變電檢修智能機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn)

劉 乾 李生杰 郭子陽 佘曉陽

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安市洪澤區(qū)供電分公司）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大化，對于電力供應(yīng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性提出了更高的要求。變電站作為電力系統(tǒng)中的核心基礎(chǔ)設(shè)施，是為工業(yè)生產(chǎn)和日常生活傳輸電力的重要環(huán)節(jié)［1］。大多數(shù)變電站處于露天環(huán)境，其工作穩(wěn)定性在很大程度上受到環(huán)境影響［2］［3］。因此為了保證供電的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，需要對變電站進(jìn)行定期的檢修和維護(hù)，本文基于AGV平臺設(shè)計了一種變電站室內(nèi)檢修機(jī)器人［4］。該機(jī)器人的設(shè)計重點在于運動控制、尋跡功能、避障功能的實現(xiàn)。經(jīng)過仿真驗證，機(jī)器人的功能完全滿足設(shè)計要求［5］［6］。本文的研究對于提升配電網(wǎng)系統(tǒng)工作能效，推動電力系統(tǒng)自動化和智能化具有重要意義［7］。

1 檢修機(jī)器人虛擬樣機(jī)

變電檢修機(jī)器人采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，根據(jù)導(dǎo)航命令在變電站室內(nèi)地面走行，輔助或替代人工完成作業(yè)工具的搭載［8］［9］。其結(jié)構(gòu)包括了驅(qū)動部分和運載部分兩個主要環(huán)節(jié)，驅(qū)動部分由鋰電池提供電能，鋰電池實現(xiàn)化學(xué)能到電能的變換從而驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，再通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)走行，鋰電池組配置在機(jī)器人車體的內(nèi)部前后兩端；運載部分的頂端配置了工具放置區(qū)，用于存放被運送的工具［10］。機(jī)器人車體內(nèi)部設(shè)計為上下兩層，下層安裝直流電機(jī)和車輪，上層安裝控制系統(tǒng)，車體的前壁和后壁都配置了傳感器，用于感應(yīng)障礙物和地面導(dǎo)向線，同時感應(yīng)充電設(shè)備的位置，車體的前后端都配置了控制面板，技術(shù)人員可以通過控制面板設(shè)定機(jī)器人的走行路線［11］［12］。

2 檢修機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對于變電檢修機(jī)器人的核心使用需求，采用基于單片機(jī)為主控芯片的控制系統(tǒng)，在輔助添加自主尋跡和自主避障模塊。變電檢修機(jī)器人的動力部分，其小車在機(jī)械機(jī)構(gòu)上采用的四輪驅(qū)動方式，驅(qū)動輪由四臺直流電機(jī)提供動力，由單片機(jī)實現(xiàn)對直流電機(jī)的控制，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對變電檢修機(jī)器人的控制。單片機(jī)由于驅(qū)動功率的限制無法直接對直流電機(jī)進(jìn)行控制，因此需要通過專門的電機(jī)驅(qū)動芯片來對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，這樣就是間接控制直流電機(jī)。檢修機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢修機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，其中的核心部件單片機(jī)采用51系列的單片機(jī)，該芯片運算速度快、外部設(shè)備豐富、功耗低，非常適用于直流電機(jī)的控制。其中晶振電路的作用是通過震蕩產(chǎn)生脈沖信號，為單片機(jī)的工作提供時鐘；復(fù)位電路用于給單片機(jī)提供復(fù)位信號，保證其能夠重新啟動，完成初始化重新開始工作；5V電源模塊的作用是為單片機(jī)提供工作電源；LCD顯示器的作用是能夠?qū)嵼敵鲆恍?shù)據(jù)，顯示檢修機(jī)器人的工作狀態(tài)；超聲波傳感器和紅外傳感器是用于對機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物進(jìn)行檢測，將障礙物的相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行運算，以判斷下一步需要進(jìn)行的動作；由于直流電機(jī)本身的驅(qū)動功率較大，無法由單片機(jī)輸出的信號直接來驅(qū)動，因此需要配置驅(qū)動芯片，由單片機(jī)向驅(qū)動芯片下發(fā)驅(qū)動信號，再由驅(qū)動芯片實現(xiàn)直流電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對直流電機(jī)的控制，間接實現(xiàn)了對檢修機(jī)器人的控制。此外，還設(shè)置了報警功能，但變電檢修機(jī)器人的工作出現(xiàn)異常時，會自主向外界發(fā)出報警信號，告知變電檢修機(jī)器人處于故障狀態(tài)。

2.2 尋跡功能實現(xiàn)

變電檢修機(jī)器人尋跡功能的基本前提是能夠正常走行，通過軟件的相關(guān)設(shè)置，能夠讓變電檢修機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定好的線路進(jìn)行走行，為了實現(xiàn)尋跡功能，必須要采用紅外光電傳感器。通過對紅外光電傳感器的工作原理和工作特性進(jìn)行深入研究，紅外光電傳感器能夠很好的匹配本文的設(shè)計需求，能夠很好的實現(xiàn)變電檢修機(jī)器人的尋跡走行。

2.3 避障功能實現(xiàn)

檢修機(jī)器人的避障功能是指當(dāng)機(jī)器人走行方向上遇到障礙物的時候，能夠自主對障礙物進(jìn)行辨識，對障礙物的具體位置進(jìn)行測算，并執(zhí)行相應(yīng)躲避動作。通過兩種方法能夠?qū)崿F(xiàn)避障功能，一種是采用現(xiàn)有的紅外光電傳感器，另一種是采用超聲波模塊。

檢修機(jī)器人進(jìn)行避障的前提是需要對障礙物進(jìn)行辨識，需要由檢修機(jī)器人發(fā)出信號，信號遇到障礙物后會反射回來，這樣檢修機(jī)器人就能夠接收到反射回來的信號來實現(xiàn)對檢修機(jī)器人與障礙物之間的距離測量。再由單片機(jī)經(jīng)過運算輸出相應(yīng)的控制信號完成避障動作。所以說避障的重點就在于檢修機(jī)器人與障礙物之間距離的快速、準(zhǔn)確測量。準(zhǔn)確地測量能夠保證檢修機(jī)器人能夠準(zhǔn)確辨識障礙物的具體位置；由于檢修機(jī)器人本身存在一定的行駛速度，單片機(jī)的運算以及控制信號的輸出需要一定的時間，檢修機(jī)器人收到避障指令后也需要經(jīng)過一定的響應(yīng)時間來變換運動狀態(tài)。因此，測距模塊也需要保證準(zhǔn)確性和快速性的平衡。

為了實現(xiàn)檢修機(jī)器人的自主避障功能，這里給出了運動數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)方程，其運動學(xué)方程如式（1）所示：

2.4 運動狀態(tài)分析

當(dāng)檢修機(jī)器人處于不同的電力環(huán)境中時，其運動狀態(tài)也會有所不同。由于電力環(huán)境強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場耦合的復(fù)雜環(huán)境，檢修機(jī)器人會結(jié)合檢測到的障礙物以及其他外部干擾作出因素進(jìn)行相關(guān)性相應(yīng)，呈現(xiàn)出四種運行狀態(tài)，即前進(jìn)、停止、后退、轉(zhuǎn)向。首先需要對檢修機(jī)器人的運行狀態(tài)進(jìn)行辨識，再根據(jù)運用需求對不同狀態(tài)下的機(jī)器人進(jìn)行預(yù)設(shè)定。檢修機(jī)器人的停止?fàn)顟B(tài)可以細(xì)分為兩種，一是位于起始點和終到點的運動狀態(tài)，其停止目的是裝貨和卸貨；二是在走行過程中由于遇到障礙物不能夠直接通過，需要先停止再進(jìn)行轉(zhuǎn)彎避障。

檢修機(jī)器人的前進(jìn)狀態(tài)是正常行駛狀態(tài)，通過速度反饋進(jìn)行控制，設(shè)定有速度目標(biāo)值，通過不斷調(diào)節(jié)保證檢修機(jī)器人的走行速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。檢修機(jī)器人的后退狀態(tài)是指遇到障礙物時，與停止?fàn)顟B(tài)和轉(zhuǎn)彎狀態(tài)相配合完成避障動作。轉(zhuǎn)彎狀態(tài)是檢修機(jī)器人最重要的狀態(tài)，需要根據(jù)障礙物所處的狀態(tài)進(jìn)行分析從而進(jìn)行不同方向的避障動作，在遇到障礙物時，檢修機(jī)器人可以根據(jù)預(yù)設(shè)定的程序進(jìn)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，完成避障動作。

3 仿真測試

對本文所研究的變電檢修機(jī)器人在實驗室環(huán)境中進(jìn)行測試，其預(yù)先設(shè)定的好的走行路線如圖2所示，記錄下全部的位置數(shù)據(jù)并顯示出來，分析器運動控制程序的性能優(yōu)劣。如圖3所示為變電檢修機(jī)器人的試驗中的全部走行路線。如圖4所示為變電檢修機(jī)器人在試驗中的局部實際走行路線圖。

圖2 變電檢修機(jī)器人預(yù)定走行線路圖

圖3 變電檢修機(jī)器人實測走行路線圖

圖4 變電檢修機(jī)器人局部局部實際走行線路圖

綜上分析可知，該變電檢修機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)先設(shè)定好的位置，并開展工作，其運動過程中的位置誤差通常較小不超過2cm，角度誤差也較小不超過0.05rаd，當(dāng)變電檢修機(jī)器人完成任務(wù)，即將離開作業(yè)并移動到下一個作業(yè)的時候，有時位置誤差偶爾超過2cm且角度誤差超過0.1rаd，這是由于變電檢修機(jī)器人在加速或減速時，其自重引起的慣性因素所產(chǎn)生的影響。在所有的測試項目中，變電檢修機(jī)器人沒有碰撞任何障礙物或偏離設(shè)定的走行路線。結(jié)果表明，該變電檢修機(jī)器人能夠是滿足不同場合的變電檢修作業(yè)且滿足實際工況需求。

4 結(jié)束語

隨著國家大規(guī)模推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，與其相匹配的變電檢修也需要緊跟著進(jìn)行智能化推進(jìn)，不斷提升其檢修水平和檢修效率。本文專門設(shè)計了一種新型的變電檢修機(jī)器人，從檢修機(jī)器人虛擬樣機(jī)、控制系統(tǒng)架構(gòu)、檢修機(jī)器人功能實現(xiàn)等幾個方面展開了深入研究。經(jīng)過實驗室環(huán)境下的仿真功能驗證，該變電檢修機(jī)器人功能上完全滿足設(shè)計要求，可以進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用，具有一定的實用價值和經(jīng)濟(jì)價值。