變電站巡檢機(jī)器人檢測(cè)及控制系統(tǒng)研究

趙剛

摘要：變電站巡檢工作全天候、強(qiáng)電磁等復(fù)雜環(huán)境要求，巡檢機(jī)器人開(kāi)始成為變電站巡檢的主要設(shè)施。變電站巡檢機(jī)器人具有靈活性強(qiáng)、檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)，有非常光明的應(yīng)用前景。本文從導(dǎo)航定位及運(yùn)動(dòng)控制、電源管理、云臺(tái)控制和圖像及聲音檢測(cè)等方面，分析了變電站巡檢機(jī)器人檢測(cè)及控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：變電站；巡檢機(jī)器人；檢測(cè)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

前言：變電站巡檢機(jī)器人的檢測(cè)及控制系統(tǒng)，主要有導(dǎo)航定位與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、云臺(tái)控制系統(tǒng)、圖像與聲音檢測(cè)系統(tǒng)等四部分，是提高變電站設(shè)備巡檢效率、節(jié)約人力資源的重要工具。變電站巡檢機(jī)器人所搭載的動(dòng)態(tài)電源管理、智能模式識(shí)別等多種先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)ψ冸娬驹O(shè)備完成自動(dòng)巡檢與遙控巡檢行為，并可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備的問(wèn)題，在強(qiáng)化變電站自動(dòng)化程度的前提下，有效提高了設(shè)備巡檢效果。

1.導(dǎo)航定位及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

導(dǎo)航定位及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是變電站巡檢機(jī)器人的主要系統(tǒng)之一，其性能對(duì)機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性與定位精確度有決定性的影響?，F(xiàn)有的巡檢機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般采取磁導(dǎo)航方式，利用機(jī)器人上磁傳感器組來(lái)判斷機(jī)器人行走路線相對(duì)于磁軌跡的偏移，來(lái)完成對(duì)機(jī)器人行進(jìn)方向的引導(dǎo)，使其依照預(yù)定路線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人對(duì)變電站設(shè)備的檢測(cè)。巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，定位精度高，導(dǎo)航可達(dá)厘米級(jí)，應(yīng)用效果較好，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。但其缺點(diǎn)主要在于機(jī)器人運(yùn)行前，需要鋪設(shè)大量的磁軌跡，前期準(zhǔn)備工作如地面處理等工作量很大，且巡檢路線缺少靈活性，不能完全滿足變電站對(duì)設(shè)備巡檢的需求。

行走方式關(guān)系到巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與運(yùn)行速度。變電站巡檢機(jī)器人主要有輪式與履帶式兩種行走結(jié)構(gòu)，其中，最常見(jiàn)的行走方式是輪式，這種方式的特點(diǎn)是靈活性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效果高、易于控制等，在平坦路面上可持續(xù)高速行走，具有顯著優(yōu)勢(shì)。但在有溝渠、臺(tái)階等非平臺(tái)地面，輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)存在運(yùn)行問(wèn)題。在光滑、柔軟地面上，輪式結(jié)構(gòu)因其與地面接觸面積小，導(dǎo)致易在以上路面出現(xiàn)打滑、沉陷等現(xiàn)象。履帶式機(jī)器人與地面接觸面積大，適用于路面泥濘、柔軟的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在地面不平、有溝壑、樓梯臺(tái)階、負(fù)重要求高的場(chǎng)所具有顯著優(yōu)勢(shì)。但履帶式機(jī)器人的缺點(diǎn)是移動(dòng)速度較慢，轉(zhuǎn)向靈活性不高，減震效果差，運(yùn)行時(shí)聲音較高，整體重量大，功耗高等，且對(duì)地面會(huì)造成一定程度的破壞。地面條件若較為惡劣，則可能導(dǎo)致巡檢機(jī)器人履帶破損。在對(duì)變電站巡檢機(jī)器人行走方式進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤后，結(jié)合地形適應(yīng)性、速度、控制精度等因素進(jìn)行綜合分析得出，在相對(duì)平坦的變電站路面上，巡檢機(jī)器人的行走方式多使用輪式結(jié)構(gòu)。

2.電源管理系統(tǒng)

電池組是變電站巡檢機(jī)器人的主要?jiǎng)恿υ矗娫垂芾硐到y(tǒng)通過(guò)采集電池組與設(shè)備參數(shù)，來(lái)調(diào)整管理策略，轉(zhuǎn)換分配電池組電能，并及時(shí)作出電量不足等異常狀況的預(yù)警，以確保巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全自主運(yùn)行的能源供應(yīng)。變電站巡檢機(jī)器人要長(zhǎng)期值守于變電站，為實(shí)現(xiàn)高度自治目標(biāo)，必須要具備自動(dòng)化水平高、穩(wěn)定性強(qiáng)的電源管理系統(tǒng)。

電源管理系統(tǒng)核心為單片機(jī)，通過(guò)對(duì)電池組的保護(hù)來(lái)確保電池正常運(yùn)行，并提高電池效率、延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。電源狀態(tài)信息會(huì)直接反饋在機(jī)器人外部的指示燈上，一旦電池電量過(guò)低，則必須進(jìn)行充電。自動(dòng)充電是變電站巡檢機(jī)器人電源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。電源管理系統(tǒng)在檢測(cè)到電池電量不足時(shí)，會(huì)自動(dòng)運(yùn)行保護(hù)措施，發(fā)出警告信息并使機(jī)器人提前結(jié)束巡檢，返回充電室充電。在極端情況下，電源管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電來(lái)避免電池過(guò)放。當(dāng)電池充滿后，電源管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷充電回路，防止電池過(guò)充。整個(gè)充電過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，完全由機(jī)器人的電源管理系統(tǒng)來(lái)完成。

電源管理系統(tǒng)還會(huì)控制散熱風(fēng)扇與電加熱板，來(lái)調(diào)節(jié)電池組工作溫度。電池組工作過(guò)程中，溫度一直處于不斷變化狀態(tài)，電源管理系統(tǒng)通過(guò)采集電池組工作實(shí)時(shí)溫度，來(lái)避免溫度過(guò)高而影響電池效率及安全性，延長(zhǎng)電池使用時(shí)限。此外，電池故障大多伴隨著溫度異常，因而檢測(cè)電池溫度，就可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池故障。

此外，電源管理系統(tǒng)會(huì)將命令執(zhí)行與異常狀況存儲(chǔ)在芯片上，便于工作人員檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)與故障排查。狀態(tài)信息包括精度為秒的時(shí)間標(biāo)簽、告警標(biāo)志、電池充放電電流、溫度等，并有記錄總數(shù)、事項(xiàng)召喚個(gè)數(shù)與起始地址等信息。

3.云臺(tái)控制系統(tǒng)

變電站巡檢機(jī)器人是按預(yù)先設(shè)定的路線運(yùn)行至檢測(cè)點(diǎn)后，調(diào)用云臺(tái)控制功能，使用可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱像儀等設(shè)備來(lái)檢測(cè)電力設(shè)備狀況。云臺(tái)控制系統(tǒng)的作用主要是承上啟下，其性能是巡檢機(jī)器人紅外成像質(zhì)量的主要因素之一，對(duì)機(jī)器人巡檢工作質(zhì)量與效率有直接影響作用。

4.圖像及聲音檢測(cè)系統(tǒng)

電力設(shè)備的圖像采集是通過(guò)變電站巡檢機(jī)器人所持有的可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱像儀等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖像采集完成后會(huì)利用無(wú)線設(shè)備將其上傳至后臺(tái)，并通過(guò)圖像預(yù)處理、特征提取等環(huán)節(jié)，來(lái)判斷電力設(shè)備內(nèi)部缺陷問(wèn)題，和外部機(jī)械、電氣情況，之后向上一級(jí)發(fā)送告警信號(hào)。這種圖像檢測(cè)系統(tǒng)使得工作人員無(wú)需隨時(shí)關(guān)注監(jiān)視屏幕，有利于節(jié)約人力資源，實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人值守目標(biāo)。

在聲音檢測(cè)上，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是利用設(shè)備上的音頻傳感器與信號(hào)處理單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方式需要在每一個(gè)待檢測(cè)電力設(shè)備上安裝音頻傳感器，缺少靈活性，且安裝成本高、操作困難。相比之下，巡檢機(jī)器人靈活性更強(qiáng)，巡檢工作中到達(dá)待檢測(cè)設(shè)備旁，就會(huì)自動(dòng)啟用音頻采集模塊，錄制設(shè)備運(yùn)行聲音，并將錄音進(jìn)行編碼后上傳至音頻訓(xùn)練和識(shí)別模塊。音頻訓(xùn)練功能負(fù)責(zé)提取聲音特征，存儲(chǔ)音頻特征庫(kù)與聲音信號(hào)，之后利用識(shí)別功能來(lái)提取待識(shí)別聲音特征，通過(guò)與特征庫(kù)的對(duì)比來(lái)判斷電力設(shè)備運(yùn)行情況。

5.推廣變電站巡檢機(jī)器人的意義

變電站人工巡檢方式是工作人員對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷，對(duì)人力資源要求較高，在巡檢過(guò)程中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、主觀因素多、效率不高等問(wèn)題，導(dǎo)致變電站無(wú)法精確控制巡檢成果，難以真正把控巡檢質(zhì)量。人工巡檢還會(huì)受天氣影響，在極端氣候條件下無(wú)法開(kāi)展巡檢工作，使得管理成本增加，與當(dāng)代信息化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)相悖。應(yīng)用巡檢機(jī)器人是提高變電站電力設(shè)備巡檢質(zhì)量與效率的主要措施，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)各大變電站中逐漸推廣開(kāi)來(lái)。變電站巡檢機(jī)器人能夠在復(fù)雜天氣、強(qiáng)電磁等環(huán)境下工作，憑借多項(xiàng)前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備的自動(dòng)巡檢。實(shí)踐表明，巡檢機(jī)器人可在暴雨、高溫等惡劣天氣下正常工作，且具有準(zhǔn)確度較高的檢測(cè)結(jié)果，這大大減少了人力資源消耗，提高了巡檢質(zhì)量，減少了維護(hù)成本，是推動(dòng)變電站無(wú)人值守發(fā)展的重要保障。

結(jié)束語(yǔ)：變電站巡檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)全天候、全自主智能巡檢與監(jiān)控，對(duì)保障變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用。巡檢機(jī)器人已成為變電站巡檢的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)創(chuàng)新型技術(shù)手段的應(yīng)用，來(lái)確保電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為變電站提供了全方位安全保障，具有廣闊的發(fā)展空間。

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