变电站巡检机器人评估

户内轨道巡检机器人 项目方案评估报告 一、项目背景： 1.1 变电站设备巡检和人工巡检有效性分析 设备的技术状态和设备运行状态如何，必须通过对设备进行巡回检查后才可以得出相 应的结果。为了提高设备的利用率，设备运行的可靠性、降低维修成本。加强对设备巡检 及缺陷管理，是提高设备的运行管理水平的一项重要措施，它能有效地为评估设备状态、 确定合理的运行方式、及时安排检修提供可靠、详细的数据并有助于做出科学分析。 变电站值班员进行人工巡检，对运行设备进行感观的简单的定性判断，主要通过看、 触、听、嗅等感官去实现的。人工巡视对设备外部可见、可听、可嗅的缺陷能够发现，例 如：油位、油温、压力、渗漏油、外部损伤、锈蚀、冒烟、着火、异味、异常声音、二次 设备指示信号异常等。 人工巡检受人员的生理、心理素质、责任心、外部工作环境、工作经验、技能技术水 平的影响较大，存在漏巡，缺陷漏发现的可能性。且对于设备内部的缺陷，运行人员无专 业仪器或者仪器精确度太低，通过简单的巡视是不能发现的，比如油气试验项目超标，设 备特殊部位发热、绝缘不合格等缺陷；还有一类缺陷只能在操作的过程中才能发现，如机 械卡涩、闸刀分合不到位、闸刀机构箱门损坏等。 另一方面，由于无人值班变电站增多，许多变电站的距离也较远，在站内出现事故或 大风、大雪及雷雨后因集控站无法出车不能及时巡视时，造成集控站值班员不能及时了解 现场设备状态，及时发现隐患，危急电网的安全运行。特别是无法及时了解出现问题的变 电站情况，失去优先安排处理的机会。 巡视人员巡视设备时需要站在离设备较近的地方，对巡视人员的人身安全也有一定的 威胁，特别是在异常现象查看、恶劣天气特巡，事故原因查找时危险性更大。 综上所述，无人值班变电站的人工巡检存在及时性、可靠性差，花费人工较多，存在 较大的交通风险和巡视过程风险。 1.2 变电站巡检机器人简介 变电站室内巡检机器人集机电一体化技术、多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航 及行为规划技术、机器人视觉技术、无线传输技术于一体。 通过机器人上的高清摄像头可实时采集分析图像，自动识别并准确定位所标记的设备， 实现信息传输和拍照。 机器人以自主或遥控的方式，在无人值守或少人值守的变电站对室内高压设备进行巡 检，可及时发现电力设备的内部热缺陷、外部机械或电气问题，为运行人员提供事故隐患 和故障先兆数据。可替代运行维护人员现场巡检，节省设备巡检成本，降低人身伤害风险， 提高变电站运行维护水平。 二、巡检机器人功能总体概述 2.1 系统完成的功能概述 根据初步的说明书，系统需要完成以下功能： 1) 行走。需要能沿线行走，实现前进，倒退，转弯，停留，并且要跨越隔门。 2) 无线控制。通过无线的方式对机器人实施控制。 3) 挂载并能提升巡检设备。 除了上述功能性要求，机器人需要低成本，小型化。为了实现上述功能以及最终验收， 需要对机器人性能提出一定的指标。 2.2 系统应该达到的指标 初步设计机器人在上述 4 个功能上应该实现如下指标 1) 行走。行走速度最高要达到 0.5m/s。机器人应该能实现原地转向。机器人应该能 跨越高度为 5cm 的隔门 2) 机器人无线控制距离不少于 10 米，能在复杂电磁环境下工作。 3) 机器人能感知自己绝对位置。能达到+/-2CM 定位精度 4) 能为巡检设备提供电源，电压小于等于 24V。 5) 机器人尺寸应小于 1M*1M*2M。能进入其他房间 6) 机器人重量应小于 50Kg 7) 机器人最大提升高度应大于等于 1.8M。 8) 机器人待机工作时间为 12 小时。正常工作时间为 8 小时。 2.3 系统所需模块 根据机器人需要完成的功能和机器人需要达到的指标，初步确定机器人应包括如下几 个子系统。 户内小型化经济型轨道巡检 机器人 主控 系统 机械 本体 无线 遥控 系统 电源 系统 人机 交互 系统 传感 系统 图 1 系统结构图 其中人机交互系统功能是从操作者处获得指令，控制机器人的运动。同时将从机器人 处获得的传感器数据提供给用户。 无线遥控系统的功能是将用户的指令和数据通过无线的方式进行发送，使机器人和用 户联系在一起。 主控系统的功能是搜集传感器的数据，对其进行处理，并结合用户的指令，完成对电 机相应的控制。 电源系统功能是为机器人提供动力源，并保证电量异常时的报警、自我保护和充电行 为。 传感系统为机器人提供数据，其中一部分是和机器人定位与导航相关的，机器人通过 处理这部分数据进行巡线并获得机器人的坐标。另一部分是机器人搭载的巡检设备。机器 人对这部分数据进行初步处理，并通过无线模块发送给控制基站。 以上各系统的功能如下框图所示： 机器人巡线传 感器获得信息 机器人巡检传 感器获得信息 电源模块 A / D 转换 信号处理 A / D 转换 信号处理 发送的数据 接收的命令电机控制指令 电机驱动器 电机 位置数据 温度数据等 无线模块 人机交互 模块 传感器模块 主控模块 图 2 模块功能图 三、 设计方案 2.1 机械本体设计依据 考虑到机器人的运行环境，其移动体采用四轮轮式移动小车，中驱结构。由 2 个伺服 直流电机分别驱动，差速转向，前后两轮为万向轮。该移动体结构简单，易加工，直线运 动性与转弯性能好，能够以中间驱动轮为中心点做原地转弯，且无侧滑，对路面的适应性 强，且便于控制系统的设计。 图 3 移动机器人整机结构简图 2.2 传感器系统设计 2.2.1 巡线传感器 对于 AGV 机器人的巡线传感器，采用比较广泛的是磁导航的方式，然而磁导航铺设成 本较高。磁导航装置检测范围内不能存在电机等磁性装置，并且需要定期清洁磁导航传感 器，维护成本较大。 若以降低成本考虑应采用红外光巡线的方式。红外光巡线传感系统采用红外光作为检 测光源，避免了外界可见光对巡线传感的干扰和影响，可以在高亮或全黑暗的光照条件下 工作。内部处理算法基于施密特滤波器及自适应阈值学习算法，对每个红外反射管分别进 行阈值学习，可以弥补因为器件差异和反射条件差异造成的传感误差。巡线条方面，通过 铺设工业耐磨阻燃地板，可以很好地降低维护成本。 系统硬件部分为自主开发的基于 AVR 单片机的传感器板，采用 ATmega16A 单片机， 提供 3 种通信接口：IO、I 2C、UART。用户可根据需要选择其中一种接口读取传感器模块的 检测结果。用户可使用拨码开关或者 I2C、UART 通信接口控制此巡线板进入采样学习模式。 图 3 红外巡线板及耐磨阻燃巡线条材料 然而单纯的巡线并不能为机器人提供准确的坐标信息。机器人除了在转弯或者道路交 汇的地方能获取坐标，并不知道在路径上的具体坐标。因此，除了巡线系统，巡线传感器 系统还要增量式码盘为机器人提供航迹推算式的定位。通过巡线传感器和增量式码盘，机 器人既能沿着线前进，又能了解当前所在的坐标。 图 4 增量式码盘及随动轮装置 2.2.2 搭载传感器 本机器人系统为变电站设备非电气信号的采集提供了一个移动载体平台，在这个平台 上可以搭建不同的检测系统或装置。如：远程在线式红外热像仪系统、可见光图像采集处 理系统、声音采集处理系统和移动物体闯人报警系统。检测设备如图 6 所示。 图 6 搭载传感设备检测系统框图 2.3 无线遥控系统设计方案 无线遥控系统采用 nRF2401 模块作为通信硬件。 nRF2401 模块速率高，最高能达到 2Mbps。由于空中传输速度快，传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象。频 点多，可以满足多点通信需要。成本低，芯片内部继承了所有与 RF 协议相关的高速信号处 理部分，比如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，NRF24L01 的 SPI 接口可以利 用单片机的硬件 SPI 口连接或用单片机 I/O 口进行模拟，内部有 FIFO 可以与各种高低速微 处理器接口，便于使用低成本单片机。除此之外，由于链路层完全集成在模块上，非常便 于开发。通信范围广，最大 0dBm 发射功率，空旷 100 米。 图 7 nRF2401 无线数传模块 2.4 主控系统设计方案 移动机器人导航系统需要在有限的时间内处理大量的数据，因此要求控制系统具有较 快的数据处理能力，然而移动机器人要实现复杂的动作以及人机交互界面，这又要求控制 系统具有较强的综合处理能力以及丰富的外设接口。为了满足上述需要，主控系统采用 ARM7+FPGA 的架构。ARM7 是 ARM 公司研制小型、快速、低能耗、集成式 RISC 内核。采 用 ARM7 架构的内核广泛使用于汽车、工业控制应用以及医疗系统。为了减轻处理器的负 担，使用 FPGA 作为协处理器，可以丰富主控系统的接口，同时大大提高了主控系统的处 理能力。下图所示就是一个以 ARM7+FPGA 为架构的主控系统。该系统能实现 12 路电机伺 服控制，具有 LCD 接口，USART 接口，USB 接口，SPI 接口，I2C 接口等常用的外设接口， 能方便地与外设进行通信。考虑到巡检机器人需要挂载不同的外设，外设接口越丰富，外 设选择的自由度就越大，可以支持的外设就越多。 图 8 ARM7+FPGA 主控系统 2.5 电源系统设计依据 电源系统包括电池和充电系统两个部分。在机器人工作时，由电池提供能量。常用的 电池有锂电池，铅蓄电池，镍镉电池等。考虑到机器人工作时间较长，而且需要重复充电， 并且考虑成本，选择铅蓄电池作为机器人的电源。普通的铅蓄电池具有容量大，放电电流 大，高循环寿命，可靠性好，时间耐久，安全性能好等特点。 机器人经过一段时间工作，需要自行回到充电点充电。可以采用充电站的模式，机器 人到一个充电区域之后，自行将充电接口对准充电器，完成充电。目前一些扫地机器人已 经具备这样的功能。 图 9 24V 铅蓄电池、充电器及其充电桩 2.6 人机交互系统设计依据 为了对巡检机器人进行有效的监视、控制和管理，为此建立了一个移动机器人监控中 心来完成该任务，称其为基站。基站与移动体之间通过无线网桥组成一个无线局域网，其 中无线网桥满足 IEEE802.11a 标准，频段 5.8GHz，带宽 50Mbit/s，无遮挡传输距离 10km。 整个机器人系统采用基于 IP 网络的二级结构，如下图所示。 图 10 机器人系统整体网络结构 在该系统中，可见光图像、红外图像通过视频服务器的视频流数据和移动体控制系统 信息等数据汇集到网络集线器后，经无线网桥、网络集线器一起通过电力系统内部网络传 到运行监控中心，连接到电力系统局域网上的计算机可根据访问权限实时浏览变电站设备 的可见光和红外视频图像、机器人本身运行情况等相关信息，并且可以控制机器人移动体 的运