閥廳巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)探究

國網(wǎng)福建檢修公司 何志甘 付勝憲 范彥琨 陳德興

巡檢機器人就是替代或協(xié)助人們開展好巡邏、巡檢、安防等對應(yīng)工作的機器人，可讓機器人按照閥廳巡檢作業(yè)的實際要求和規(guī)劃路徑精確執(zhí)行并停留在對應(yīng)的位置上，通過針對巡檢設(shè)備進行表計讀數(shù)記錄、紅外測溫、異常狀態(tài)報警等，最終就可發(fā)揮巡檢數(shù)據(jù)的實時上傳、報表生成、信息顯示等后臺功能。巡檢機器人帶有穩(wěn)定性、可靠性、效率高等優(yōu)勢，現(xiàn)階段在電力系統(tǒng)之中得到廣泛的應(yīng)用。

1 閥廳巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 作業(yè)任務(wù)分析

基于巡檢標準開展針對性分析，與閥廳作業(yè)的具體情況結(jié)合起來，按照調(diào)研結(jié)果的實際分析，再配合相應(yīng)產(chǎn)品功能的實際參考，這樣就可得出對應(yīng)的結(jié)論。閥廳巡檢任務(wù)主要包含：對電氣儀表顯示的各種電參數(shù)進行讀取與記錄，探查電力變壓器油箱焊縫的實際可靠性及測量油溫、油液位和油壓數(shù)據(jù)，探查各個位置上套管外滲漏情況，從而合理地檢查層間短路情況和運行時段線圈的閘間短路情況；針對變壓器內(nèi)部是否有放電、擊穿現(xiàn)象進行檢查；監(jiān)控冷卻系統(tǒng)，從而了解散熱器、出風口等相應(yīng)的實際情況[1]。

1.2 機器人運動執(zhí)行機構(gòu)

閥廳巡檢機器人利用輪臂復(fù)合機構(gòu)就可滿足運動的實現(xiàn)。輪臂復(fù)合機構(gòu)主要是針對閥廳巡檢機器人加以控制，這樣就可滿足架空電力輸電線路及電力設(shè)備場所的直接行程，可實現(xiàn)跨越桿塔障礙物的要求。在實際運行中，其主要包含了機械夾持手臂、行走機械動輪、機械夾持爪，基于機械夾持爪和機械行走動輪就可選擇旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)和可伸縮關(guān)節(jié)機構(gòu)，從而將其安置在機械夾持手臂上，之后利用夾持手臂就能直接連接到滑動機械導(dǎo)軌上。閥廳巡檢機器人能夠基于滑動機械導(dǎo)軌，通過步進電機最終滿足自由滑動的要求。單機械夾持爪在實現(xiàn)抓線時會逐漸將巡檢機器人的中心調(diào)整，讓其處于機械夾持手臂和夾持機械爪上，這樣就可實現(xiàn)對巡檢機器人運動姿態(tài)穩(wěn)定性的保護。電力巡檢機器人箱體主要是用于各種傳感器、機器人主控制單元、高清視頻攝像頭、步進電機等硬件設(shè)備的攜帶。

1.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.3.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

本文所設(shè)計的閥廳巡檢機器人硬件見圖1，主要包含了工業(yè)計算機、光傳感器、視頻攝像頭、主控單元、姿態(tài)傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、步進電機等對應(yīng)的硬件。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成

1.3.2 控制系統(tǒng)的硬件功能

閥廳巡檢機器人控制系統(tǒng)的上位機角色為工業(yè)計算機，這樣可滿足顯示閥廳巡檢機器人的工作狀態(tài)，如所處位置、作業(yè)項目、作業(yè)進度等相應(yīng)的內(nèi)容，并會提醒操作人員對應(yīng)的內(nèi)容；姿態(tài)傳感器本身可直接采集姿態(tài)信息，掌握動作信息，直接將其信息傳遞給主控單元，通過其控制要求和傳感器回傳信息相互的結(jié)合，就可滿足綜合性判斷的要求，從而針對閥廳巡檢機器人加以控制，讓其可以進行下一步操作；步進電機和電機驅(qū)動器可滿足針對性的閥廳巡檢機器人的控制要求，可將執(zhí)行動作信息從主控單元中獲取，然后通過機器人來實現(xiàn)后續(xù)具體動作要求；光傳感器的功能實現(xiàn)主要是利用高精度的光信號，其本身是針對擊穿、閃絡(luò)等問題加以了解。當出現(xiàn)上述幾種現(xiàn)象時可在第一時間做出反應(yīng)，直接在主控單元中落實故障信息，然后與傳感器信息相互結(jié)合，就可實現(xiàn)綜合化的處理，并會對應(yīng)的將信息傳遞給上位機，這時工作人員就可獲取某一時間段、某一地點出現(xiàn)的放電、閃絡(luò)、擊穿等故障情況，按照相應(yīng)的操作規(guī)程進行下一步的操作。

熱傳感器可辨識高精度熱力源，能實現(xiàn)對設(shè)備實際運行位置發(fā)熱情況進行針對性的監(jiān)測。當有溫度超標情況出現(xiàn)就會及時反應(yīng)，直接傳遞主控單元故障的相關(guān)信息，然后與傳感器信息直接結(jié)合，完成后續(xù)的綜合處理需求，告知上位機實際的信息，促使工作人員清楚了解具體的溫度超標情況，然后針對性開展判斷，落實下一步操作；商品攝像頭主要是實時觀察閥廳巡檢機器人的具體環(huán)境情況，等采集到視頻信息后就可及時上傳到上位機加以顯示。如果其余傳感器檢測到部分問題，視頻傳感器就可將監(jiān)測問題現(xiàn)場的實際情況及時傳遞回來，以便于操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況制定下一步工作計劃，做好維修作業(yè)所需工具的準備工作；位置傳感器主要是實時定位閥廳巡檢機器人，然后將位置信息及時傳遞到上位機，以便于操作人員對機器人的實際情況進行分析；無線傳輸設(shè)備在交換數(shù)據(jù)的前提下直接上傳對應(yīng)的實時參數(shù)，能針對巡檢設(shè)備的具體信息進行分析，這樣就可按照上位機的指令將下一步的操作落實[2]。

圖4 電力巡檢機器人全部運動軌跡線路圖

圖5 電力巡檢機器人局部運動軌跡線路圖

1.4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，主要是通過C語言來實現(xiàn)控制代碼的開發(fā)，基于CCS3.3的環(huán)境分析處理TMS320F2812控制芯片的軟件編程。系統(tǒng)軟件基于程序執(zhí)行情況來合理進行劃分處理，其主要囊括了運動控制功能、數(shù)據(jù)通信、信息采集等諸多模塊。運動控制模塊包含了加速、前進、后退、停止、減速等閥廳巡檢機器人的運動模式；數(shù)據(jù)通訊的模塊基于通訊協(xié)議，就可開發(fā)其通信控制代碼，這樣才能上傳數(shù)據(jù)并完成控制命令接受等相關(guān)的工作。流程圖見圖2，在機器啟動后基于指令來完成一系列的操作，其中停止為最高優(yōu)先級，之后才是轉(zhuǎn)彎與直行，機器人接收到停止命令后就會停留在原地等待下一次執(zhí)行命令[3]。

圖2 運動控制軟件流程

2 案例實證

閥廳巡檢機器人基于實驗室模擬環(huán)境進行運動，實際的預(yù)定運動軌跡線路見圖3，主要是針對位置信息，基于顯示軌跡對運行控制程序性能進行分析和記錄處理。通過實際的情況分析，在到達預(yù)定地點后，閥廳巡檢機器人就可開展相應(yīng)的巡檢作業(yè)，但要求其實際運動誤差需控制在3cm內(nèi)，其實際角度誤差不允許超出0.1rad。要求其閥廳機器人直接離開巡檢點朝著后續(xù)巡檢點移動，不過可能會導(dǎo)致其位置誤差超出3cm，角度誤差也會有超過0.1rad的情況，這主要是因為在實際加速或減速中就會因為自重問題而引起慣性。在項目的測試環(huán)節(jié)，閥廳機器人沒有出現(xiàn)任何擊中障礙物的問題，也沒有與預(yù)定運動路線相互偏離的問題出現(xiàn)。基于此，該閥廳巡檢機器人就可在不同場合滿足電力巡檢作業(yè)的實際要求，同時滿足實際的工況要求[4]。

圖3 電力巡檢機器人預(yù)定運動軌跡線路圖