變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計

趙璠璠

（山西西山藍焰煤層氣有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024）

1 研究背景

隨著電力行業(yè)智能化的普及應(yīng)用，對智能巡檢機器人也進行了大力的推廣。變電站是連接各個電網(wǎng)的樞紐，變電站的安全運行直接決定了電網(wǎng)的正常運行，因此變電站的巡檢工作顯得十分重要。以往人工巡檢中巡檢工人勞動強度大、安全風(fēng)險高、工作效率低，在惡略天氣下巡檢還容易出現(xiàn)差錯，因此使用智能巡檢機器人就顯得至關(guān)重要。智能巡檢機器人具有自主導(dǎo)航定位、檢測固定點位、上傳數(shù)據(jù)、自動充電等一系列功能，其主要可以通過紅外識別由于電壓、電流導(dǎo)致的設(shè)備過熱等問題，還可以檢測到設(shè)備運行中出現(xiàn)的超負荷等情況，可以真正實現(xiàn)變電站智能檢修方案[1-2]。

2 研究現(xiàn)狀

變電站運用智能巡檢機器人可以追溯到80 年代，日本率先開展此項工作的研究。1988 年，Jun Sawada 教授研制了一款巡視機器人，主要應(yīng)用于66 kV 以上光纖復(fù)合架空地線。日本三菱公司開發(fā)了一款基于軌道交通的500 kV 巡檢機器人。2003 年日本學(xué)者研制了一款沿軌道行駛的機器人，其具有自行充電、與后臺數(shù)據(jù)交換等功能。2008 年Wail Gueaieb 等人結(jié)合RFID 技術(shù)對機器人添加定點識別等功能，可以使機器人準確對故障進行定位，完成巡檢任務(wù)，并且可以通過RFID 對機器人下命令[3-4]。

3 自動巡檢機器人硬件設(shè)計

3.1 運動模塊

本文選取巡檢機器人體積較小，動力、制動和傳動裝置模塊化安裝。其中輪轂電機選取直流無刷電機，其具有調(diào)速平滑、啟動性能優(yōu)越等特點。其中最高轉(zhuǎn)速可達15 000 r/min，最大電流19 A，為保證電機安全配備相關(guān)減速機構(gòu)，方便轉(zhuǎn)速控制，最大輸出電流限制為15 A。輪轂轉(zhuǎn)向模塊選取步進電機進行轉(zhuǎn)向控制，步進電機具有轉(zhuǎn)向精度高的特點，但其轉(zhuǎn)矩也較小，不適合較大較快轉(zhuǎn)向，因此機器人行走主要在低速、低強度條件下進行。輪轂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖1所示。本設(shè)計選取TMCM-1161 控制器控制步進電機，其額定電流為2.8 A，額定電壓為24 V。減速機減速比為15∶1。

圖1 步進電機配合減速機控制的輪轂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

3.2 主控模塊

控制系統(tǒng)是機器人行動的核心，本設(shè)計選取STM32f407 系列控制芯片，其主要內(nèi)核為ARM Cortex-M4，具有運行速度快、存儲空間大、連接串口多等優(yōu)點，其最多可設(shè)置17 個定時器，擁有16 個優(yōu)先級，可滿足機器人的復(fù)雜控制需求。如圖2 所示，該開發(fā)板具有6 個獨立的USART/UART 串口，可利用USB 接口對其進行供電，具有4 個5 V 直流輸出，8 個3.3 V 直流輸出，足夠智能巡檢機器人使用[5-6]。

3.3 通信模塊

變電站巡檢機器人運動過程中需要不斷收發(fā)信息，其主控模塊根據(jù)收發(fā)到的信息對其他機械機構(gòu)進行控制運動，因此通信模塊顯得尤為重要。圖3 所示為主控板通信控制示意圖。

圖2 STM32f407VET6 開發(fā)板

圖3 主控板通信控制示意圖

本文主控板和工控機之間選取USB 轉(zhuǎn)TTL 協(xié)議進行連接，其中USB 總線協(xié)議規(guī)定當(dāng)D+＞2.8 V、D-＜0.3 V 時為高電頻，D-＞2.8 V、D+＜0.3 V 時為低電頻。工控機根據(jù)現(xiàn)場情況向控制模塊發(fā)出模擬信號，根據(jù)控制器解析計算相應(yīng)的控制量，向步進電機和輪轂電機發(fā)出指令，控制相關(guān)電機運行。而步進電機、輪轂電機主要是通過RS485 電平進行通信，所以主控板通過TTL 轉(zhuǎn)RS485 模塊進行電平轉(zhuǎn)換后與相關(guān)設(shè)備進行通信。為保證信息傳輸?shù)臏蚀_性和快捷性，將所有設(shè)備與一個RS485 模塊相連。

3.4 其他模塊

本文選取的電源模塊為將多個磷酸鐵鋰電池進行串聯(lián)，單個電池電壓為3.2 V，串聯(lián)12 個電池后，電源電壓為38.4 V，可以滿足機器人運動供電。制動模塊選取繼電器配合急停開關(guān)的方式進行制動，在遇到緊急情況下，用繼電器動斷觸點可以完成大電流的切斷功能。散熱模塊，本設(shè)計通過在機器人上方開孔的方式增加機器人散熱，并在機器人前方安裝散熱風(fēng)扇，可以避免過熱引起自燃等事故。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

保證機器人長時間、高強度運轉(zhuǎn)需要魯棒性好、誤差小的控制策略作為保障。

4.1 輪轂角度適時控制策略

由于巡檢地形復(fù)雜，行動中環(huán)境多變，輪轂在運行過程中可能會因碰撞、摩擦發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成運行失步，隨著時間累積誤差逐漸增大。因此考慮對步進電機添加閉環(huán)控制策略。如圖4 所示，根據(jù)指令選取目標(biāo)角度與反饋值之差，步進電機根據(jù)角度差值除以360°，確定每圈步數(shù)，通過減速機進行減速，減速后通過電機進行輸出。輸出角度通過角度傳感器與輸入角度進行對比，將差值輸入系統(tǒng)，形成閉環(huán)，實現(xiàn)輪轂的自動校正。運動指令與目標(biāo)運動角度之間滿足式（1）：

圖4 角度傳感器輔助步進電機的閉環(huán)控制

式中：s 為電機需要前進步數(shù)，S 為電機每圈的步數(shù)，G 為減速機構(gòu)的減速倍數(shù)，θ 為目標(biāo)運動角度，φ 為當(dāng)前傳感器的返回值，φmax為傳感器最大返回值。

4.2 電機運動控制策略

為保證機器人運動平滑，制定一種控制策略避免機器人在啟停中因速度突變發(fā)生不必要的抖動，以增加機器人安全性，減少機械磨損，減少定位誤差。本設(shè)計選取的控制策略為S 形控制策略，如圖5 所示。

圖5 S 形速度平滑控制算法

如圖5 所示，可以看出機器人分加速、勻速、減速三個階段，加速過程中保證加速度對時間的導(dǎo)數(shù)為一常數(shù)，從而確保機器人加速階段實現(xiàn)平滑過渡?？梢缘贸鍪剑?）：

保證加速度倒數(shù)為常數(shù)的話，即可得出式（3）：

式中：a'為加速度對時間的導(dǎo)數(shù)，m/s3；J 為某常數(shù)，代表加速度對時間導(dǎo)數(shù)的值，m/s3。

通過分析結(jié)合實際情況可知，機器人每到一個點需要停下來對故障進行檢測，故機器人在一個行程周期內(nèi)需要多次啟停，通過添加控制算法可以使加速度平滑，減少機械摩擦，大大延長機器人的使用壽命。

4.3 通信故障控制策略

主模塊和各個分模塊間有著自己的通信策略，例如輪轂電機收到主控板的信號后，通過指令校驗，開始運轉(zhuǎn)，當(dāng)輪轂電機與主控板通信發(fā)生故障后，主控板未接收到反饋指令，不能判斷輪轂電機的運行狀態(tài)，故機器人會發(fā)生錯誤報警。

基于上述問題，本文提出一種通信故障時的控制策略，如圖6 所示。

圖6 通信失敗的診斷與應(yīng)對策略

可以看出在中斷響應(yīng)后下發(fā)指令進行詢問，接受到反饋信號后，判斷其校驗是否合法，若合法則計數(shù)器計0，判斷為無故障，若不合法，則計數(shù)器加1；判斷計數(shù)器數(shù)值是否超過閾值，若超過則采取應(yīng)急措施，對機器人進行緊急停止，并上傳故障信息，若沒超過則判斷機器人可以繼續(xù)運行。

5 結(jié)論

本文針對變電站復(fù)雜的運行情況，設(shè)計了智能化自動巡檢機器人，其硬件設(shè)備包括運動模塊、主控模塊、通信模塊、電源模塊、制動模塊等。各個模塊結(jié)合良好，通過控制系統(tǒng)運行流暢。針對輪轂轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)，可以保證輪轂多次轉(zhuǎn)向后沒有位移誤差；針對機器人運動啟停運動控制系統(tǒng)可以保障機器人順暢運轉(zhuǎn)，避免機械摩擦過多導(dǎo)致機器人壽命降低；主要針對運行中出現(xiàn)通信故障問題，通信故障控制系統(tǒng)使機器人及時停止運行，保障機械安全。