多功能變電站搜救機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 宇，斯文麒

(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京210000；2.杭州東部信必優(yōu)服務(wù)外包有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

電力作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民日常生活的能源來源，在整個(gè)社會(huì)發(fā)展中起到了舉足輕重的作用，而變電站是保障整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。隨著變電站綜合自動(dòng)化程度不斷提高，由電氣設(shè)備本身因素以及外界環(huán)境天氣等因素誘發(fā)的電力火災(zāi)事故日漸增多。電力火災(zāi)事故一旦發(fā)生，其危險(xiǎn)性大且涉及范圍廣，因此災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的信息獲取成為制定滅火救援計(jì)劃的前提和關(guān)鍵[1]，而變電站搜救機(jī)器人成為救援工作中不可缺少的輔助裝置[2]。

在傳統(tǒng)的救援中，當(dāng)事故發(fā)生后，消防救援人員被派到事故現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行滅火搜救。然而變電站內(nèi)部設(shè)備眾多且情況復(fù)雜多變，消防救援人員通常不知道火災(zāi)內(nèi)部的實(shí)際狀況，在事先沒有檢測(cè)到環(huán)境信息的情況下進(jìn)入變電站內(nèi)部，對(duì)救援人員來說是非常危險(xiǎn)的?；谶@種情況，變電站搜救機(jī)器人憑借自身獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，可以快速地投入到搜救工作中，從而為滅火營(yíng)救工作帶來極大方便。

為此，在分析和研究變電站搜救機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上[3]，從軟硬件結(jié)合的角度出發(fā)，對(duì)可以搭載多種傳感器進(jìn)行環(huán)境信息采集的變電站搜救機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。首先，搭建了以STC12C5A60S2芯片為控制核心的變電站搜救機(jī)器人硬件平臺(tái)；其次，通過對(duì)井下無線通信技術(shù)的選擇對(duì)比，選擇了應(yīng)用于變電站搜救機(jī)器人的Wi-Fi通信方案；然后，利用LabVIEW軟件編寫了上位機(jī)控制平臺(tái)，并分析了搜救機(jī)器人視頻采集、車體姿態(tài)3D顯示以及模擬雷達(dá)技術(shù)，開發(fā)出一種多功能變電站搜救機(jī)器人系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本次變電站搜救機(jī)器設(shè)計(jì)過程中，需要滿足在Wi-Fi環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸、上位機(jī)的視頻監(jiān)控顯示和遠(yuǎn)程控制的功能[4]。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、Wi-Fi無線傳輸模塊、運(yùn)動(dòng)控制部分、傳感器采集部分和視頻采集部分構(gòu)成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由圖1可知，傳感器采集部分負(fù)責(zé)采集：事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，如溫度、有毒氣體濃度、磁場(chǎng)變化、視頻信息；自身數(shù)據(jù)，如車體運(yùn)行姿態(tài)、攝像頭姿態(tài)和電池電壓等。將采集到的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi無線傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控平臺(tái)，上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)以電腦為基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和視頻監(jiān)控工作。PC上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)上通過Wi-Fi無線模塊發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)指令給單片機(jī)處理器，處理器根據(jù)相應(yīng)指令完成對(duì)機(jī)器人電機(jī)、舵機(jī)和車燈的控制，完成整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制工作。

2 系統(tǒng)硬件選型與電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要是由控制系統(tǒng)、傳感器模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)和攝像頭等模塊構(gòu)成。

2.1 控制系統(tǒng)的選擇

本次設(shè)計(jì)采用STC公司的STC12C5A60S2作為主要的控制核心，該控制芯片內(nèi)部資源豐富，運(yùn)算速率快且抗電磁干擾能力強(qiáng)。擁有8路AD，2路PWM波和2路串口。芯片容量為60 KB的ROM，1 280 B的RAM，基本可以滿足大容量程序下載，無需再接存儲(chǔ)芯片。其功耗較低，性價(jià)比高，適合作為本系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理

2.2 傳感器模塊選型

變電站搜救機(jī)器人需要在環(huán)境惡劣的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)工作，不僅需要采集事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，而且還需采取車體運(yùn)行數(shù)據(jù)回傳給上位機(jī)。因此，精度和穩(wěn)定性可作為傳感器選型的重要原則[5]。

溫度是火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)是否正常的重要參考因素，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度變化，可采用的傳感器有溫度計(jì)、熱電偶和熱電阻傳感器等。溫度計(jì)測(cè)量簡(jiǎn)潔方便，但因?yàn)椴荒墚a(chǎn)生電信號(hào)，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與報(bào)警無法實(shí)現(xiàn)。熱電阻傳感器的種類很多，應(yīng)用的領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛，但存在熱響應(yīng)慢、耐振動(dòng)和耐沖擊性差、成本同比較高的缺點(diǎn)。通過綜合比較，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體溫度傳感器DS18B20，它具有體積小、穩(wěn)定性好、精度高和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，符合變電站搜救機(jī)器人傳感器選型要求[6]。

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多變、搜救路線復(fù)雜，為了防止車輛翻車，必須利用角度傳感器實(shí)時(shí)了解機(jī)器人的車身姿態(tài)。本設(shè)計(jì)采用MMA7260傳感器芯片。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、靈敏度高，可以監(jiān)測(cè)X，Y，Z三軸加速度值。不同的角度其輸出的各軸電壓值不一樣，因此根據(jù)不同的電壓值可以確定車體所對(duì)應(yīng)的角度。

機(jī)器人運(yùn)行期間會(huì)遇到許多障礙物，由于屬于遠(yuǎn)程操控，攝像頭的探視角度有限。操作者不可能完全了解當(dāng)時(shí)的周圍環(huán)境，從而很好地進(jìn)行避障操作。所以為了救援機(jī)器人更穩(wěn)定的運(yùn)行，本設(shè)計(jì)用超聲波傳感器和舵機(jī)制作了一個(gè)避障模塊，可以180°探測(cè)小車前方障礙，并把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)終端，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境。本設(shè)計(jì)選用的超聲波傳感器為HC-SR04，其具有精度高、體積小和使用方便的特點(diǎn)。非接觸距離可以提供20～400 cm感應(yīng)范圍，測(cè)距精度達(dá)到3 cm。

機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，操作員是無法判斷現(xiàn)場(chǎng)方向的，但有時(shí)必須知道具體方向才可以詳細(xì)了解火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況，所以有必要通過指南針傳感器加以判斷。而且變電站內(nèi)如果周圍有一些異常，會(huì)影響周圍電磁場(chǎng)分布，機(jī)器人探測(cè)到后反饋給上位機(jī)顯示。因此，可以在事故分析時(shí)提供一些有用的操作依據(jù)。本設(shè)計(jì)采用的是IIMC58831指南針傳感器，具有靈敏度和線性精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

搜救機(jī)器人在變電站內(nèi)部工作時(shí)，要靠電能來維持其正常工作。本設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的變電站搜救機(jī)器人電纜供電方式，采用電池直接供電，因此搜救機(jī)器人可以行駛更廣的范圍。本設(shè)計(jì)中為了保證機(jī)器人可以在現(xiàn)場(chǎng)可靠工作并且有很好的續(xù)航能力，設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。供電方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)供電方案

根據(jù)圖3所示，為了保證救援機(jī)器人可以持續(xù)工作1 h以上，本設(shè)計(jì)選用鎳鎘電池，其輸出電壓為7.2 V，電量為2 700 mA·h，2塊電池串聯(lián)提供14.4 V電壓。

由于不同的芯片或電子元器件需要不同的電壓來驅(qū)動(dòng)使能，故本設(shè)計(jì)中所涉及到的芯片或電子元器件，總共需要3種工作電壓：?jiǎn)纹瑱C(jī)和傳感器需要5 V的電壓環(huán)境；舵機(jī)需要6 V的電壓環(huán)境；無線Wi-Fi模塊需要的是12 V的電壓環(huán)境。

由于單片機(jī)模塊和各個(gè)傳感器模塊需要5 V電壓供電，且所用電流之和不超過1 A，所以本設(shè)計(jì)采用5 V電壓芯片LM2940。其電路原理如圖4所示。

圖4 LM2940原理

本設(shè)計(jì)中采用3個(gè)Futaba舵機(jī)，3個(gè)舵機(jī)總電流為1.5 A，所以本設(shè)計(jì)采用的電壓芯片為L(zhǎng)M7806。其電路原理如圖5所示。

圖5 LM7806原理

路由器所用電壓為12 V、電流為1 A，根據(jù)要求及成本選用的芯片為L(zhǎng)M7812。由于LM7812供出大電流時(shí)會(huì)發(fā)熱，所以選加散熱片進(jìn)行散熱。其電路原理如圖6所示。

圖6 LM7812原理

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

救援機(jī)器人靠?jī)蛇叺碾姍C(jī)帶動(dòng)履帶完成前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，因此需要驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)選用驅(qū)動(dòng)芯片為BTS7960，其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，電路搭建方便。

使用4個(gè)BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)2臺(tái)直流電機(jī)，分別為JK1和JK2。單片機(jī)P1.3和P1.4連接到BTS7960使能端，輸出可用于電機(jī)速度控制的PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。STC12C5A60S2引腳P2.5輸出5 V，引腳P2.4輸出0 V，馬達(dá)JK1正向旋轉(zhuǎn)(當(dāng)P2.5引腳輸出0 V，引腳P2.4輸出5 V，馬達(dá)JK1反向旋轉(zhuǎn))?？刂频?個(gè)電機(jī)采用同樣的辦法，單片機(jī)P2.1輸出高電平，單片機(jī)P2.3輸出低電平，電機(jī)JK2正轉(zhuǎn)(反之則反轉(zhuǎn))。BTS7960驅(qū)動(dòng)模塊電路原理如圖7所示。

圖7 BTS7960驅(qū)動(dòng)模塊電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是機(jī)器人智能化的體現(xiàn)[7]，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件2個(gè)部分。下位機(jī)軟件程序包括多個(gè)子程序：控制程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)調(diào)速、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和車燈的開斷控制；傳感器采集程序完成傳感器循壞采集工作；串口通信程序控制單片機(jī)和路由通過TTL串口建立通信。上位機(jī)則采用NI公司的LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)。系統(tǒng)軟件主體流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件的構(gòu)成

3.1 無線路由模塊

路由作為整個(gè)系統(tǒng)的通信樞紐，本設(shè)計(jì)中使用的無線Wi-Fi通信模塊由路由器DB120-WG改造而來。該路由性能穩(wěn)定、傳輸范圍廣且支持OpenWrt[8]。OpenWrt是一個(gè)基于Linux的開源路由固件[9]，提供了一個(gè)完全可寫的文件系統(tǒng)和軟件包管理。為了滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)路由進(jìn)行固件升級(jí)，刷新ser2net和MJPG-Streamer固件。ser2net可以將Wi-Fi模塊所接收到的來自上位機(jī)的控制數(shù)據(jù)，由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。MJPG-Streamer固件可以通過HTTP的形式訪問Linux系統(tǒng)，從而可以使攝像頭采集的視頻信息通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件[10]采用LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)。與傳統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，如VB和C語(yǔ)言使用英文字母編寫代碼相比，LabVIEW使用的是易于理解的圖形化的開發(fā)語(yǔ)言，使用靈活、工作效率高。本系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)界面如圖9所示。

圖9 上位機(jī)監(jiān)控主界面

根據(jù)圖9可知，主界面包括視頻顯示區(qū)域、車速顯示面板、3D車體姿態(tài)顯示區(qū)域、避障雷達(dá)顯示模塊、傳感器數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和控制按鍵區(qū)域。

視頻顯示區(qū)域位于界面正中央，用于實(shí)時(shí)顯示攝像頭監(jiān)控的現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)。

傳感器數(shù)據(jù)顯示區(qū)域位于界面的左上方，以圖形的方式顯示經(jīng)過換算后的溫度、有毒氣體濃度和電壓值。通過對(duì)溫度、有毒氣體濃度和電壓值上限及下限的設(shè)計(jì)，在超出指定范圍時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并且指示燈會(huì)閃爍。

3D車體姿態(tài)顯示區(qū)域位于界面左下方，用于顯示車體的實(shí)時(shí)姿態(tài)，整個(gè)3D圖片先用SoildWorks軟件進(jìn)行繪制生成vhrl文件[11]，然后直接用LabVIEW調(diào)用。

避障雷達(dá)顯示模塊位于界面右上方，用于顯示障礙物位置。本設(shè)計(jì)運(yùn)用超聲波傳感器和舵機(jī)模擬雷達(dá)探測(cè)器的功能。單片機(jī)接收超聲波數(shù)據(jù)，然后通過串口把角度和超聲波數(shù)據(jù)傳給電腦終端。在電腦終端上直接調(diào)用相位圖顯示，用綠色圓點(diǎn)代表障礙物，從而達(dá)到機(jī)器人避障作用。

車速顯示面板位于界面右下方，用于顯示機(jī)器人實(shí)時(shí)車速。

控制按鍵區(qū)位于界面正下方，通過按鍵可以調(diào)整舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、啟動(dòng)視頻的錄制和保存圖片。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)開發(fā)完成后，為了驗(yàn)證機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)性能，通過對(duì)軟硬件性能指標(biāo)進(jìn)行全方位檢測(cè)與調(diào)試。各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值

機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)如圖10所示。經(jīng)過多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合表1和圖10可知：系統(tǒng)采用全金屬履帶式底盤和2個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)性能穩(wěn)定、操控靈敏、移動(dòng)速度快、移動(dòng)范圍廣且適應(yīng)多種地形；采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，視頻像素高、回傳信號(hào)清晰且響應(yīng)速度較快；滿足搜救機(jī)器人視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的需求。

圖10 機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)

5 結(jié)束語(yǔ)

從軟硬件結(jié)合的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種多功能變電站搜救機(jī)器人，選擇性價(jià)比高、性能穩(wěn)定的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器搭建硬件平臺(tái)，選擇無線Wi-Fi技術(shù)作為通信方案，利用LabVIEW制作了上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)完成后經(jīng)過測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)既可以實(shí)時(shí)獲取攝像頭監(jiān)控圖像、顯示各個(gè)傳感器采集的參數(shù)，也可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

與傳統(tǒng)的搜救機(jī)器人相比，本文設(shè)計(jì)的變電站搜救機(jī)器人結(jié)合了多傳感器信息融合技術(shù)、無線通信技術(shù)和上位機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、智能化程度高且性能穩(wěn)定可靠，為變電站事故災(zāi)后救援工作提供了一種快速有效的輔助手段。