù)據(jù)的編碼處理方面則采用了H.264編碼技術(shù)，結(jié)合IP/UDP/RTP協(xié)議與WiFi、藍(lán)牙等技術(shù)進(jìn)行高效傳輸，為本項(xiàng)目的無(wú)線視頻系統(tǒng)提供了充分且有力的技術(shù)支持[8]。

2.6.3 云臺(tái)處理

本項(xiàng)目采用的是Raspberry Pi的電腦主板，雖然它的幾何形狀沒(méi)有那么大但是它功耗低、性能強(qiáng)，能夠執(zhí)行PC的基本功能，可以進(jìn)行文字和表格的處理，可以滿足電子智能巡檢機(jī)器人的研究。

本項(xiàng)目采用的是2代B型的主板，擁有6個(gè)USB2.0類型的接口，而且可以外接USB設(shè)備，如：鼠標(biāo)、鍵盤，很大程度提高了其擴(kuò)展能力；運(yùn)用SD卡作為主要的存儲(chǔ)盤，滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，并且設(shè)有支持高清視頻輸出的 HMDI端口，為視頻信息數(shù)據(jù)的輸出穩(wěn)定提供技術(shù)保障。

2.6.4 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用

本項(xiàng)目采用5G無(wú)線傳輸技術(shù),視頻、數(shù)據(jù)、音像的數(shù)據(jù)傳輸更為穩(wěn)定。5G是4G通信技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化的產(chǎn)物，能夠傳輸更高質(zhì)量的視頻和清晰的圖片，滿足了廣大用戶的需要，而且其覆蓋面積非常廣泛。借助5G技術(shù)，圖像的清晰度得到了進(jìn)一步的提升，視頻信息速度也得到了進(jìn)一步的提升。本項(xiàng)目采用的是國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)、聯(lián)通、電信的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

3 應(yīng)用市場(chǎng)調(diào)查

市場(chǎng)上大多數(shù)使用數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如此一來(lái)不但成本增加，而且數(shù)據(jù)覆蓋式傳輸難度幾何倍數(shù)增加。這種利用數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲还苁窃诔杀具€是在傳輸?shù)碾y度上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸都有一定的限制。利用數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸在區(qū)域性、地域性、限制性的多個(gè)區(qū)域的限制也很大，所以這種方式并不適合大面積作業(yè)。如果選用無(wú)線操作的話，時(shí)間成本會(huì)得到很大的節(jié)約，也可以做到隨心所欲地查看，大大提高了便利性。

從當(dāng)前的時(shí)代背景來(lái)看，大多數(shù)年輕人對(duì)數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)的方式已經(jīng)有了抵觸，這種傳輸方式既麻煩，限制條件又多。而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的普及會(huì)使人們?cè)跀?shù)據(jù)傳輸時(shí)使用更加便捷、快速。在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，這種方式已經(jīng)成為當(dāng)前時(shí)代的主流。各種智能化科技為我們打開(kāi)了新的大門，給人們帶來(lái)了很大程度的便利。目前正是智能時(shí)代的黃金時(shí)期，我們的電力智能巡檢機(jī)器人也應(yīng)運(yùn)而生，可以通過(guò)遠(yuǎn)程操控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且在與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，可以立即作出判斷。

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目基于自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)電力智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行研究，其目的最為主要的可大致分為4點(diǎn)。

(1)解決了變電站設(shè)備在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的緊急突發(fā)情況。在電站設(shè)備運(yùn)行時(shí)，人員排查耗費(fèi)的勞動(dòng)力以及時(shí)間都比較多。若是出現(xiàn)突發(fā)緊急情況難免無(wú)法及時(shí)做出處理，該項(xiàng)目能很大程度上改善這一缺點(diǎn)。

(2)可以保證用電設(shè)備安全運(yùn)行。用電設(shè)備多存在著各種突發(fā)狀況，該項(xiàng)目的實(shí)施在應(yīng)對(duì)變電設(shè)備在運(yùn)行出現(xiàn)的緊急狀況時(shí)還能確保用電設(shè)備可以安全地運(yùn)行。

(3)使巡檢人員的人身危險(xiǎn)降到最低。在巡檢人員工作時(shí)降低巡檢人員所受到傷害的概率，從而使巡檢人員的人身危險(xiǎn)系數(shù)降到最低，避免對(duì)巡檢人員身體造成的傷害。

(4)對(duì)推動(dòng)國(guó)家的機(jī)器產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。此項(xiàng)目的推出不管在技術(shù)上還是在推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展上都有一定的幫助。