電力智能巡檢機器人研究

姚天浩，于洪達，高國麗

(吉林農(nóng)業(yè)科技學院 電氣與信息工程學院，吉林 吉林 132101)

0 引言

電力巡檢是電力系統(tǒng)面向生活進行電力供應(yīng)，以及面向國民生產(chǎn)的一種主要保障手段，不管是對人們的日常生活還是各大用電工廠來說都具有極其重要的意義。但是，任何事情都有兩面性，電力的普及與應(yīng)用在日常生活中也存在著諸多問題，如工業(yè)生產(chǎn)和生活用電的高能源化，用電量相較于前幾年大大提高，并且由于變電站自身的特殊原因，更新較慢，線路損耗較大，隨時出現(xiàn)各種問題，所以日常的巡檢工作就顯得格外重要[1]。

1 機器人總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

電力智能巡檢機器人是以樹莓派為中心進行控制的。主體共分為3大模塊：移動模塊(機器人本體)、巡檢模塊、應(yīng)用模塊[2]。

1.1 移動模塊

機器人根據(jù)所設(shè)定的路線進行移動，移動到某一規(guī)定位置時會停止移動，并將攝像頭轉(zhuǎn)向所需要檢測的方位。

1.2 巡檢模塊

將所需要檢測的物體進行拍攝，拍攝完一處，會自動移動到下一個規(guī)定的位置進行拍攝，當所有需要檢測的位置全部拍攝完畢后會自動返航。

1.3 應(yīng)用模塊

將拍攝好的圖片上傳到云臺中，與該物體正常運行時的工作狀態(tài)進行對比。二者一致進行下一項檢測，二者不一致發(fā)出警報。

1.4 電源模塊

采用PR12V鋰電池組，由3塊18 650鋰電池組成，標稱電壓為11.1 V，充電截止電壓為12.6 V，最大持續(xù)電流為6 A，標準容量為2 200 mAh。

1.5 信息采集模塊

信息采集模塊包含信息的采集、信息的傳輸以及信息顯示部件。主要的程序部分是基于樹莓派的操作系統(tǒng)、信息的采集程序、信息的編碼程序、信息的傳輸程序以及在電腦端的顯示程序等一系列程序構(gòu)成。我們可以隨時隨地地查看電路中的情況。

1.6 信息承載云臺模塊

本項目選用以高性能著稱的Raspberry Pi為主處理器的Python開發(fā)平臺，作為ARM(Advanced RISC Machine)系列的處理器。它具有體積小、耗電少、功能強等優(yōu)點，可處理16位/32位指令，具有良好的可擴展性[7]。

2 功能模塊選用

2.1 移動模塊

移動模塊包含NRF24L01無線模塊、AMS1117穩(wěn)壓器和 L9110S芯片。

2.1.1 NRF24L01無線模塊

NRF24L01是一款新型的單片射頻收發(fā)器件，具有低消耗、即時性高、幾乎無延遲、傳輸速度可高達2 Mbps等優(yōu)點，可工作在2 400 MHz～2 480 MHz頻段。擁有125個通信頻道，供電電壓僅需1.9 V～3.6 V[3]。

2.1.2 AMS1117穩(wěn)壓器

AMS1117穩(wěn)壓器用于提供1 A輸出電流，它的工作壓差低至1 V。它的引腳兼容其他3段SSCI穩(wěn)壓器，相較于其他穩(wěn)壓器，更加經(jīng)濟實惠。

2.1.3 L9110S芯片

L9110S芯片低靜態(tài)工作電流，寬電源電壓范圍，每條通道都具有800 mA連續(xù)電流輸出能力，且工作溫度范圍在0～80 ℃等一系列優(yōu)點，能夠適應(yīng)在多種環(huán)境下工作，具有良好的可靠性。

2.2 巡檢模塊

巡檢模塊包含LM393、LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器和MPU6050。

2.2.1 LM393

LM393是一款雙電壓比較器集成電路，可使用單電源或雙電源作為工作電源，單電源工作范圍在2 V～36 V，雙電源工作范圍則在±1 V～±18 V，消耗電流小，輸入失調(diào)電壓小，輸出可與CMOS，TTL等兼容，具有較高的工作能力。

2.2.2 LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器

這是一種降壓型管理單片集成電路，輸出電流為3 A，擁有多種輸出電壓，最高輸出可達37 V，輸出范圍較廣，功率高，消耗小，TTL的斷電能力，外圍電路簡單、易操作。

2.2.3 MPU6050

MPU6050是全球首個整合性6軸運動處理組件，相比單獨使用陀螺儀和加速度儀，能夠有效減小誤差，減少占用空間。部件模塊內(nèi)部自帶穩(wěn)壓電路，可兼容3.3 V或5 V供電電壓。所有設(shè)備寄存器之間采用400 kHz的I2C接口或者是1 MHz的SPI接口。一個片上1 024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗[4-5]。

2.3 應(yīng)用模塊

應(yīng)用模塊包含TB6612FNG驅(qū)動模塊。

TB6612FNG模塊相較于L298N模塊的效率大大提升，擁有雙驅(qū)動也就代表著可驅(qū)動兩個電機。在額定范圍內(nèi)，芯片幾乎不發(fā)熱。本器件在輸出與制動之間切換時，所帶動的電機轉(zhuǎn)速與PWM占空比之間能保持良好的性能關(guān)系，為適應(yīng)變電站戶外運行需求，機器人車體選用輪式四輪驅(qū)動，在運動控制中應(yīng)用PID控制及PMSM矢量控制算法進行車體控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制和轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)，保證了控制算法的成熟性和穩(wěn)定性。四輪獨立驅(qū)動及柔性匹配控制實現(xiàn)了零轉(zhuǎn)彎半徑，原地360°旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場路徑規(guī)劃靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強。驅(qū)動電機使用低磁阻大扭矩驅(qū)動電機，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、效率高、可靠性好，機器人最大運行速度可達1.1 m/s。

2.4 電源模塊

電源模塊包含PR12V鋰電池、PR12V鋰電池。

鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等許多顯著優(yōu)點，壽命較長，可以到達1 000-2 000次反復(fù)充電使用，且18 650鋰電池穩(wěn)定性能好，容量夠大，可以滿足各種機器的需要，應(yīng)用在各大領(lǐng)域。PR12V鋰電池組能夠滿足機器人的電壓以及電流所有需求，且不具有類似其他類型電池所含有的有毒物質(zhì)，較為安全，重量輕，不會影響機器人的行動效果，價格較為實惠，相比于其他電池組，PR12 V電池組是最優(yōu)選[6]。

2.5 信息采集模塊

信息采集模塊包括無線視頻系統(tǒng)。

本項目所需要實現(xiàn)的無線視頻系統(tǒng)既包含硬件開發(fā)及使用平臺，又需要各種端口函數(shù)，以便于在開發(fā)平臺上能夠穩(wěn)定運行。從上述系統(tǒng)設(shè)計的大致框架可以看出，本系統(tǒng)的整體構(gòu)成主要由信息的采集處理、信息傳輸，以及信息的顯示3個部分構(gòu)成。其中重要模塊之一的樹莓派硬件平臺設(shè)備負責通過人工控制攝像頭進行數(shù)據(jù)采集，并且實時保存，同時使用相關(guān)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行信息化處理，然后通過WIFI接入局域網(wǎng)絡(luò)﹐進行手機監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)傳輸，可以隨時通過各種移動設(shè)備隨時觀看。

2.6 信息承載云臺模塊

信息承載云臺模塊包括技術(shù)平臺處理器、云臺開發(fā)、云臺處理和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采用。

2.6.1 技術(shù)平臺處理器

本項目所采用的存儲器是最新的RAM(Random Access Memory)內(nèi)部存儲器。在功能及性能方面，技術(shù)平臺處理器具有較大的提升空間，能夠充分滿足本項目的要求，為本項目成功實現(xiàn)提供了硬件支持。在此基礎(chǔ)上，本項目還配備了Video Core IV雙核GPU。此GPU能夠支持OpenGLES2.0OpenVG硬件加速和1080p30 fps H.264/MPEG-4AVC高清解碼器，可以實現(xiàn)1Gpixel/s，1.5Gtexelsor24GFLOPs，提供紋理過濾以及DMA基礎(chǔ)構(gòu)架，為使用H.264編碼提供了技術(shù)保障[7]。

2.6.2 云臺開發(fā)

本項目要求能夠同時實現(xiàn)對多線程序數(shù)據(jù)處理并通過無線或者局部網(wǎng)絡(luò)進行穩(wěn)定傳輸，例如信息數(shù)據(jù)的采集、信息數(shù)據(jù)的編碼、信息數(shù)據(jù)的壓縮以及能夠傳輸UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理等。如果開發(fā)平臺不具備這些能力，那么所要做的工作量就會大大增加，大量的數(shù)據(jù)將會等待處理，極其浪費人力物力，對于性能方面也會造成很大的負擔，嚴重影響工作的進度。因此，必須在開發(fā)平臺上安裝所需要的操作系統(tǒng)以此來推動整個系統(tǒng)的運行，提升系統(tǒng)的性能。本項目采用了Python平臺，此平臺具有便捷的操作系統(tǒng)，作為基于Linux所產(chǎn)生的嵌入式操作系統(tǒng)，具有超強的性能，且同時具有可移植性，但又不缺少穩(wěn)定性，而且可以實現(xiàn)免費軟件定時更新，程序應(yīng)用豐富，充分滿足了本次項目的設(shè)計要求。為使信息采集設(shè)備和開發(fā)平臺兩者之間能夠完美結(jié)合，本項目采用了V4L2技術(shù)，而數(shù)據(jù)的編碼處理方面則采用了H.264編碼技術(shù)，結(jié)合IP/UDP/RTP協(xié)議與WiFi、藍牙等技術(shù)進行高效傳輸，為本項目的無線視頻系統(tǒng)提供了充分且有力的技術(shù)支持[8]。

2.6.3 云臺處理

本項目采用的是Raspberry Pi的電腦主板，雖然它的幾何形狀沒有那么大但是它功耗低、性能強，能夠執(zhí)行PC的基本功能，可以進行文字和表格的處理，可以滿足電子智能巡檢機器人的研究。

本項目采用的是2代B型的主板，擁有6個USB2.0類型的接口，而且可以外接USB設(shè)備，如：鼠標、鍵盤，很大程度提高了其擴展能力；運用SD卡作為主要的存儲盤，滿足數(shù)據(jù)存儲的需要，并且設(shè)有支持高清視頻輸出的 HMDI端口，為視頻信息數(shù)據(jù)的輸出穩(wěn)定提供技術(shù)保障。

2.6.4 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用

本項目采用5G無線傳輸技術(shù),視頻、數(shù)據(jù)、音像的數(shù)據(jù)傳輸更為穩(wěn)定。5G是4G通信技術(shù)進一步升級優(yōu)化的產(chǎn)物，能夠傳輸更高質(zhì)量的視頻和清晰的圖片，滿足了廣大用戶的需要，而且其覆蓋面積非常廣泛。借助5G技術(shù)，圖像的清晰度得到了進一步的提升，視頻信息速度也得到了進一步的提升。本項目采用的是國內(nèi)三大運營商移動、聯(lián)通、電信的無線網(wǎng)絡(luò)。

3 應(yīng)用市場調(diào)查

市場上大多數(shù)使用數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，如此一來不但成本增加，而且數(shù)據(jù)覆蓋式傳輸難度幾何倍數(shù)增加。這種利用數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲还苁窃诔杀具€是在傳輸?shù)碾y度上對數(shù)據(jù)傳輸都有一定的限制。利用數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸在區(qū)域性、地域性、限制性的多個區(qū)域的限制也很大，所以這種方式并不適合大面積作業(yè)。如果選用無線操作的話，時間成本會得到很大的節(jié)約，也可以做到隨心所欲地查看，大大提高了便利性。

從當前的時代背景來看，大多數(shù)年輕人對數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)的方式已經(jīng)有了抵觸，這種傳輸方式既麻煩，限制條件又多。而無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的普及會使人們在數(shù)據(jù)傳輸時使用更加便捷、快速。在大數(shù)據(jù)時代下，這種方式已經(jīng)成為當前時代的主流。各種智能化科技為我們打開了新的大門，給人們帶來了很大程度的便利。目前正是智能時代的黃金時期，我們的電力智能巡檢機器人也應(yīng)運而生，可以通過遠程操控來實現(xiàn)對目標的實時監(jiān)測，并且在與數(shù)據(jù)庫進行對比發(fā)現(xiàn)異常時，可以立即作出判斷。

4 結(jié)語

該項目基于自動控制系統(tǒng)對電力智能巡檢機器人進行研究，其目的最為主要的可大致分為4點。

(1)解決了變電站設(shè)備在運行時出現(xiàn)的緊急突發(fā)情況。在電站設(shè)備運行時，人員排查耗費的勞動力以及時間都比較多。若是出現(xiàn)突發(fā)緊急情況難免無法及時做出處理，該項目能很大程度上改善這一缺點。

(2)可以保證用電設(shè)備安全運行。用電設(shè)備多存在著各種突發(fā)狀況，該項目的實施在應(yīng)對變電設(shè)備在運行出現(xiàn)的緊急狀況時還能確保用電設(shè)備可以安全地運行。

(3)使巡檢人員的人身危險降到最低。在巡檢人員工作時降低巡檢人員所受到傷害的概率，從而使巡檢人員的人身危險系數(shù)降到最低，避免對巡檢人員身體造成的傷害。

(4)對推動國家的機器產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了貢獻。此項目的推出不管在技術(shù)上還是在推動機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展上都有一定的幫助。