變電檢修智能運載機器人系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究

嚴(yán)宇　康文　肖奕　龔闖　江維

摘 要：為了提升變電檢修智能化作業(yè)水平，減輕人工作業(yè)勞動強度，降低人員作業(yè)風(fēng)險。文章提出了一種變電檢修智能運載機器人系統(tǒng)設(shè)計方法，開發(fā)了機器人虛擬樣機模型，著重對機器人的硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，特別是針對機器人的運動功能、尋跡功能、避障功能等重要模塊進(jìn)行分析，最后在硬件設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，以單片機為機器人主控芯片，在PROTUES軟件中進(jìn)行仿真研究，分別對智能運載機器人的運動功能、尋跡功能、避障功能進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明所設(shè)計的系統(tǒng)能夠較好的實現(xiàn)上述功能，文章對變電檢修智能運載機器人系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究為物理樣機系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)化設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)，同時，對于變電檢修智能運載機器人實用化研究具有重要理論意義與實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：變電站；智能運載機器人；系統(tǒng)設(shè)計；PROTEUS仿真

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095－414X（2023）05－0065－05

0引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，社會用電量不斷提升，對電力運輸?shù)姆€(wěn)定性提出更高挑戰(zhàn)。變電站[1-4]是電力系統(tǒng)中與人們關(guān)系最為直接的基礎(chǔ)設(shè)施，是服務(wù)區(qū)域輸送電力，保證人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣a(chǎn)所需電力供應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。目前，我國東部地區(qū)平均每個省擁有5000座變電站，西部地區(qū)為3000座。大多數(shù)變電站處于露天環(huán)境，受自然環(huán)境的腐蝕、松動給變電的穩(wěn)定性造成影響。變電站的日常巡檢維護(hù)若不能得到充分的保障，一旦沒有及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀況并有效處理，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為保證供電穩(wěn)定性及可靠性，變電站相應(yīng)部門需要對其進(jìn)行定期檢修。為實現(xiàn)變電站內(nèi)作業(yè)工具規(guī)范化管理，站內(nèi)所需的作業(yè)工具通常按序分類存放在指定工具室內(nèi)，這樣常造成作業(yè)工具存放點距離檢修作業(yè)點較遠(yuǎn)，作業(yè)工具存取不方便等問題。為提高變電站室內(nèi)檢修作業(yè)的智能化程度，減輕電力檢修人員勞動強度，開發(fā)一種利用AGV移動平臺的變電站室內(nèi)全自主搬運移動機器人具有重要意義。AGV[5-8]是無人搬運車（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫，是指裝備有電磁或光學(xué)等自動引導(dǎo)裝置，能夠沿規(guī)定的引導(dǎo)路徑運行，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運輸車，屬于輪式移動機器人。AGV的導(dǎo)航是指其決定AGV運行方向和路徑的方法，目前常用的AGV導(dǎo)航方式[9-12]主要有車外預(yù)定路徑方式和非預(yù)定路徑方式兩種。所謂車外預(yù)定路徑導(dǎo)航方式是指在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)航用的信息媒介物，AGV通過檢測其信息而得到導(dǎo)向的導(dǎo)航方式，如電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引等。所謂非預(yù)定路徑導(dǎo)航方式是指AGV不預(yù)先確定行駛路徑，而是根據(jù)調(diào)度要求，在運行過程中通過方位識別確定行駛路徑。如激光導(dǎo)航、坐標(biāo)或地理信息識別導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等。

基于上述分析，本文設(shè)計了一款變電檢修智能運載機器人AGV小車系統(tǒng)，著重對所設(shè)計的AGV小車的運動狀態(tài)、尋跡功能、避障功能進(jìn)行了測試實驗仿真分析，驗證了設(shè)計結(jié)果的可行性和有效性，本文的研究是對配電網(wǎng)檢修維護(hù)的全新應(yīng)用和探索，其研究和實施對于提升復(fù)配電電網(wǎng)系統(tǒng)工作能效、推進(jìn)電力系統(tǒng)自動化和智能化具有重要理論意義與實際應(yīng)用價值。

1 變電檢修智能運載機器人虛擬樣機系統(tǒng)設(shè)計

變電檢修智能運載機器人采用四輪驅(qū)動，AGV導(dǎo)航模式行走于變電站內(nèi)地面上，輔助甚至替代人工搭載作業(yè)工具，它的主要結(jié)構(gòu)包含兩個部分：其一，驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)由鋰電池來提供電能進(jìn)行驅(qū)動，鋰電池將直流電傳導(dǎo)至電機提供車輪的動力，電池組設(shè)計在小車內(nèi)部，位于小車的前后兩端，分別有一個電池組來提供電力；其二，運載部位，小車在頂端設(shè)計護(hù)欄樣式來安放工具，在變電站內(nèi)運輸。小車內(nèi)部設(shè)計為上下兩層，下層安裝電機與車輪連接，上層安裝控制系統(tǒng)，車壁安裝傳導(dǎo)裝置，起到控制作用。小車的前后部安裝有傳感裝置來感應(yīng)障礙物或者地面基礎(chǔ)線來安排前進(jìn)的路線，同時用于感應(yīng)充電裝置。小車頂部前后兩端，設(shè)計有控制面板，可以由技術(shù)人員輸入編程設(shè)定好前進(jìn)路線，變電檢修智能運載機器人虛擬樣機模型如圖1所示。

2 變電檢修智能運載機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

本文針對智能運載機器人的控制需求，采用基于單片機的機器人控制系統(tǒng)和自主避障和自主尋跡模塊。小車的驅(qū)動設(shè)計就是為了使得小車能夠首先運動起來，其次，再考慮讓小車按照預(yù)設(shè)的方式進(jìn)行運動。因此，首先在小車的動力部分方面，小車在物理結(jié)構(gòu)上采用的是四個驅(qū)動輪，驅(qū)動輪使用的是四個直流電機進(jìn)行驅(qū)動。這樣單片機通過控制直流電機，進(jìn)一步控制小車運動，達(dá)到驅(qū)動小車的目的。但由于單片機的直接輸出可能無法有效的控制直流電機的轉(zhuǎn)動，因此，考慮使用專門用來驅(qū)動電機的驅(qū)動芯片，從而使得單片機間接控制電動機的轉(zhuǎn)動，運載機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2尋跡功能的實現(xiàn)

機器人的尋跡是在小車能夠正常運動起來的前提下，進(jìn)一步通過軟件設(shè)計和硬件選擇，從而可以讓小車按照規(guī)定的路線來進(jìn)行運動。為了實現(xiàn)這個功能，采用的是紅外光電傳感器，紅外光電傳感器可以很好的貼合本設(shè)計的要求，因此對于紅外光電傳感器進(jìn)行了研究。另一方面也同時對于紅外尋跡的工作原理和尋跡原理進(jìn)行了研究，最后使得小車可以達(dá)到尋跡的功能。避障流程示意圖如圖3所示。

2.3避障功能的實現(xiàn)

小車的避障功能是指小車在遇到前方存在障礙物的時候，能夠自動的識別障礙物，并且可以根據(jù)障礙物的位置做出相應(yīng)躲避的運動行為。為了達(dá)到這一功能，本設(shè)計有兩個方案可以選擇，一個是利用紅外光電傳感器，一個是利用超聲波模塊。首先，小車能夠識別障礙物需要從小車位置發(fā)射信號，在遇到障礙物可以識別出來，并且反射，這樣

小車接收到反射信號就可以得到小車自身距離障礙物的距離。從而單片機可以輸出相應(yīng)的控制信號使得小車能夠做出躲避行為。

因此，避障的重點在于距離的測量是否精準(zhǔn)和快速，首先，精準(zhǔn)可以讓小車能夠準(zhǔn)確識別障礙物位置。其次，由于小車的行駛速度，單片機需要時間來輸出控制信號，小車對于單片機輸出的控制信號也需要時間來改變自身的運動狀態(tài)。因此，在選用測距模塊上，需要同時兼顧準(zhǔn)確性和及時性，AGV避障流程示意圖如圖4所示。

2.4機器人小車運動狀態(tài)分析

在不同的運行環(huán)境中，機器人所呈現(xiàn)的運動狀態(tài)不同，由于環(huán)境的復(fù)雜性，小車根據(jù)障礙物和干擾因素，會出現(xiàn)四種運動狀態(tài)，分別是前進(jìn)、停止、后退，以及轉(zhuǎn)向。因此，首先需要自動識別小車運動狀態(tài)。根據(jù)需求從而對各狀態(tài)下的小車進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，小車停止?fàn)顟B(tài)分為兩種情況，其一，小車在出發(fā)點和終點的運動狀態(tài)，此時停止的目的是用于加載貨物和卸載貨物。其二，在運輸過程中出于避障目的，對于突發(fā)情況而產(chǎn)生的障礙物，小車無法通過轉(zhuǎn)彎避障的時候，需要采用停止避障的方法。小車的前進(jìn)狀態(tài)用于小車正在運輸?shù)耐局?，為小車正常行駛的狀態(tài)。通過反饋控制進(jìn)行速度的調(diào)劑，使得小車在運輸過程中可以達(dá)到一個穩(wěn)定的速度。小車的后退狀態(tài)多用于避障，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)性障礙物時，配合小車的停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行障礙物的躲避行為。對于一個具有自動導(dǎo)航功能的小車而言，轉(zhuǎn)彎可以說是最為重要的部分。因此，根據(jù)障礙物不同小車需要進(jìn)行不同方向的避障，在遇到障礙物，機器人小車可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序目標(biāo)進(jìn)行障礙物的躲避行為，左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。

3系統(tǒng)設(shè)計仿真實驗

3.1 系統(tǒng)仿真平臺搭建

基于前述分析，設(shè)計了AGV系統(tǒng)的電路圖，并采用了Proteus 8 Professional仿真軟件，并通過Keil uVision5編寫的單片機程序生產(chǎn)可執(zhí)行的HEX文件燒錄到Proteus的電路圖中，從而進(jìn)行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的聯(lián)機仿真。主要對AGV系統(tǒng)尋跡功能，避障功能，反饋控制進(jìn)行邏輯仿真。因此，通過搭建單片機和各部分元件的電路進(jìn)行功能仿真。圖5中AGV系統(tǒng)總體設(shè)計電路圖，在仿真環(huán)境內(nèi)，將單片機與小車的各功能部分相連，通過單片機進(jìn)行控制，從而使得小車在仿真環(huán)境內(nèi)可以做出相應(yīng)的行為。

3.2 仿真測試實驗與結(jié)果分析

首先測試小車的避障功能，設(shè)置30cm為小車避障臨界值，當(dāng)超聲波測量數(shù)值不小于30cm時，小車正常行駛，其結(jié)果如圖6小車正常前進(jìn)示意圖。

當(dāng)左側(cè)超聲波測量距離低于30cm時，左側(cè)超聲波檢測到障礙物，此時小車應(yīng)該向右側(cè)轉(zhuǎn)彎，如圖7為左側(cè)避障結(jié)果示意圖。

當(dāng)超聲波檢測到障礙物距離小于10cm時，小車會直接停止，從而達(dá)到避障目的，因為此時小車已經(jīng)無法及時轉(zhuǎn)彎。此種情況適用于突然出現(xiàn)的障礙物，如在小車行駛過程中，可以用手來模仿突然出現(xiàn)的障礙物，如圖8為小車停止避障示意圖。

然后測試小車的尋跡功能，在仿真時通過手動調(diào)節(jié)滑動變阻器電阻阻值，來模擬檢測黑線，當(dāng)降低右側(cè)電阻阻值時，根據(jù)尋跡過程分析可知，此時表示右側(cè)紅外傳感器檢測到了黑線，說明此時小車位置偏左，需要向右轉(zhuǎn)，如圖9為右側(cè)尋跡示意圖。

同理，通過手動調(diào)節(jié)滑動變阻器上電阻阻值來模擬檢測黑線，當(dāng)降低左側(cè)電阻阻值時，根據(jù)尋跡過程分析可知，此時為左側(cè)紅外傳感器檢測到了黑線，說明此時小車位置偏右，需要向左轉(zhuǎn)。通過仿真測試可知，AGV系統(tǒng)能夠順利的完成行走、避障、尋跡等典型功能，這些功能測試為變電智能運載機器人系統(tǒng)的設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）本文針對變電站智能運載需求提出了一種適用于變電站內(nèi)部的智能運載機器人AGV小車的基本構(gòu)型，開發(fā)了智能運載機器人的虛擬樣機模型。

（2）本文針對智能運載機器人的控制需求，設(shè)計了基于單片機的機器人控制系統(tǒng)和自主避障和自主尋跡模塊，為機器人系統(tǒng)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

（3）在PROTEUS軟件中對設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，驗證了AGV小車自主尋跡，自主避障功能電路設(shè)計的可行性和有效性。

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Design and Simulation Research of Intelligent Carrier Robot System for

Substation Maintenance

YAN Yu1，2， KANG Wen1，2， XIAO Yi1，2， GONG Chuang3， JIANG Wei3

（1. State Grid Hunan EHV Substation Company， Changsha Hunan 410004， China; 2. Substation Intelligent Transportation and Inspection Laboratory of State Grid Hunan Company， Changsha Hunan 410004， China ; 3. School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430073， China）

Abstract：In order to improve the level of intelligent operation of substation maintenance， reduce the labor intensity of manual operation， and reduce the risk of personnel operation. This paper proposes a system design method for a substation maintenance intelligent carrier robot， develops a virtual prototype model of the robot， and focuses on the design of the robot's hardware control system， especially for the robot's motion function， tracking function， The important modules such as obstacle avoidance function are analyzed in depth. Finally， on the basis of the hardware design scheme， the single-chip microcomputer is used as the main control chip of the robot， and simulation research is carried out in PROTUES software. The obstacle avoidance function is simulated and studied. The simulation results show that the designed system can better realize the above functions. The design and simulation research of the intelligent carrier robot system for substation maintenance in this paper has laid a theoretical foundation for the development and optimization of the physical prototype of the system. The practical research of intelligent carrier robot for substation maintenance has important theoretical significance and practical application value.

Keywords：substation; intelligent delivery robot; system design; PROTEUS simulation

（責(zé)任編輯：周莉）

*通訊作者：江維（1984-），男，講師，博士，研究方向：電力作業(yè)機器人.

基金項目：國網(wǎng)湖南省電力有限公司科技項目（5216A3220004）.