基于STM32的變電站智能巡檢小車(chē)

薛誓穎，趙 祥，郭 超

（1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來(lái)，用電人群越來(lái)越多元化，用電范圍越來(lái)越廣，隨之而來(lái)的是變電站的建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，變電站設(shè)備所處的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)備巡檢的內(nèi)容也越來(lái)越多，僅憑變電站巡檢工作人員的經(jīng)驗(yàn)，已無(wú)法滿足日益復(fù)雜的變電站巡檢需求，且很難對(duì)設(shè)備巡檢結(jié)果做出準(zhǔn)確、全面的判斷，給變電站設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶了隱患。隨著人工智能巡檢技術(shù)的迅速發(fā)展，采用變電站智能巡檢小車(chē)代替或輔助人工完成巡檢已不再遙遠(yuǎn)，采用自動(dòng)化、智能化的智能巡檢小車(chē)進(jìn)行設(shè)備巡檢，未來(lái)必將成為變電站設(shè)備巡檢的趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

變電站智能巡檢小車(chē)硬件平臺(tái)的搭建是實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備巡檢的前提。智能巡檢小車(chē)主要由電源模塊、STM32核心控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、路徑巡檢模塊、無(wú)線傳輸模塊和圖像采集模塊組成，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制模塊

STM32是智能巡檢小車(chē)硬件系統(tǒng)中的核心控制模塊，MCU的型號(hào)為STM32F103ZET6。作為控制模塊的核心，STM32控制器控制著智能巡檢小車(chē)的變電站環(huán)境信息識(shí)別、障礙信息處理、巡檢路徑檢索、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)巡檢結(jié)果等部分。

2.2 無(wú)線傳輸模塊

選用4G模塊將變電站現(xiàn)場(chǎng)的巡檢結(jié)果傳送到巡檢數(shù)據(jù)平臺(tái)，便于巡檢人員實(shí)時(shí)掌握變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高變電站運(yùn)行效率，保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 圖像采集模塊

選取工業(yè)級(jí)CCD攝像頭采集變電站的環(huán)境信息。CCD攝像頭通過(guò)拍照的形式獲取變電站的路徑信息，經(jīng)STM32核心控制模塊處理后，形成完整的變電站巡檢地圖。智能巡檢小車(chē)獲取巡檢地圖后，利用路徑巡檢模塊完成巡檢任務(wù)。

2.4 路徑巡檢模塊

選取的路徑巡檢模塊包括：三路紅外尋跡模塊、超聲波避障模塊和射頻模塊。

（1）三路紅外尋跡模塊

三路尋跡模塊集成三路紅外探測(cè)裝置，設(shè)置相應(yīng)端口值可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)動(dòng)作。智能巡檢小車(chē)還可通過(guò)檢測(cè)三路紅外探測(cè)端口的值，判斷當(dāng)前位置為直線、T線或十字線。路徑巡檢模塊如圖2所示。

圖2 路徑巡檢模塊

（2）超聲波避障模塊

采用超聲波模塊搭配舵機(jī)實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)。舵機(jī)180°旋轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)超聲波模塊旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物無(wú)死角檢測(cè)和快速避障。超聲波避障模塊如圖3所示。

圖3 超聲波避障模塊

（3）射頻模塊

柵格地圖建立后，利用RFID射頻模塊對(duì)地圖中的巡檢點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，用于記錄當(dāng)前巡檢點(diǎn)下智能小車(chē)的位置信息，當(dāng)前巡檢點(diǎn)需停留并進(jìn)行拍照、測(cè)溫等操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 路徑規(guī)劃控制

系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。若接收到巡檢任務(wù)，則智能巡檢小車(chē)將更新變電站地圖和設(shè)備巡檢點(diǎn)。更新完畢后，從起始點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過(guò)中間的巡檢點(diǎn)，最終到達(dá)終止點(diǎn)完成路徑規(guī)劃。若智能巡檢小車(chē)未檢測(cè)到終止點(diǎn)，將一直進(jìn)行中間巡檢點(diǎn)的尋跡過(guò)程，直到檢測(cè)到終止點(diǎn)，結(jié)束巡檢任務(wù)。巡檢點(diǎn)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 巡檢點(diǎn)設(shè)計(jì)流程

3.2 巡檢點(diǎn)設(shè)計(jì)

采用RFID射頻模塊將分散在地圖中的起始點(diǎn)、中間巡檢點(diǎn)、終止點(diǎn)用射頻識(shí)別卡代替。在射頻識(shí)別卡中寫(xiě)入相關(guān)信息，對(duì)地圖中的巡檢點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

3.3 執(zhí)行巡檢任務(wù)

系統(tǒng)運(yùn)行后，首先對(duì)STM32控制器和RFID射頻模塊進(jìn)行初始化，通過(guò)接收中斷的形式對(duì)射頻識(shí)別卡進(jìn)行相應(yīng)操作。當(dāng)接收到有效的中斷指令后，會(huì)根據(jù)相應(yīng)指令的要求對(duì)射頻識(shí)別卡進(jìn)行尋卡、讀卡和寫(xiě)卡操作，然后將射頻識(shí)別卡相關(guān)信息反饋給STM32控制器。讀卡操作主要讀取通過(guò)RFID射頻模塊事先寫(xiě)入的相關(guān)信息，即當(dāng)前巡檢節(jié)點(diǎn)運(yùn)行到下一個(gè)巡檢節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行的動(dòng)作和當(dāng)前巡檢點(diǎn)需要完成的相關(guān)巡檢工作，如停車(chē)拍照、紅外測(cè)溫等。執(zhí)行巡檢任務(wù)流程如圖5所示。

圖5 執(zhí)行巡檢任務(wù)流程

3.4 交叉路口識(shí)別

本文采用三路尋跡模塊對(duì)交叉路口信息進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)后信息發(fā)送給小車(chē)控制系統(tǒng)，小車(chē)控制系統(tǒng)通過(guò)判斷交叉口的情況指導(dǎo)小車(chē)順利通過(guò)交叉路口。

交叉路口的情況一共有三種，分別是“T”字、“十”字和“7”字。通過(guò)對(duì)小車(chē)攜帶的三路尋跡模塊中左邊、中間、右邊傳感器的狀態(tài)進(jìn)行分析，得出當(dāng)前交叉路口的類(lèi)型。交叉路口識(shí)別如圖6所示。

圖6 交叉路口識(shí)別

判斷“T”字交叉路口的思想：當(dāng)左邊和右邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)前進(jìn)一段距離，再對(duì)中間的傳感器狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果中間的傳感器未檢測(cè)到黑線，那么該路口為“T”字路口。

判斷“十”字交叉路口的思想：當(dāng)左邊和右邊的傳感器檢測(cè)到黑線后，小車(chē)前進(jìn)一段距離，再判斷中間的傳感器狀態(tài)，如果中間的傳感器檢測(cè)到黑線，則表明該路口是“十”字路口。

判斷“7”字交叉路口的思想：如果只有左邊的傳感器檢測(cè)到黑線，小車(chē)前進(jìn)一段距離，再判斷中間的傳感器狀態(tài)，如果中間的傳感器未檢測(cè)到黑線，則說(shuō)明當(dāng)前路口是“7”字路口。

3.5 小車(chē)行走控制

系統(tǒng)上電運(yùn)行后，首先進(jìn)行自檢，確定小車(chē)當(dāng)前的位置，若存在路徑偏差，則需調(diào)整路徑，保證智能巡檢小車(chē)沿著當(dāng)前的線路行走；若遇到交叉路口時(shí)，判斷交叉路口類(lèi)型后，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)小車(chē)轉(zhuǎn)向。若檢測(cè)到當(dāng)前行走路徑有障礙物，則小車(chē)進(jìn)行聲光報(bào)警并減速。當(dāng)行駛至目標(biāo)點(diǎn)后，路徑規(guī)劃結(jié)束，小車(chē)暫處于停車(chē)狀態(tài)。小車(chē)行走控制流程如圖7所示。

圖7 小車(chē)行走控制流程

3.6 射頻識(shí)別模塊

若小車(chē)未接到新的巡檢任務(wù)，那么將按當(dāng)前的巡檢任務(wù)執(zhí)行路徑規(guī)劃。當(dāng)小車(chē)接收到新的巡檢任務(wù)和路徑信息后，會(huì)將路徑規(guī)劃涉及的巡檢點(diǎn)相關(guān)信息通過(guò)RFID射頻模塊寫(xiě)入射頻識(shí)別卡中，小車(chē)按照射頻識(shí)別卡中記錄的線路信息執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作（直行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、停止）并完成路徑規(guī)劃。射頻識(shí)別模塊流程如圖8所示。

圖8 射頻識(shí)別模塊流程

當(dāng)小車(chē)前進(jìn)到射頻識(shí)別卡標(biāo)記的巡檢節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要讀取射頻識(shí)別卡上的信息來(lái)判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為終點(diǎn)，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)并非終點(diǎn)，那么射頻識(shí)別卡會(huì)記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)下一步需要執(zhí)行的動(dòng)作（直行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎）。如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是終點(diǎn)，那么小車(chē)路徑規(guī)劃任務(wù)完成。依次類(lèi)推，小車(chē)行駛到終點(diǎn)。

在射頻識(shí)別卡中記錄坐標(biāo)信息和去往下一個(gè)巡檢點(diǎn)需要執(zhí)行的動(dòng)作信息，分別用 0x04、0x03、0x02、0x01表示與之相應(yīng)的動(dòng)作信息：直行、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、停止，小車(chē)?yán)蒙漕l識(shí)別卡記錄的節(jié)點(diǎn)信息完成路徑規(guī)劃。

4 結(jié) 語(yǔ)

作為變電站正常運(yùn)行的安全保障，智能變電站巡檢也是困擾變電站巡檢人員的難題，研究基于STM32智能巡檢小車(chē)具有實(shí)用價(jià)值。智能巡檢設(shè)備具有很好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值，相信在不久的將來(lái)，智能巡檢小車(chē)必將得到更廣泛的應(yīng)用。