室內(nèi)電力巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 姚傳濤 褚海洋 王 坤 陳田濟(jì)凡 莫云曉 王學(xué)埕

2020年全國(guó)共發(fā)生電力人身傷亡事故36起，死亡45人。如能廣泛應(yīng)用室內(nèi)巡檢機(jī)器人，

這一數(shù)值可能會(huì)大大降低。目前用電量增加了許多，相對(duì)變電站的巡檢要求也隨之提高，從而大大提高了對(duì)室內(nèi)電力巡檢機(jī)器人的需求程度。

1 需求分析

自2010年以后，我國(guó)涌現(xiàn)了諸多研究機(jī)構(gòu)和廠家開展了巡檢機(jī)器人的相關(guān)研究工作，并在多個(gè)變電站完成了試運(yùn)行[1]。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要核心將集中在明確所在位置、下一步工作是什么，以及怎樣去那里完成巡檢任務(wù)。所以要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)擁有以下功能：能以較快速度準(zhǔn)時(shí)駛向既定的巡檢任務(wù)地點(diǎn)；在行駛過(guò)程中能智能回避各種障礙物，能做到不碰觸高危設(shè)備，確保自身的安全性；能安全順利通過(guò)升降門；通過(guò)可視化的操作界面能直接設(shè)定機(jī)器人的巡檢任務(wù)以及查看其工作狀態(tài)；能在操作界面遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人完成巡檢任務(wù)，并根據(jù)實(shí)際需要予以拍照。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人將主要具有以下功能：自動(dòng)定位所在位置、自動(dòng)確定導(dǎo)航路徑、智能規(guī)避障礙物、智能拍照、實(shí)時(shí)上傳巡檢信息（圖1），最上層是上位機(jī)管理系統(tǒng)，主要提供機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)查看、設(shè)置巡檢路線、發(fā)布巡檢任務(wù)和拍照對(duì)象，以及提供手動(dòng)遙控機(jī)器人的功能。中間層是邏輯核心層，是機(jī)器人的中央控制以及業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，借助傳感器與攝像頭來(lái)探測(cè)周邊情況。硬件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)承擔(dān)機(jī)器人的相關(guān)運(yùn)用功能，可以轉(zhuǎn)向以及給定速度行駛。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

2.2 硬件架構(gòu)

機(jī)器人的硬件將主要由中樞控制器、四輪全向機(jī)器人平臺(tái)、垂直升降云臺(tái)及傳感器系統(tǒng)構(gòu)成。其中中樞控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集和處理，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)予以實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制。同時(shí)將機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息等傳輸至中控機(jī)，并對(duì)相應(yīng)的控制指令予以響應(yīng)；四輪全向機(jī)器人平臺(tái)是機(jī)器人的承載平臺(tái)，將借助4個(gè)麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；垂直升降云臺(tái)在控制器以及直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制下，主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人的多角度檢測(cè)；傳感器系統(tǒng)主要包括激光雷達(dá)、超寬帶定位模塊等傳感器而構(gòu)成，通過(guò)多種傳感器的協(xié)同配合，共同完成對(duì)機(jī)器人相關(guān)情況的判斷。

超聲測(cè)距。機(jī)器人由于將主要在電站的監(jiān)控室、生產(chǎn)車間等較為復(fù)雜的環(huán)境下執(zhí)行巡檢任務(wù)，所以需實(shí)時(shí)探測(cè)和判斷周圍環(huán)境情況，是否存在障礙物、危險(xiǎn)不可碰觸高危設(shè)備等。避障傳感器主要是借助超聲探測(cè)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物感知[2]，其具有發(fā)生和接收超聲波的功能，當(dāng)發(fā)出的超聲波遇到障礙物后會(huì)發(fā)反射，接收器在接收到反射信號(hào)后將自動(dòng)將相關(guān)距離信息計(jì)算出來(lái)并提供給機(jī)器人。本設(shè)計(jì)將使用多個(gè)傳感模塊來(lái)構(gòu)成一個(gè)傳感器陣列，如此就能夠?qū)Χ鄠€(gè)單點(diǎn)距離的信息進(jìn)行綜合分析。

電量檢測(cè)。由于電池在放電過(guò)程中伴隨電量的減少其帶負(fù)載輸出電壓會(huì)下降較為明顯[3]，所以通過(guò)數(shù)字量化輸出電壓就能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池剩余電量的成功估計(jì)。但考慮到剩余電量與帶載輸出電壓兩者間并非線性關(guān)系，因此通過(guò)這樣的方法來(lái)估計(jì)得到的結(jié)果并不一定準(zhǔn)確，所以考慮預(yù)先對(duì)電池負(fù)載放電特性加以估計(jì)和測(cè)定，以便所獲得的電池電壓值變得更加準(zhǔn)確。

升降云臺(tái)。主要采用分布式控制的方式來(lái)控制垂直升降云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)都將被配備控制器，在充分考慮成本的情況下對(duì)其予以模塊化設(shè)計(jì)。而控制器內(nèi)部將做到電機(jī)的閉環(huán)控制，把編碼器所反饋的角度信息讀取到以后作為反饋信號(hào)，從而借此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制執(zhí)行值的計(jì)算。其中水平控制單元主要負(fù)責(zé)水平方向的旋轉(zhuǎn)，而垂直升降單元將主要負(fù)責(zé)垂直方向的運(yùn)動(dòng)。分立的控制單元將作為從設(shè)備掛載于中樞控制器的CAN總線，在實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)獨(dú)立控制的同時(shí)還可借助中樞控制器將相關(guān)協(xié)調(diào)工作做好。

通信接口。通過(guò)總線通信方式主要借助分立的控制器（Controller）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中樞控制器連接的架構(gòu)，各類傳感器（Sensor）也是通過(guò)這樣一種方式從而掛載于通信端口上。而中樞控制器將主要負(fù)責(zé)對(duì)各類數(shù)據(jù)的采集，并遵循設(shè)定的格式對(duì)這些數(shù)據(jù)加以打包傳輸。而上位機(jī)在收到相關(guān)指令信息后也會(huì)先將數(shù)據(jù)解析出來(lái)然后加以執(zhí)行。

系統(tǒng)電源。主要是指兩個(gè)部分，即中控機(jī)電源以及機(jī)器人平臺(tái)電源。其中針對(duì)工控機(jī)電源將使用獨(dú)立的鋰電池（12V、40Ah）?？紤]到該電池存在電壓輸出不夠穩(wěn)定，將對(duì)其借助DC-DC予以升壓處理。平臺(tái)電源能借助平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，能滿足多個(gè)供電需求。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括中控機(jī)和上位機(jī)，主要是底盤以上的層級(jí)。其中中控機(jī)主要負(fù)責(zé)控制底盤運(yùn)動(dòng)、攝像頭拍照以及控制云臺(tái)升降等核心任務(wù)，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)供用戶向機(jī)器人發(fā)布巡檢任務(wù)、查看機(jī)器人狀態(tài)及展示運(yùn)檢地圖等。

操作系統(tǒng)。為了機(jī)器人的各種功能能得以順利實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中將使用機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS，這是專門針對(duì)機(jī)器人而開發(fā)出來(lái)的一種系統(tǒng)，是一套開源的系統(tǒng)框架，具有通用性、開源性、復(fù)用性、社區(qū)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，由于具備諸多功能，同時(shí)能免費(fèi)用于商用或研究，因此有利于降低研究開發(fā)成本[4]。為使機(jī)器人變得更加契合室內(nèi)電力巡檢任務(wù)，本研究將對(duì)定位和導(dǎo)航模塊予以相應(yīng)修改。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人將主要使用3個(gè)節(jié)點(diǎn)（圖2），這些節(jié)點(diǎn)間將呈耦合分布式，基本能做到同時(shí)運(yùn)行，借助頻率較高消息隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)消息的彼此傳遞。

圖2 節(jié)點(diǎn)關(guān)系示意圖

定位模塊。主要通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)（Laser radar）和超寬帶（UWB）數(shù)據(jù)的解析來(lái)獲得機(jī)器人的相關(guān)定位信息，但其會(huì)優(yōu)先借助濾波算法（Filtering algorithm）來(lái)對(duì)UWB的數(shù)據(jù)予以優(yōu)化，從而使所獲取的定位信息更加精確穩(wěn)定。還會(huì)運(yùn)用ROS的ACML包對(duì)線管數(shù)據(jù)再次加以計(jì)算，從而獲得最終的定位信息。該模塊既能夠?qū)蓚€(gè)定位信息予以單獨(dú)使用，也可以融合使用。

圖3 定位模塊示意圖

圖4 導(dǎo)航模塊示意圖

導(dǎo)航模塊。主要分為手動(dòng)控制、局部路徑規(guī)劃以及全局路徑規(guī)劃，通過(guò)局部、全局兩個(gè)子模塊彼此間的協(xié)同配合能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃。但當(dāng)機(jī)器人接收到手動(dòng)控制命令后，此時(shí)機(jī)器人的控制權(quán)將被工作人員所接管，從而自動(dòng)切換至手動(dòng)模式狀態(tài)，以供工作人員手動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的巡檢路線。

巡檢模塊。機(jī)器人在接收到巡檢任務(wù)后將自動(dòng)規(guī)劃路線開始巡檢工作，期間依靠多個(gè)傳感器來(lái)判斷水平方向是否存在障礙物或不可觸碰高危設(shè)備。同時(shí)根據(jù)巡檢任務(wù)的實(shí)際需要，相關(guān)指令能夠及時(shí)傳達(dá)至攝像頭以及升降云臺(tái)，從而對(duì)其升降高度以及拍攝角度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，確保拍攝效果。巡檢功能主要還能完成危險(xiǎn)情況緊急制動(dòng)、通過(guò)升降門、設(shè)備拍照、手動(dòng)控制等等機(jī)器人功能。