高壓線路智能巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

劉宇峰 王寧 王倉 劉華 李傳林

摘 要：定期對架空線路進(jìn)行故障的檢測與修復(fù)，是供電可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證。針對巡檢機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境與作業(yè)內(nèi)容，設(shè)計了一種基于STC89C52單片機(jī)并結(jié)合PC104的巡檢機(jī)器人。該機(jī)器人沿著高壓線路行駛，通過其所攜帶的溫度傳感器、攝像機(jī)、GPS、無線通訊等設(shè)備對線路進(jìn)行檢測與數(shù)據(jù)傳輸。通過在實驗室內(nèi)模擬環(huán)境進(jìn)行調(diào)試，基本實現(xiàn)了預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞：架空線路；巡檢機(jī)器人；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0081-03

Abstract： It is the basic guarantee of reliable and stable operation of power supply to detect and repair the fault of overhead line regularly. In view of the working environment and contents of the inspection robot， a kind of inspection robot based on STC89C52 MCU and PC104 is designed. The robot runs along the high-voltage line and detects and transmits data through the temperature sensor， camera， GPS， wireless communication and other devices it carries. Through debugging in the laboratory simulation environment， the expected requirements are basically achieved.

Keywords： overhead line； inspection robot； control system

高壓輸電線路是電力遠(yuǎn)距離輸電的主要方式，輸電線路負(fù)責(zé)輸送電力的重任，是電力系統(tǒng)中重要的一環(huán)。它是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和社會發(fā)展的“大動脈”，扮演著非常重要的角色。由于輸電線路、桿塔、絕緣子串、線路金具等長期暴露在外部環(huán)境中，受惡劣天氣影響、電氣閃絡(luò)、機(jī)械張力與材料老化等多種原因而產(chǎn)生線路斷股、開裂、腐蝕等損傷，如不及時檢修將嚴(yán)重影響電力線路的正常運(yùn)行，甚至造成嚴(yán)重的停電事故和人身安全隱患。

國外對于巡檢機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，加拿大、日本等國家先后開展了這方面的研究，最具有代表性的是加拿大魁北克水電研究院的 Montambault等人研制了巡檢機(jī)器人“LineScout”，LineScout可以通過地面遙控操作，其技術(shù)比較先進(jìn)，功能比較齊全。該機(jī)器人不僅可以巡檢線路，還可以完成導(dǎo)線修補(bǔ)、螺栓緊固等相對簡單的線路維護(hù)作業(yè)[1]。國內(nèi)對高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的研究起步較晚。武漢大學(xué)吳功平教授率先在國內(nèi)開展高壓輸電線路巡線機(jī)器人的研究，成功研制了沿單導(dǎo)線及地線行駛的兩種自主巡檢機(jī)器人。近年來，山東科技大學(xué)研制出一款高壓線巡檢機(jī)器人樣機(jī)，該機(jī)器人設(shè)置有三個機(jī)械臂，采用基于規(guī)則的專家控制系統(tǒng)來控制機(jī)器人在高壓輸電線上的爬行[2]。

1 系統(tǒng)組成

巡檢機(jī)器人由巡檢機(jī)器人本體和地面基站組成。巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

巡檢機(jī)器人的本體是整個系統(tǒng)的核心部分，主要包括巡檢機(jī)器人的機(jī)械部分、巡檢部分、驅(qū)動部分、通訊部分、電源部分等。地面基站主要由PC機(jī)組成，與巡檢機(jī)器人本體間通過藍(lán)牙連接，實時接收機(jī)器人巡檢圖像與數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令等。本文主要對巡檢機(jī)器人的本體控制部分進(jìn)行了設(shè)計。

機(jī)械部分：巡檢機(jī)器人以輸電線路的地線為工作路徑，在線路上移動來進(jìn)行巡檢任務(wù)，要求機(jī)器人能夠在線路上以穩(wěn)定的速度移動。輪式滾動的行走方式可以確保其行走的穩(wěn)定性，也可保證一定的速度。故采用雙輪滾動的行走機(jī)構(gòu)。如圖2所示。

巡檢部分：由DS18B20溫度傳感器、攝像機(jī)構(gòu)成，通過PC104嵌入式工控機(jī)對攝像機(jī)的控制，可實現(xiàn)對輸電線路、桿塔、絕緣子等的可見光圖像的巡查。

驅(qū)動部分：通過STC89C52單片機(jī)對驅(qū)動模塊進(jìn)行驅(qū)動，由于架空地線帶有弧度且機(jī)器人需攜帶大量傳感器，對于電機(jī)的扭矩有一定的要求，主要選用功率大小為25～40W的無刷直流電機(jī)[3]。

通訊部分：由于在實驗室進(jìn)行調(diào)試，選用了藍(lán)牙模塊，在實際應(yīng)用中藍(lán)牙模塊的通訊距離短，傳輸速度慢，可更換為無線局域網(wǎng)（WLAN）或3G通信系統(tǒng)。

電源部分：巡檢機(jī)器人工作在高空，其電源應(yīng)為移動電源，并且要求電源重量輕、體積小、容量大。對比多種電源，發(fā)現(xiàn)采用鋰電池作為電源非常適合。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計

由于巡檢機(jī)器人在架空地線運(yùn)行，采用的輪子為帶有凹槽式的輪子，這樣可使輪與線接觸緊密，穩(wěn)定性也較好。輪胎與電機(jī)相連，電機(jī)與輪胎的連接處放置DS18B20溫度傳感器，因與線路最接近，易固定，可實時了解到機(jī)器人的狀態(tài)信息。兩個直流無刷電機(jī)通過輪軸由直桿固定在下方的機(jī)構(gòu)平臺上。機(jī)構(gòu)平臺主要用于搭載STC89C52單片機(jī)與PC104中控機(jī)及各種傳感器、電源等。機(jī)構(gòu)平臺的前方放置有GY-VL53l0X激光測距傳感器，主要用于檢測前方是否有障礙物，是否讓機(jī)器人停止。機(jī)構(gòu)平臺的后方放置有藍(lán)牙模塊，可將數(shù)據(jù)送回給上位機(jī)，通過連線將各模塊與STC89C52單片機(jī)和PC104中控機(jī)相連，實現(xiàn)通訊。機(jī)構(gòu)平臺的下方主要放置攝像頭，可控制攝像頭的方向?qū)旊娋€路、桿塔、絕緣子等的可見光圖像進(jìn)行巡查。如圖3所示。

S1-機(jī)構(gòu)平臺；S2-GY-VL53l0X激光測距傳感器；S3-DS18B20溫度傳感器；S4-攝像頭；S5-藍(lán)牙模塊

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

巡檢機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，其一是基于STC89C52單片機(jī)的控制部分，其二是以PC104中控機(jī)為主的控制部分。

2.2.1 STC89C52單片機(jī)控制模塊

由于STC89C52單片機(jī)內(nèi)存小，CPU運(yùn)行速度慢，基于STC89C52單片機(jī)的控制部分主要以簡單功能為主，包括對周圍環(huán)境溫度的測量、與前方障礙物距離測量以及驅(qū)動模塊等。

（1）溫度傳感模塊

DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點。其測溫范圍為-55℃～+125℃，固有測溫誤差1%[4]。DS18B20溫度傳感器由STC89C52單片機(jī)對其進(jìn)行控制，溫度可實時顯示，其數(shù)據(jù)可通過藍(lán)牙傳輸至地面基站，可通過PC端的STC-ISP軟件接受藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，并由MATLAB繪制出溫度變化曲線。如溫度有異常，超過某預(yù)定的值時，可進(jìn)行報警提醒。DS18B20電路圖如圖4。

（2）電機(jī)驅(qū)動模塊

巡檢機(jī)器人電機(jī)主要由L298N電機(jī)驅(qū)動芯片控制，以來實現(xiàn)對機(jī)器人的行進(jìn)與停止控制。L298N由STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，L298N內(nèi)部主要由H橋驅(qū)動電路組成，可同時驅(qū)動兩個電機(jī)。電機(jī)A的轉(zhuǎn)速和方向可以分別從IN1、IN2輸入PWM信號進(jìn)行控制，電機(jī)B的轉(zhuǎn)速和方向可以分別從IN3、IN4輸入PWM信號進(jìn)行控制。L298N驅(qū)動模塊電路圖如圖5。

（3）距離檢測模塊

在機(jī)器人行進(jìn)方向的前方安裝有GY-VL53l0X激光測距傳感器，由STC89C52單片機(jī)對其進(jìn)行控制，如測得前方距離小于預(yù)定值時，STC89C52單片機(jī)控制電機(jī)停止，在物體之前停下來。流程圖如圖6所示。

2.2.2 PC104中控機(jī)

PC104中控機(jī)采用緊湊的、自我堆棧式的模塊。PC104相較于STC89C52單片機(jī)來說，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，容易拓展，運(yùn)算速度更快，但其中斷速度響應(yīng)慢[5]?；赑C104中控機(jī)的控制部分主要功能有圖像處理、GPS定位以及數(shù)據(jù)傳輸。以上幾個功能對于CPU的運(yùn)算速度都有一定的要求，選用以PC104中控機(jī)為控制部分較為合理。

（1）藍(lán)牙模塊

利用HC-06藍(lán)牙模塊與PC機(jī)相連，可將實時數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)。藍(lán)牙模塊的設(shè)置相對簡單，無需使用線纜連接上下位機(jī)，實現(xiàn)無線串口連接。因藍(lán)牙傳輸距離有限，考慮到實際使用中，機(jī)器人與地面基站相距較遠(yuǎn)，無法達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸。可更換為無線局域網(wǎng)（WLAN）或3G通信系統(tǒng)，這兩種方式傳輸距離更遠(yuǎn)、傳輸速度更快。藍(lán)牙模塊如圖7。

（2）GPS定位模塊

GPS主要用于機(jī)器人的地理地形位置定位，可以及時鎖定機(jī)器人所處位置，快速查找故障路線位置，進(jìn)行及時的維修。GPS可用其自帶App就可實現(xiàn)定位。GPS定位模塊如圖8。

3 結(jié)束語

高壓線路巡檢機(jī)器人以高壓線路地線為作業(yè)路徑，可完成基本巡檢任務(wù)的機(jī)器人。設(shè)計基于STC89C52單片機(jī)并結(jié)合PC104中控機(jī)的巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)。結(jié)合輸電線路巡檢作業(yè)環(huán)境，通過分析設(shè)計了一種適合運(yùn)行于高壓線路地線的本體機(jī)構(gòu)；通過分析其作業(yè)內(nèi)容，設(shè)計其通過所攜帶的溫度傳感器、攝像機(jī)、GPS、無線通訊等設(shè)備對線路進(jìn)行檢測與數(shù)據(jù)傳輸。所設(shè)計巡檢機(jī)器人有助于提高高壓線路巡檢的工業(yè)化及自動化程度、提高巡檢的效率、減輕巡檢工作人員的勞動強(qiáng)度、降低巡檢過程中的成本、確保電力線路的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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