基于仿生機(jī)器魚的油浸式變壓器內(nèi)部故障檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)

柏祖軍，張世武，金 虎，朱閱微

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥 230031)

0 引言

大型油浸式變壓器是電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的電力設(shè)備，其穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行與工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。大型油浸式變壓器發(fā)生故障時(shí)需要及時(shí)查找故障原因，及時(shí)了解變壓器內(nèi)部的工作狀態(tài)[1]。傳統(tǒng)的做法是檢查前先排空變壓器油，專業(yè)人員進(jìn)入變壓器內(nèi)部進(jìn)行檢修，完成檢修以后再注入變壓器油，這種作業(yè)方式耗時(shí)、耗力。水下機(jī)器人的發(fā)展[2-3]為油浸式變壓器內(nèi)部故障檢測提出了一種新的方式。

針對(duì)油浸式變壓器故障檢測困難問題，設(shè)計(jì)一種基于仿生機(jī)器魚的油浸式變壓器故障檢測平臺(tái)，在不需要放出或盡量少放出變壓器油的情況來對(duì)油浸式變壓器進(jìn)行故障檢測。

1 系統(tǒng)功能概述

電網(wǎng)系統(tǒng)中普遍使用的油浸式變壓器組成結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)包含鐵芯、繞組、引線、油箱[4]，如圖1所示。為了滿足油浸式變壓器故障檢測任務(wù)的要求，油浸式變壓器故障檢測平臺(tái)由仿生檢測機(jī)器魚端、中繼通信系統(tǒng)端、接收終端組成。其中仿生機(jī)器魚端具備多自由度的運(yùn)動(dòng)控制、照明、視頻以及控制信號(hào)傳輸、定位等功能；中繼通信系統(tǒng)端同時(shí)連接仿生機(jī)器魚端和外部接收終端的無線信號(hào)，對(duì)接收的控制信號(hào)和視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)透傳，起到信號(hào)中繼傳輸?shù)墓δ堋２捎弥欣^通信系統(tǒng)有效避免了變壓器鐵質(zhì)外殼對(duì)無線信號(hào)的屏蔽作用，增加了無線信號(hào)的傳輸距離；外部接收終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和發(fā)送，同時(shí)上位機(jī)軟件展示仿生檢測機(jī)器魚傳回的檢測視頻以及狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 油浸式變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿生機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 仿生機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生檢測機(jī)器魚端是整個(gè)檢測平臺(tái)中重要的組成部分，能夠通過中繼通信系統(tǒng)端和接收端建立信號(hào)連接，在接收端的控制下完成變壓器故障檢測的任務(wù)，同時(shí)回傳拍攝的實(shí)時(shí)檢測視頻。為了能適應(yīng)油浸式變壓器內(nèi)部狹小的工作環(huán)境[5-6]，檢測機(jī)器魚采用仿生外形，要具備小體積、多自由度運(yùn)動(dòng)能力、主動(dòng)照明、定位避障、控制信號(hào)及視頻信息發(fā)送的功能。檢測機(jī)器魚外形如圖2(a)所示，整體分為頭部、中部艙體和尾部。各部分可以通過殼體內(nèi)鑲嵌的注塑螺母進(jìn)行連接裝配，便于機(jī)器魚殼體的制造以及組裝。

機(jī)器魚外殼形成的艙體起到連接、容納部件的作用，采用仿生外形有助于降低運(yùn)動(dòng)時(shí)流體阻力提升運(yùn)動(dòng)靈活性[7]。以罐頭魚為仿生對(duì)象,設(shè)計(jì)了一種機(jī)器魚仿生艙體外形。整個(gè)機(jī)器魚的外形尺寸為22 cm×10.5 cm×11.5 cm，考慮到后期裝配的需求，整個(gè)殼體分為3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。其中頭部空間內(nèi)安裝有深度傳感器，紅外測距傳感器、照明LED、兩自由度胸鰭動(dòng)力模塊。機(jī)器魚的中部殼體內(nèi)安裝有動(dòng)力鋰電池、主控板、激光雷達(dá)傳感器、無線電臺(tái)收發(fā)器、低照度相機(jī)單元。尾部安裝有雙尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)、防水充電接口和總開關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中檢測機(jī)器魚長時(shí)間在烴類變壓器油中工作，其工作環(huán)境具有一定的腐蝕性，檢測機(jī)器魚的外殼使用ABS工程塑料制造，具有一定的抗沖擊性能以及耐高溫性能[8]。

(a)機(jī)器魚端設(shè)計(jì)圖

為了實(shí)現(xiàn)檢測機(jī)器魚內(nèi)部艙體的可靠密封，保護(hù)內(nèi)部元件正常運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于小型水下機(jī)器人的密封方案。本文使用硅膠墊片配合高溫密封膠來實(shí)現(xiàn)密封效果。傳統(tǒng)的水下機(jī)器人密封方法主要是使用O型橡膠圈密封[9-11]，在實(shí)際測試過程中發(fā)現(xiàn)由于檢測機(jī)器魚整體形狀較小，O型橡膠圈的預(yù)緊力以及橡膠圈的變形有限，在長時(shí)間水下工作中會(huì)發(fā)生滲水的情況。使用O型橡膠圈密封性很難達(dá)到預(yù)期效果，為了克服這種純機(jī)械密封應(yīng)用在檢測機(jī)器魚中的缺點(diǎn)，使用高溫密封膠配合平橡膠墊片來完成密封。密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，平橡膠墊片可以增加接觸密封面積，高溫密封膠可以把墊片和艙體緊密連接起來，不再完全依靠螺栓來提供預(yù)緊力，保證了在惡劣工況下的密封效果。

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意圖

檢測機(jī)器魚內(nèi)部的仿生推進(jìn)系統(tǒng)由兩自由度胸鰭和雙尾鰭組成。其中兩自由度胸鰭結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。安裝在機(jī)器魚前部的兩自由度胸鰭具有繞一級(jí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及繞二級(jí)舵機(jī)上下擺動(dòng)的2個(gè)自由度，其中一級(jí)舵機(jī)直接和胸鰭葉片連接，二級(jí)舵機(jī)通過連接件和一級(jí)舵機(jī)相連，左右兩側(cè)的二級(jí)舵機(jī)通過舵機(jī)固定機(jī)架組成一個(gè)完整的胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。雙尾鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由固定在檢測機(jī)器魚后端的2個(gè)伺服舵機(jī)及其鰭片組成，結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。為了保證尾鰭具有足夠的擺動(dòng)角度，2個(gè)伺服舵機(jī)中心呈30°放置。

(a)兩自由度胸鰭

2.2 仿生鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析

檢測機(jī)器魚運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力由仿生機(jī)構(gòu)提供。兩側(cè)胸鰭具有2個(gè)方向的自由度，設(shè)置兩級(jí)舵機(jī)不同的初始相位、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以形成兩側(cè)胸鰭的復(fù)雜組合運(yùn)動(dòng)。兩側(cè)胸鰭組合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不同方向和大小的驅(qū)動(dòng)力，主要用于保持檢測機(jī)器魚的平衡、姿態(tài)微調(diào)、小空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎和精確游動(dòng)定位等[12]。雙尾鰭固定在檢測機(jī)器魚的后端，用來提供前進(jìn)時(shí)主要的推進(jìn)力。

在檢測機(jī)器魚游動(dòng)過程中，胸鰭受力較復(fù)雜，建立坐標(biāo)系對(duì)胸鰭受力情況進(jìn)行分析。在圖5受力分析中僅顯示右側(cè)胸鰭的受力情況。

圖5 胸鰭葉片受力分析示意圖

定義左右2個(gè)胸鰭擺動(dòng)過程中受到液體的正壓力分別為Fr和Fl。分析胸鰭受力情況時(shí)認(rèn)為胸鰭葉片是剛性的，將受力分析寫為矩陣形式，檢測機(jī)器魚本體受到沿坐標(biāo)系的分力表達(dá)式為

(1)

式中：Fx、Fy、Fz分別為機(jī)器魚受到沿X、Y、Z軸方向的合力；αr、αl為左右2個(gè)胸鰭所在平面的法線與XZ面之間的夾角；βr、βl為左右胸鰭法線方向分別與XY面的夾角；βrt、βlt為X軸與左右胸鰭法線方向在XY面內(nèi)投影夾角。

由于兩側(cè)胸鰭葉片運(yùn)動(dòng)具有對(duì)稱性，即αr=-αl。產(chǎn)生的沿Y軸的分力抵消，F(xiàn)y=0。僅會(huì)產(chǎn)生沿著X、Z軸上的分力Fx、Fz。每側(cè)的胸鰭葉片具有兩自由度，通過控制不同的βr、βl和βrt、βlt的值可以得到不同大小方向的Fx、Fz。所以，檢測機(jī)器魚僅依靠前部胸鰭就可以完成前進(jìn)后退、上升下潛、左右轉(zhuǎn)彎等多模態(tài)運(yùn)動(dòng)。

檢測機(jī)器魚巡游時(shí)前進(jìn)方向上的推進(jìn)力主要由尾部的雙尾鰭提供，使用Fluent流體力學(xué)分析軟件對(duì)雙尾鰭的推進(jìn)性能進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)的尾鰭優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[13]。在仿真時(shí)增加了一組面積與仿生形狀尾鰭相同的矩形形狀的尾鰭作為對(duì)照組。透過仿真結(jié)果可以知道雙尾鰭產(chǎn)生的推進(jìn)力是交變的，2組尾鰭最大推力出現(xiàn)在2個(gè)尾鰭運(yùn)動(dòng)交匯處。觀察推力曲線可以發(fā)現(xiàn)，仿生尾鰭反向推進(jìn)力的峰值更小，推進(jìn)效率更高。2種形狀尾鰭仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)矩形尾鰭形狀

使用用戶自定義函數(shù)(user defined functions,UDF)模擬雙尾鰭的擺動(dòng)，仿真雙尾鰭附近的流場變化以及鰭面壓力分布的情況。仿真結(jié)果如圖7所示。在用戶函數(shù)中設(shè)置雙尾鰭的擺動(dòng)角度為±45°，擺動(dòng)頻率為2 Hz。觀察流場矢量圖可以發(fā)現(xiàn)雙尾鰭的相互作用可以增加流場的耦合程度，增加雙尾鰭的推進(jìn)力。

(a)仿生尾鰭附近壓力變化

3 檢測平臺(tái)功能分析與設(shè)計(jì)

整個(gè)檢測平臺(tái)由檢測機(jī)器魚端、中繼通信系統(tǒng)端以及接收端組成。其中檢測機(jī)器魚端負(fù)責(zé)檢測視頻的獲取以及發(fā)送，中繼通信系統(tǒng)端負(fù)責(zé)建立機(jī)器魚端同接收端的通信，接收端負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令以及對(duì)接收的信息作出處理和展示。檢測平臺(tái)實(shí)物圖見圖8。

(a)機(jī)器魚端 (b)中繼通信系統(tǒng)端 (c)接收端

3.1 機(jī)器魚端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在檢測平臺(tái)系統(tǒng)中，檢測機(jī)器魚端是重要的組成部分，需要完成視頻采集、信號(hào)傳輸、運(yùn)動(dòng)控制等功能。為了使得仿生檢測機(jī)器魚具備在油浸式變壓器內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下檢測故障的能力，使用低照度攝像機(jī)作為圖像采集工具，設(shè)計(jì)傳感系統(tǒng)來采集工作環(huán)境信息，使用微控制器來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理。檢測機(jī)器魚的控制系統(tǒng)組成如圖9所示。包括主控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、激光雷達(dá)傳感器、紅外測距傳感器、深度傳感器、姿態(tài)傳感器、無線通信模塊、仿生驅(qū)動(dòng)器、低照度攝像機(jī)、照明單元、DDL-mini無線通信電臺(tái)。

圖9 機(jī)器魚端系統(tǒng)組成示意圖

作為檢測機(jī)器魚端的控制核心，主控系統(tǒng)選擇STM32F412CGU6嵌入式芯片進(jìn)行控制數(shù)據(jù)解析、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)、讀取紅外測距以及深度傳感器數(shù)據(jù)、控制仿生驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)動(dòng)。電源系統(tǒng)由2 800 mAh鋰電池組提供24 V電源輸入，經(jīng)TPS54302電源管理芯片產(chǎn)生12 V-3 A、5 V-3 A的2路電源輸出。為了防止充電反接及接口短路，增加了基于PMOS的電源保護(hù)電路，電路原理圖如圖10所示。在充電接口電壓Ui短路或者極性反接時(shí)電路完全關(guān)斷，保護(hù)電源系統(tǒng)的安全。

這些賓語中，有表示有定的數(shù)量詞(二斤)和數(shù)量短語(一雙襪子、一只雞、一件襯衫、三斤好刀魚、四瓶香檳酒)，有表示泛指的名詞(什么東西、東西、那么多東西)，有代詞(什么)，有普通名詞(菜、骨灰盒、衣服、書)，有抽象名詞(生命、人情)，還有定中型的名詞性短語(這個(gè)錢、我的心、卵子大的天)?？傊鼈兌际求w詞性詞(短)語，沒有一例是謂詞性的。從語用頻率效應(yīng)角度考慮，語料庫中沒有“你買不了吃虧，你買不了上當(dāng)”這種用法，那么這種格式不應(yīng)該是合理的。但是語言事實(shí)已經(jīng)存在著，簡單的數(shù)據(jù)并不能使我們探求到語言的實(shí)質(zhì)。

圖10 基于PMOS的電源保護(hù)電路

機(jī)器魚端的感知系統(tǒng)由激光雷達(dá)傳感器、紅外測距傳感器、深度傳感器、姿態(tài)傳感器組成，完成機(jī)器魚端的定位避障感知。使用激光雷達(dá)傳感器來獲取水平面上機(jī)器魚的位置信息，得到實(shí)時(shí)位置的點(diǎn)云信息。紅外測距傳感器獲取周圍障礙物的信息，主控根據(jù)周圍障礙物的信息來完成自主避障。深度傳感器獲取機(jī)器魚的下潛深度，配合激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來完成機(jī)器魚在變壓器內(nèi)部的位置確定。姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)檢測機(jī)器魚的姿態(tài)，主控根據(jù)姿態(tài)信息使用兩自由度胸鰭來完成姿態(tài)的穩(wěn)定。

無線通信模塊選用DDL-mini電臺(tái)，該電臺(tái)具有小尺寸低功耗優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備2路TTL串口，1路HDMI視頻傳輸?shù)哪芰Α?路串口分別用于傳輸控制信號(hào)和激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，HDMI通道用于傳輸?shù)驼斩认鄼C(jī)拍攝的實(shí)時(shí)視頻。仿生驅(qū)動(dòng)模塊由兩自由度胸鰭以及雙尾鰭組成，用于完成檢測機(jī)器魚的前進(jìn)后退、上浮下潛、左右轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)。低照度相機(jī)配合照明單元來完成在黑暗環(huán)境下的視頻拍攝，低照度相機(jī)采用12 V電源供電，視頻輸出為HDMI信號(hào)。照明單元由LED2000芯片驅(qū)動(dòng)2個(gè)功率3 W的LED燈組成。

3.2 中繼通信系統(tǒng)端設(shè)計(jì)

在變壓器油等低損耗介質(zhì)環(huán)境下，電磁波可以正常傳輸，但是電磁波不能直接穿透油浸式變壓器的鐵質(zhì)外殼[14]。為了解決油浸式變壓器鐵質(zhì)殼體對(duì)無線信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，檢測平臺(tái)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)采用了中繼式通信系統(tǒng)，在檢測機(jī)器魚和地面的接收端之間增加了信號(hào)中繼模塊。中繼模塊包括DDL-mini無線電臺(tái)、基于TPS54302的電源系統(tǒng)、鋰電池組，中繼通信系統(tǒng)端組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。中繼模塊在整個(gè)中繼通信系統(tǒng)中是中心節(jié)點(diǎn)，同時(shí)連接著檢測機(jī)器魚終端和地面的接收端，實(shí)時(shí)對(duì)收到的無線信號(hào)進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)發(fā)。在實(shí)際應(yīng)用中，把中繼系統(tǒng)模塊放置在油浸式變壓器開孔位置的油面上來擴(kuò)大無線信號(hào)的傳輸范圍，克服了單級(jí)無線通信系統(tǒng)應(yīng)用在油浸式變壓器故障檢測的局限性。

圖11 中繼通信系統(tǒng)端結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 接收端及上位機(jī)設(shè)計(jì)

接收端在檢測平臺(tái)中用于接收檢測機(jī)器魚端返回的視頻、機(jī)器魚的狀態(tài)信息、激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信號(hào)，并且對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)操作和可視化展示。接收端包括DDL-mini無線電臺(tái)、基于TPS54302的電源系統(tǒng)、基于STM32F103C8T6的數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)、視頻采集卡以及配套的上位機(jī)軟件。接收端組成示意圖如圖12所示，其中基于STM32F103C8T6的數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)負(fù)責(zé)將接收的控制信號(hào)、機(jī)器魚的狀態(tài)信息以及激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后通過串口發(fā)送給上位機(jī)軟件，視頻采集卡負(fù)責(zé)將接收端DDL-mini電臺(tái)接收到的HDMI格式視頻轉(zhuǎn)為USB視頻信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)軟件。

圖12 接收端系統(tǒng)組成示意圖

上位機(jī)軟件用于接收和展示視頻畫面、雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及機(jī)器魚自身狀態(tài)信息，如圖13所示。

圖13 接收端上位機(jī)軟件界面

遠(yuǎn)程上位機(jī)軟件常使用基于Web和云端的開發(fā)方式[15]，考慮到檢測平臺(tái)系統(tǒng)使用環(huán)境，選擇了不依賴網(wǎng)絡(luò)環(huán)境運(yùn)行的開發(fā)方式。上位機(jī)軟件使用python語言結(jié)合PyQt5開發(fā)，PyQt5負(fù)責(zé)開發(fā)整體的顯示界面，使用python創(chuàng)建多個(gè)線程負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯，主進(jìn)程負(fù)責(zé)操作視頻顯示以及存儲(chǔ)業(yè)務(wù)，子進(jìn)程1負(fù)責(zé)接收和顯示狀態(tài)信息，子進(jìn)程2負(fù)責(zé)接收激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，子進(jìn)程3負(fù)責(zé)繪制點(diǎn)云圖像。

4 實(shí)驗(yàn)分析以及現(xiàn)場測試驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試

檢測機(jī)器魚端接收運(yùn)動(dòng)控制指令后分別順利完成前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎、上浮下潛運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，如圖14所示。

圖14 檢測機(jī)器魚多模態(tài)運(yùn)動(dòng)圖

4.2 110 kV油浸式變壓器現(xiàn)場應(yīng)用測試

檢測平臺(tái)通過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下功能測試后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證檢測平臺(tái)功能合理性以及適應(yīng)實(shí)際工況的能力，在變電站110 kV油浸式變壓器實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行了故障檢測的測試驗(yàn)證。從變壓器頂部的孔位，如圖15所示，將變壓器內(nèi)檢機(jī)器魚放入到110 kV變壓器內(nèi)部，使用接收終端遙控檢測機(jī)器魚端對(duì)分接開關(guān)、線圈以及變壓器底部是否存在異物進(jìn)行了觀察。

圖15 機(jī)器魚進(jìn)入變壓器內(nèi)部的通孔

專業(yè)檢修人員在接收端的上位機(jī)軟件界面觀察實(shí)時(shí)的檢修視頻輸出畫面，如圖16所示。對(duì)可能存在的故障進(jìn)行了相應(yīng)識(shí)別。相對(duì)于傳統(tǒng)的油浸式變壓器運(yùn)維檢測方法，使用油浸式變壓器故障檢測平臺(tái)可以縮短檢測周期，節(jié)省人力物力。

圖16 檢測平臺(tái)接收端接收的畫面

5 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)方法檢測油浸式變壓器故障困難的問題，設(shè)計(jì)了包含檢測機(jī)器魚端、中繼式通信系統(tǒng)、接收端及其上位機(jī)軟件的油浸式變壓器故障檢測平臺(tái)。分析并設(shè)計(jì)了檢測平臺(tái)具備的功能，介紹了檢測平臺(tái)的各部分組成結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下研制并測試了油浸式變壓器故障檢測平臺(tái)樣機(jī)，最后在110 kV油浸式變壓器實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行了功能驗(yàn)證。證明了油浸式變壓器故障檢測平臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)傳輸、定位避障以及視頻展示和視頻存儲(chǔ)的功能，表明油浸式變壓器故障檢測平臺(tái)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢測方法對(duì)110 kV及其以上等級(jí)變壓器進(jìn)行運(yùn)維檢測。