基于wifi的智能變電站巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

張 強(qiáng)胡立夫李 彭

1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

基于wifi的智能變電站巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

張 強(qiáng)1胡立夫2李 彭1

1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

變電站的巡檢工作是保證變電站正常工作、安全運(yùn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)且極其重要的工作。傳統(tǒng)巡檢任務(wù)需要運(yùn)行巡檢人員定期到各個(gè)變電站去做巡檢，采集大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；并且在特殊情況，如高溫，大雪等和一些地理?xiàng)l件十分惡劣的也需要去巡檢，對(duì)于巡檢人員的安全沒(méi)有保障。鑒于此情況，提出一種基于wifi的智能變電站巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)。智能變電站巡檢機(jī)器人可在無(wú)人參與的情況下按照預(yù)設(shè)路線進(jìn)行自主巡檢，并對(duì)電力設(shè)備的異常情況進(jìn)行預(yù)警處理或執(zhí)行預(yù)先設(shè)置的故障處理措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息的自動(dòng)采集與分析。

隨著科技的不斷發(fā)展，電已經(jīng)成為了不可缺少的日常品，現(xiàn)如今超高壓、特高壓輸變電系統(tǒng)工程正在大規(guī)模發(fā)展，而新電壓等級(jí)、新技術(shù)的大量應(yīng)用使變電站傳統(tǒng)的運(yùn)行、操作、維護(hù)等都面臨著新的挑戰(zhàn)，如何運(yùn)用新技術(shù)、新手段以減輕變電站的運(yùn)行維護(hù)負(fù)擔(dān)，更加有效的保障設(shè)備安全運(yùn)行可靠，成為今后所面臨的主要問(wèn)題之一。

本文設(shè)計(jì)的基于wifi的變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用以mc9s12xs128單片機(jī)作為核心微處理器，配合以紅外攝像頭，可見(jiàn)光攝像頭，聲吶傳感器，加之以無(wú)線通信、語(yǔ)音報(bào)警等模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)巡檢顯示、避障，無(wú)線傳送數(shù)據(jù)、語(yǔ)音報(bào)警等功能。在巡檢過(guò)程中，把記錄的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，值班人員根據(jù)反饋數(shù)據(jù)做出相應(yīng)措施。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于wifi的變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由控制中心和巡檢機(jī)器人系統(tǒng)兩部分組成。控制中心包括基于C/S架構(gòu)的本地控制中心和基于B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程控制中心兩種模式。本地控制中心位于局域網(wǎng)中，是巡檢機(jī)器人的中心控制系統(tǒng)，工作人員在辦公地點(diǎn)控制，其安全性較強(qiáng)，且實(shí)時(shí)性較高。遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作人員在外可遠(yuǎn)程控制，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和操作移動(dòng)機(jī)器人、本地控制中心，具有良好的開(kāi)放性、靈活性，方便管理人員實(shí)時(shí)了解變電站的情況和機(jī)器人的狀態(tài)。

巡檢機(jī)器人安裝有導(dǎo)航系統(tǒng)和聲吶系統(tǒng)，可以獲得變電站環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，精確導(dǎo)航與避障，實(shí)施安全巡檢。雙向傳輸音頻系統(tǒng)可以接受現(xiàn)場(chǎng)的音頻信號(hào)，對(duì)變電站設(shè)備的聲音有無(wú)異常進(jìn)行檢測(cè)；若發(fā)現(xiàn)異常情況，將觸發(fā)機(jī)器人報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)，本地控制中心的工作人員也可通過(guò)遙控音頻系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員提出警告，從而有效避免安全事故的發(fā)生。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備包括紅外熱成像攝像頭與可視光攝像頭，可以對(duì)變電站設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，視頻信號(hào)與音頻信號(hào)通過(guò)視頻服務(wù)器同步傳輸?shù)娇刂浦行?。如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建巡檢機(jī)器人硬件系統(tǒng)包括機(jī)器人本體、mc9s12xs128單片機(jī)、攝像頭、音頻系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)、避障聲吶系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 智能變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)框圖

圖3 系統(tǒng)程序圖

控制系統(tǒng)

基于wifi的變電站巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)分為兩層，底層控制部分負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的行駛速度和航向，使巡檢機(jī)器人可以平穩(wěn)快速的行駛到目的地；。上層控制部分提供了高層次的機(jī)器人控制，包括導(dǎo)航系統(tǒng)，預(yù)設(shè)路徑等功能。

無(wú)線通訊系統(tǒng)

無(wú)線通訊系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)與控制中心進(jìn)行信息交流，接受指示和反饋信息。選用無(wú)線網(wǎng)卡TP－LINK，使得機(jī)器人和控制中心可以快速通信；再在無(wú)線網(wǎng)卡接口連接12dB的全向天線，確保巡檢機(jī)器人與信號(hào)接收器連接，穩(wěn)定傳輸信息。選用TP－LINK無(wú)線路由器，作為無(wú)線局域網(wǎng)的接入點(diǎn)AP來(lái)搭建了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。巡檢機(jī)器人發(fā)送消息時(shí)，首先通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡接入無(wú)線路由器，無(wú)線路由器再通過(guò)其廣域網(wǎng)連接端口連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)送給控制中心；反過(guò)來(lái)，控制中心通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行操作。

監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)包括熱成像和可見(jiàn)光兩部分，熱成像部分采用紅外熱成像儀，可見(jiàn)光部分采用普通可見(jiàn)光攝像頭。安裝在能左右旋轉(zhuǎn)又能上下旋轉(zhuǎn)的全方位云臺(tái)上。

選用紅外熱成像儀測(cè)定目標(biāo)，由于一切物體都在不斷的輻射紅外線，接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。

選用普通可見(jiàn)光攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，控制中心可以實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的情況，也可以把采集的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，以備以后的查看。

避障聲吶系統(tǒng)

機(jī)器人避障聲吶系統(tǒng)選用超聲波傳感器，具備獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，能夠單獨(dú)控制，操作起來(lái)靈活、方便?？紤]到芯片引腳與編程問(wèn)題，一共選用了16個(gè)超聲波傳感器。其中機(jī)器人的左右兩側(cè)各2個(gè)，其余12個(gè)均勻分布在前后兩邊。這16個(gè)超聲波傳感器的布置可以為機(jī)器人提供360度全方位的檢測(cè)，從而有效的達(dá)到避障的目的。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)程序主要包含驅(qū)動(dòng)程序和控制運(yùn)算程序，其中驅(qū)動(dòng)程序主要完成上位機(jī)數(shù)據(jù)接收、超聲波數(shù)據(jù)接收、攝像頭數(shù)據(jù)接收、電機(jī)控制等功能；控制運(yùn)算程序，主要完成導(dǎo)航控制功能；當(dāng)機(jī)器人與控制中心進(jìn)行航線通信后，把航線發(fā)送到機(jī)器人的存儲(chǔ)區(qū)，控制運(yùn)算程序通過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)算，控制舵機(jī)方向，然后沿著航線進(jìn)行巡航。到達(dá)航點(diǎn)后，機(jī)器人進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)行一些必要的監(jiān)測(cè)，然后讀取存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的下一個(gè)航點(diǎn)，通過(guò)控制運(yùn)算程序進(jìn)行調(diào)整方向，繼續(xù)導(dǎo)航。機(jī)器人到達(dá)最后一個(gè)航點(diǎn)后，立即進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，然后進(jìn)行回程的功能，在回程中再次進(jìn)行監(jiān)測(cè)，把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)程序圖如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)功能，在校內(nèi)進(jìn)行了多次測(cè)試；經(jīng)過(guò)多次程序的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航、避障、圖像采集與處理、云臺(tái)控制和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。下圖為機(jī)器人圖。

側(cè)視圖

俯視圖

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于wifi的智能變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)充分利用了智能車(chē)的機(jī)動(dòng)性高、穩(wěn)定性好、易操控等特點(diǎn)，通過(guò)WIFI連接智能車(chē)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效、自動(dòng)巡檢變電站。通過(guò)智能車(chē)的幫助，值班人員可以詳細(xì)、徹底地了解變電站內(nèi)的信息。同時(shí)可以把信息保存，方便以后的研究，對(duì)于變電站的安全可靠運(yùn)行起到積極的作用。

張強(qiáng)（1994－）男，本科，測(cè)控技術(shù)與儀器；教師簡(jiǎn)介：胡立夫，男，高級(jí)工程師。胡立夫，男，高級(jí)工程師。

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：DCX140706）