小型便攜式電纜溝巡檢小車(chē)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜凌霄，徐世東，嚴(yán)中亮

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)山西送變電工程公司，山西 太原 030001；3.國(guó)網(wǎng)山西呂梁供電公司，山西 離石 030012）

0 引言

現(xiàn)階段輸變電工程大多實(shí)行無(wú)人值守變電站，且電纜溝位于地下，空間狹窄封閉，給運(yùn)行人員定期巡檢帶來(lái)困難[1]，不安全隱患很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)500 kV變電站的巡視檢查要求，提出了“每月要定期開(kāi)展電纜溝的檢查，檢查電纜溝雜物、積水、電纜脫落和電纜溝內(nèi)防火隔墻以及電纜溝內(nèi)小動(dòng)物活動(dòng)的防護(hù)情況”等維護(hù)任務(wù)。

1 實(shí)際的電纜溝巡視過(guò)程中面臨的問(wèn)題

運(yùn)維人員在實(shí)際的電纜溝巡視過(guò)程中主要有以下兩個(gè)方面的問(wèn)題。

1.1 人工檢查電纜溝費(fèi)時(shí)和費(fèi)力

運(yùn)維人員在檢查電纜溝的過(guò)程中普遍存在檢查電纜溝時(shí)間長(zhǎng)的共性問(wèn)題。檢查時(shí)間長(zhǎng)，主要是因?yàn)殡娎|溝較長(zhǎng)，且電纜溝中的防火隔墻多?，F(xiàn)有方法是采用人工翻開(kāi)電纜溝蓋板進(jìn)行檢查，必要時(shí)還需要人工鉆進(jìn)電纜溝進(jìn)行重點(diǎn)巡視。電纜溝蓋板本身重量不輕，再加上電纜溝空間狹小陰暗，檢查非常不便，遇到防火隔墻時(shí)必須鉆出該段電纜溝，翻開(kāi)另一段電纜溝蓋板再次進(jìn)入，整個(gè)巡視過(guò)程極為費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

1.2 檢查電纜溝容易造成人員傷害

巡視電纜溝過(guò)程中，由于電纜溝內(nèi)支架多，鋒利邊緣多，空間狹窄，人員在進(jìn)出電纜溝的時(shí)候很容易被磕碰劃傷。而且電纜溝內(nèi)屬于密閉空間，在夏季，有積水或者有死老鼠時(shí)，空氣環(huán)境極其惡劣，無(wú)法滿(mǎn)足人員入內(nèi)巡視檢查的要求。

2 小車(chē)的組成及其功能原理

電纜溝道監(jiān)測(cè)機(jī)器人由機(jī)器人平臺(tái)、控制模塊、電源模塊、遙控及監(jiān)測(cè)模塊、通信模塊等組成[2]，系統(tǒng)操作軟件安裝在手機(jī)APP上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遙控操作。

2.1 小車(chē)控制平臺(tái)

小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)建立在arduino平臺(tái)上，使用arduino專(zhuān)用語(yǔ)言進(jìn)行編程，將編輯完成的程序下載進(jìn)控制小車(chē)程序的中央處理器CPU中，以使其完成指定的動(dòng)作及功能。中央處理器CPU對(duì)小車(chē)的3路電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，除了控制小車(chē)的行動(dòng)外，還另外控制小車(chē)攝像頭云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同角度的視角觀察，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制流程圖如圖1所示。攝像頭采用直連方式，與APP后臺(tái)端口直接對(duì)接，不經(jīng)過(guò)小車(chē)中央處理器CPU，這樣設(shè)計(jì)的目的是減少視頻傳輸延時(shí)。

圖1 小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制框圖

小車(chē)的控制芯片組件帶有金屬網(wǎng)屏蔽罩，可以屏蔽電纜溝內(nèi)的電磁干擾，保證小車(chē)控制芯片的正常工作，此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)研究領(lǐng)域未見(jiàn)使用。該小車(chē)使用arduino平臺(tái)，可以快速修改小車(chē)的指令程序，使小車(chē)不僅可以人工操控，還可以自主完成特定動(dòng)作。小車(chē)控制系統(tǒng)主板采用小型化、低功耗、高可靠性、多層化及抗干擾設(shè)計(jì)，同時(shí)預(yù)留足夠控制接口，方便系統(tǒng)擴(kuò)展[2]。

2.2 小車(chē)通訊模塊

小車(chē)使用手機(jī)客戶(hù)端APP進(jìn)行控制，小車(chē)本身通過(guò)ESP8266 Wifi模塊發(fā)射2.4 GHz的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，手機(jī)連接此Wifi信號(hào)后通過(guò)客戶(hù)端APP實(shí)現(xiàn)小車(chē)的遙控和遙視。機(jī)器人、云臺(tái)和攝像頭調(diào)焦的控制信號(hào)通過(guò)2.4 GHz無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳到位于豎井底部的無(wú)線(xiàn)中繼路由器上（無(wú)線(xiàn)中繼路由器可以延長(zhǎng)機(jī)器人的控制距離，但是并不是必須的，小車(chē)和手機(jī)可以直接相連），無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)出無(wú)線(xiàn)信號(hào)，機(jī)器人上的無(wú)線(xiàn)接收模塊接收后通過(guò)解碼變成控制信號(hào)，對(duì)機(jī)器人、云臺(tái)和攝像頭進(jìn)行控制[3]，小車(chē)的整體實(shí)物圖如圖2所示；同時(shí)各種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到手機(jī)APP端實(shí)時(shí)顯示。

圖2 智能電纜溝機(jī)器人實(shí)物展示

2.3 云臺(tái)控制及照明

攝像頭帶有LED照明功能，安裝在二自由度的云臺(tái)上面（云臺(tái)1可以進(jìn)行上下旋轉(zhuǎn)，云臺(tái)2可以進(jìn)行左右旋轉(zhuǎn)）。在進(jìn)入電纜溝深處的黑暗路段時(shí)，小車(chē)自帶的“LED光源”可以為小車(chē)提供照明，200 LM的光通量可以保證小車(chē)前方及可視范圍內(nèi)的空間清晰可見(jiàn)。使用了云臺(tái)，可以自由地旋轉(zhuǎn)攝像頭到任意角度檢查電纜溝內(nèi)的情況。由于使用了照明功能，即使在沒(méi)有光照條件下也能清楚看到電纜溝內(nèi)的情況。小車(chē)結(jié)構(gòu)為窄體式設(shè)計(jì)，最大寬度35 cm，可進(jìn)入50 cm寬的最窄型電纜溝，替代人工或任何機(jī)械進(jìn)行檢查；同時(shí)由于體積小巧，具有很強(qiáng)的便攜性，目前，適用此類(lèi)電纜溝的小車(chē)及小車(chē)技術(shù)國(guó)內(nèi)研究領(lǐng)域?yàn)榱恪?/p>

3 小車(chē)的使用方法

電纜溝巡檢小車(chē)依托先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、手機(jī)APP技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，可以將深處地面之下的小車(chē)的實(shí)時(shí)視頻信息傳回至手機(jī)，同時(shí)可以通過(guò)手機(jī)APP來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)[4]。功能主要實(shí)現(xiàn)：使用時(shí)，打開(kāi)一塊電纜溝蓋板，使用拉閘桿掛鉤將小車(chē)放入電纜溝內(nèi)，如圖3所示。由于小車(chē)體積小，且安裝有履帶，可以在電纜溝底部中間的落水槽上移動(dòng)。登錄手機(jī)客戶(hù)端APP連接與小車(chē)控制系統(tǒng)集成的無(wú)線(xiàn)模塊，在手機(jī)客戶(hù)端操作界面可以直接查看小車(chē)攝像頭傳輸回來(lái)的實(shí)時(shí)畫(huà)面；同時(shí)可以操作小車(chē)的行動(dòng)，當(dāng)在巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，可以實(shí)時(shí)拍照和錄像。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)工作將巡檢小車(chē)放入電纜溝的過(guò)程

電纜溝巡檢小車(chē)主要為解決在人工檢查“電纜溝雜物、積水、電纜脫落情況，檢查電纜溝內(nèi)防火隔墻封堵情況，檢查電纜溝內(nèi)小動(dòng)物活動(dòng)情況”過(guò)程中，檢查電纜溝時(shí)間長(zhǎng)，檢查電纜溝過(guò)程中容易造成人員傷害的問(wèn)題。

4 電纜溝巡檢小車(chē)關(guān)鍵技術(shù)

a） 實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶(hù)端APP實(shí)時(shí)遙控小車(chē)。通過(guò)使用手機(jī)客戶(hù)端APP可以方便快捷地實(shí)時(shí)遙控小車(chē)，只要將APP安裝在任意安卓手機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，后期成本低[5]。

b）通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙視小車(chē)。在電纜溝的巡視檢查過(guò)程中，利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)遠(yuǎn)傳圖像，最遠(yuǎn)可以將28 m外（中繼路由器情況下90 m至1.5 km）視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳。

c）手機(jī)客戶(hù)端具有照相和錄像功能?？梢詫⑿≤?chē)第一視角的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄，方便后期進(jìn)行查看。

d）模塊化組裝，滿(mǎn)足量產(chǎn)需求。小車(chē)整體分為遙視控制部分、底盤(pán)動(dòng)力部分、照明組件部分、無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)?大部分。裝置核心處理系統(tǒng)有完整的印刷電路板PCB（printed circuit board） 電路板圖[6]，能滿(mǎn)足快速量產(chǎn)需求；其他零部件也均為模塊化設(shè)計(jì)或現(xiàn)成產(chǎn)品，與核心處理部分接口連接即可，可滿(mǎn)足快速組裝及維修要求。

e）整套小車(chē)裝置成本低，擁有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本項(xiàng)目已經(jīng)申請(qǐng)專(zhuān)利，小車(chē)所有組件及核心控制程序全部為運(yùn)維人員自己研發(fā)，不依托于外部廠家；每臺(tái)巡檢小車(chē)成本約4000元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相關(guān)小車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的售價(jià)。

f）體積小，動(dòng)力強(qiáng)，光照效果好，適應(yīng)性強(qiáng)。由于各個(gè)變電站電纜溝尺寸不一，且電纜溝內(nèi)有雜物堆積，輕巧的機(jī)身能夠在絕大多數(shù)電纜溝中自由穿行，履帶式底盤(pán)可以輕松跨越各種障礙物；動(dòng)力強(qiáng)勁，可上42°斜坡；雙履帶分步驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，適應(yīng)更狹小空間。

g）不需要連接外網(wǎng)，信息安全可靠。使用2.4 GHz的頻率傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備無(wú)干擾。

5 結(jié)論

使用手機(jī)客戶(hù)端APP作為上位機(jī)系統(tǒng)突破了終端的限制，只需一部安卓智能手機(jī)即可通過(guò)安裝使用此款A(yù)PP來(lái)操控小車(chē)，適用性極強(qiáng)，易于上手，后期無(wú)維護(hù)成本。電纜溝巡檢小車(chē)在大大提高工作效率、縮短檢查電纜溝時(shí)間的同時(shí)，保證了人身安全，可以避免人員進(jìn)入電纜溝帶來(lái)的各種傷害和不適，實(shí)驗(yàn)效果好，便利性高，可推廣性強(qiáng)，具有極其重要的實(shí)際生產(chǎn)意義。