变电站设备巡检机器人系统项目方案.doc

重庆市电力公司超高压局变电站设备巡检机器人系统项目方案变电站设备巡检机器人系统项目小组2010.91 概述1.1 项目背景传统的变电站巡检工作主要由工作人员来完成，但对于无人值守或少人值守的变电站，巡检工作是一件非常困难的工作，尤其对偏远地区的变电站，需要耗费大量的人力和时间；其次，由于变电站多为高压、高辐射设备，人工巡检具有很大的危险性；同时对于无人值守或少人值守的变电站，当变电站故障时的应急指挥调度难度也非常大。因此运用机器人在一定程度上代替人工对变电站实行自动巡检成为变电站巡检的发展趋势。为了更好的实现偏远地区和无人值守变电站的安全、可靠地巡检，重庆市电力公司超高压局建设巡检机器人应用系统，通过无线网络对机器人实现遥控巡检。系统通过定位系统对机器人准确导航、定位，采集电气设备的工作状态，即时向控制中心返回设备状态和机器人本体工作状态。中心通过无线网络对机器人实施监控，对返回的数据进行处理，即时发现电气设备的外观异常和内部热缺陷等故障，从而达到可靠的巡检。1.2 应用效果通过开发、安装变电站设备巡检机器人系统，可达到以下预期成果：1. 机器人本体能够沿着指定的巡检线路进行巡游；2. 机器人在巡游过程中对待检设备定位；3. 通过摄像仪和红外热像仪对变电站电气设备的运行状态进行监测；4. 采集机器人本体的状态参数，并将这些参数传送至控制中心；5. 对机器人本体的硬件进行检测，一旦出现故障，系统给出报警提示并采取相应措施，确保机器人在工作过程中的可靠性和安全性；6. 控制中心能够通过上传的视频和红外图像对电气设备进行监控；7. 控制中心通过电子地图来展现机器人巡检的工作过程；8. 工作人员能够对机器人本体的运动实现远程控制；9. 工作人员能够对视频和红外设备实现远程控制；10. 工作人员能够对机器人本体的工作状态进行监控；11. 机器人本体和控制中心之间能够通过网络进行通信。2 设计方案2.1 建设思路通过重庆创格科技有限责任公司和重庆大学专家一起研讨，制定出一套切实可行的方案。在该方案的基础上定制或研发相应的设备，经过组装、调试研制出机器人本体部分。再根据项目的需求制定出配套软件的设计方案，然后通过编码完成项目的软件部分。最后到现场进行联合调试，对出现的问题进行改进，最终将成果交付超高压局。建设过程中坚持以下原则： 能够完成巡检任务； 不破坏变电站任何装置； 不影响电气设备的正常运行； 机器人在工作中保证可靠性； 在一定程度上减轻工作人员的巡检工作量。2.2 整体架构系统由三个部分组成：变电站控制中心软件、无线网络和现场巡检机器人。控制中心软件运行在变电站控制室的计算机上，主要功能是对巡检现场的情况进行监控。该软件包括以下几个主要功能：1、电子地图的展现。控制中心软件根据变电站平面图绘制出电子地图，对巡检机器人的工作过程进行展现。2、视频、红外图像的显示。机器人采集的视频图像信息和红外图相信息经网络传输到控制中心，控制中心软件就会在相应的窗口中显示视频图像和红外图像。工作人员可以通过这两个窗口监视现场的工作情况和设备的运行情况。3、机器人状态数据和电力设备状态数据的显示。控制中心软件能够接收机器人回传的本体状态数据和电力设备状态数据并将其在窗口中显示出来。这样工作人员可以及时地了解现场的巡检状况。4、远程遥操作。控制中心软件允许工作人员通过软件提供的操作面板对机器人本体、摄像仪和红外热像仪实施远程遥操作，不仅可以远程控制机器人行走而且可以控制摄像仪和红外热像仪的云台、焦距等。无线网络负责中心软件和巡检机器人之间的通讯。无线网络要求高带宽、高可靠性和低延迟，能够稳定地传输视频数据和其他数据。在数据传输过程中误码率低。巡检机器人主要承担设备巡检的任务并将采集的设备状态数据和其他数据上传到控制中心。其主要功能包括：1、机器人导航定位。机器人要能够沿着巡检路线巡游，同时还要能够对电力设备的位置进行定位。2、机器人本体故障诊断和自保护。机器人本体软件系统对硬件进行检测，一旦发现故障，系统发出报警信息并采取相应措施进行自我保护。3、电力设备的监测。机器人通过其所携带的摄像仪和红外热像仪对电力设备进行监测，并将采集的图像数据和红外数据上传至控制中心。2.3 拓扑结构机器人本体携带导航设备、监控设备、数据采集设备和网络设备。控制中心软件运行在监控室的服务器上。服务器与机器人之间采用点对点的无线网络连接。在机器人上安装全向天线，确保在任何方向上都能够接收到无线网络信号。服务器通过交换机和无线ap相连，在网络设置上保证机器人和服务器处于同一个局域网网段中，这样机器人和服务器就能够实现相互通信。2.4 系统工作方式系统采用客户端/服务器的工作模式。控制中心软件作为客户端，机器人作为服务器。系统运行时，机器人首先启动，然后启动控制中心的软件系统。在这个过程中机器人会和服务器建立网络连接。机器人开机启动后，就会在导航系统的控制下沿着巡检路线行进，在各个监测点，机器人会停下来对电力设备进行监测的工作。机器人所采集的监测数据和本体运行状态数据通过网络上传至控制中心。控制中心接收机器人发回的数据，其中，视频和红外数据通过控制中心软件窗口显示；机器人本体数据在状态窗口中显示。控制中心软件还以电子地图的方式展现机器人在现场的工作情况。另外，工作人员还可以通过软件控制面板对机器人的行走和摄像仪、红外热像仪的焦距、云台进行远程遥操作。2.5 系统可靠性2.5.1 可靠性隐患1机器人在行走过程中出现无法检测到磁条、标签时会与行走路线产生较大偏差，超出了系统的控制范围；2、机器人携带的设备可能出现故障；3、网络可能会出现中断。2.5.2 可靠性解决方案1.可靠的导航控制：采用多种导航定位技术相融合的方案，确保机器人在行走过程中不会出现大的偏差和失控的情况。一旦出现无法控制的情况，机器人采用多种处理方式使自己停止运行。用户可以采用远程人工控制的方法，一旦系统导航系统出现故障，则可以采取人工对机器人的行走加以控制。2.故障检测和机器人的自我保护：机器人在运行过程中不断检测自身硬件设备的运行状况。一旦出现故障，系统的故障处理程序会采取相应的处理措施，必要时可以让机器人停止工作。这样可以避免机器人出现失控的情况下对自身和电力设备造成损害。3.采用高可靠性的网络：采用高可靠性、高传输带宽的网络设备，一方面保证了机器人和控制中心之间的通讯畅通，另一方面可以使监控室的视频、红外图像保持流畅，减少了控制中心与机器人失去联系的情况。同时为了以防网络出现中断，机器人配置了网络检测模块，该模块实时检测网络的连接状况，一旦检测到网络中断，机器人会停止运行。2.6 开发环境以visual c+ 6.0作为开发工具，电子地图采用mapx，数据库采用sql server数据库平台。3 功能设计3.1 导航定位机器人本体沿着指定路线行走。考虑到机器人两个电机性能的差异性以及在行走过程中出现的偏差，因此机器人控制系统包含对在行走过程中出现的偏差进行校正。在路径转弯处能够识别转弯标志并且能够正确做出转弯动作。在巡检过程中能够对监测点以及特殊位置实现定位。机器人本体能够比较准确地读取监测点的标识信息，从而使机器人停止前进并对电气设备进行检测。在路径转弯处，机器人也能够读取转弯标识从而使机器人能够做出正确的转弯动作。3.2 设备监测在监测点，机器人本体可通过实现设定的预置位将可见光摄像仪和红外热像仪自动对准待监测电气设备，并对其运行状态、温度等进行监测，之后将采集的视频图像、红外图像以及温度等参数传送至控制中心，工作人员通过控制中心软件窗口在线检测电气设备的运行状态。在巡检过程中，用户还可以对云台位置和焦距等参数进行设置，可使用录像和图像截取功能，还可对红外热像仪的参数进行设置。3.3 数据采集机器人本体通过各种传感器采集机器人运动所需的各种数据，包括超声波、磁传感器、rfid标签、温度，这些数据能够传送到控制中心软件并显示出来。3.4 机器人本体硬件检测机器人本体软件实现对自身硬件的检测，包括超声波、磁传感器、rfid读写器、网络等，确保系统各硬件能够正常工作。一旦发现故障，系统会调用故障处理程序来作出相应的处理。3.5 故障报警处理针对系统出现的故障，故障报警处理程序会根据不同故障的类别给出报警提示信息并采取相应的故障处理，这样就保证了系统的可靠性。3.6 参数设置机器人本体软件允许用户对关键参数进行设置，这样使得系统可以运行在不同的配置环境下，从而提高了系统的灵活性。3.7 开机自启动机器人系统加电后，下位机软件自动启动，读取设定的配置信息，进入工作状态。3.8 远程控制控制中心软件能够对机器人本体和监测设备（摄像仪和红外热像仪）进行远程控制。工作人员通过操作远程控制界面或键盘控制机器人本体前进、后退、左转、右转和停止。控制中心软件提供对可见光摄像仪和红外摄像仪远程操作面板，可对其进行云台控制、焦距控制、录像、图像截取以及红外摄像仪各种功能的远程控制。3.9 预置位设置系统提供对监测点的预置位设置，在监测点用户可以记录下云台的方位、俯仰角等信息，在实际巡检时机器人根据预置位自动将云台转动到预先设定的方位，便于工作人员对设备进行监测。3.10 电子地图展现该功能根据机器人本体回传的数据展现机器人的巡检状况。这使得工作人员以非常直观的方式了解现场的情况，也使得人机界面十分友好。3.11 视频和红外图像的显示机器人本体采集的变电站设备视频和红外图像经网络传输后在窗口中显示，工作人员可以通过视频窗口红外窗口观察电气设备的运行状态。3.12 数据传输系统提供数据传输的功能。数据传输包括数据发送和数据接收，机器人本体软件和控制中心软件能够发送和接收不同格式、不同类型的数据，并能够对它们进行正确的处理和显示。3.13 用户管理系统提供用户登录、添加、删除、用户信息修改等基本用户管理功能。3.14 数据存储系统拥有数据库系统，可以实现对数据的存储4 实施方案4.1 实施策略1.了解甲方的需求并给出切实可行的实施方案。乙方在充分了解甲方的需求后，就项目的实施方案咨询有关专家、学者，在与专家、学者进行充分研讨后制定出符合甲方要求的可行的项目方案。2.研制或定制项目有关的硬件设备。本系统的开发需要硬件的支持。乙方根据项目的实施方案，研制或定制相关的硬件设备，使得在硬件层次上保证项目满足用户的需求。3. 制定软件设计方案并开发软件系统。根据项目的整体方案和客户需求，制定出软件设计方案，如概要设计、详细设计，最后开发出符合需求的软件系统。4采取先试点后推广的策略，确保实施工作稳步推进。为保证项目实施工作有序、稳步进行，可采取先试点、后推广的策略。通过试点，一方面验证软、硬件系统，另一方面为全局推广积累经验。4.2 项目组织机构1.甲方项目组织甲方成立项目领导小组，协调各项工作，并对重大事项作出决策；成立项目工作小组，负责本项目协调沟通、组织管理和其它各项具体工作。 2.乙方项目组织乙方成立变电站设备巡检机器人系统项目组，负责本项目具体实施工作。乙方项目组的工作由乙方项目管理组织进行统一管理。4.3 项目计划安排项目整体工作分为七个阶段：（1）项目启动及业务需求交流、分析；（2）制定硬件系统的方案；（3）硬件设备的研制、定制及测试；（4）制定软件系统的设计方案；（5）软件系统的开发、测试；（6）系统整体的测试；（7）项目验收。项目整体计划及各阶段工作时间见下图：采取先试点后推广的策略，确保实施工作稳步推进软件开发与调试硬件方案软件系统设计第八月第四月第五月第六月第七月第一月项目验收第二月第三月第九月第十月项目启动需求分析硬件研制、定制和调试系统整体调试4.4 项目各阶段的主要工作项目各阶段具体工作内容见下图： t1需求确认t2制定硬件方案需求交流确定方案制定导航方案制定定位方案制定监测方案制定网络方案硬件资料准备需求分析项目实施任务包括：132t4软件系统设计概要设计详细设计数据库设计4制定硬件研制方案购买基本材料t3硬件研制、定制制定硬件方案硬件研制、定制软件系统设计5软件开发、测试6系统整体测试7项目验收t5软件开发、测试t6系统整体测试机器人本体开发控制中心软件开发导航定位测试设备巡检测试网络测试远程控制测试项目验收并投入使用技术支持t7项目验收5 项目管理5.1 项目管理目的1.确保项目范围清晰且没有不必要的重叠2.解决项目之间可能发生的冲突，当项目之间发生资源冲突时确定资源分配的优先次序3.将项目相互之间的依赖关系沟通给相关项目，并有效地执行4.减少项目风险的影响5.向总部相关领导提供有效和一致的项目状态汇报6.加强贯串不同项目的项目规范的一致性5.2 项目管理范围1.在支撑机构与每个独立项目之间建立起有效的沟通渠道2.确定每个关键项目的主要检查点3.向每个项目提供项目状态汇报模板4.明确（不是任命）每个项目的项目负责人5.协调分析可能存在的项目风险，提出风险管理的方法和流程6.定义项目成效的衡量方法7.负责项目的规划，控制实施周期5.3 项目管理工作内容描述从项目管理角度，每个成功的项目都要经历从立项、启动、规划、执行与控制及结束5个阶段，在这5个阶段中项目管理工作的主要内容见下表：阶段标题说明1立项根据对业务影响的优先顺序和项目的可行性来描述并确定项目或想法，并获得领导小组的批准。2启动定义项目要求、进行初步规划、协商项目细节，即预算审批，以及进行“准备执行”，评审所要求的任务或工作。3规划确保项目有效执行所要求的活动或工作，如项目的评审和总结。建立项目组，制定详细的项目计划，以及为评审详细计划所做的最后准备。4执行和控制执行项目及实施解决方案所涉及的活动或工作。该阶段包括所有项目任务的执行、项目的监督和控制、成本管理、时间安排、项目成效、风险、合同和项目的变更。该阶段还包括审批项目承建商提交的项目管理或交付件的签收。5结束项目完成工作，包括将实施完成的解决方案转交给适当的业务部门，提供培训、结束项目计划，进行最后的项目评审，并解散项目组。5.4 项目管理流程项目管理分为项目启动、项目执行和项目验收三个阶段，在项目执行阶段，项目管理的主要任务是阶段工作计划制定、计划执行跟踪检查、阶段总结汇报。项目管理各阶段、各项任务都产生相应的管理控制文档。项目管理阶段、任务、流程及管理控制文档的关系见下图： 以下对项目各类管理控制文档具体包含的内容进行说明：规划报告：指项目规划的结果报告；月度计划：按照项目规划进行月度工作安排及月度工作总结，形成月度工作计划；每周计划：项目管理中，每周召开例会，对周工作进行总结和安排，形成项目周计划；实施记录：项目实施过程中各类项目工作的记录文档，如：设计记录、开发记录、测试记录、培训记录、实施记录、维护记录，测试报告、实施总结、数据核对记录、对帐报告等；项目运行简报：对项目实施运行过程中实施进度、系统使用情况、存在问题及改进要求进行总结通报，项目运行简报报项目领导小组成员，根据需要在项目实施范围内进行文件下发；阶段报告：对项目规划中各阶段工作进行总结的报告，如阶段设计总结、阶段开发总结、实施总结、项目阶段总结等。验收报告：项目验收时所形成的报告，验收报告中包含对项目过程、结果的评价。重庆市电力公司超高压局变电站设备巡检机器人系统工作报告变电站设备巡检机器人系统项目小组2009.121 立项背景传统的变电站巡检工作主要由工作人员来完成，但对于无人值守或少人值守的变电站，巡检工作是一件非常困难的工作，尤其对偏远地区的变电站，需要耗费大量的人力和时间；其次，由于变电站多为高压、高辐射设备，人工巡检具有很大的危险性；同时对于无人值守或少人值守的变电站，当变电站故障时的应急指挥调度难度也非常大。因此运用机器人在一定程度上代替人工对变电站实行自动巡检成为变电站巡检的发展趋势。为了更好的实现偏远地区和无人值守变电站的安全、可靠地巡检，重庆市电力公司超高压局建设巡检机器人应用系统，通过无线网络对机器人实现遥控巡检。系统通过定位系统对机器人准确导航、定位，采集电气设备的工作状态，即时向控制中心返回设备状态和机器人本体工作状态。中心通过无线网络对机器人实施监控，对返回的数据进行处理，即时发现电气设备故障，从而达到可靠的巡检。2 主要任务变电站设备巡检机器人系统负责在指定的对电气设备的工作状态进行巡检。机器人在导航系统的控制下能够沿着指定路线行进，在各个监测点，机器人停止运动并通过调节摄像仪和红外热像仪的参数采集电气设备的工作状态数据。这些数据通过网络上传至控制中心。工作人员在监控室的电脑上通过控制中心软件对电气设备以及现场的巡检情况进行监控。工作人员还可以通过远程控制的方式对机器人本体和检测设备（摄像仪和红外热像仪）进行遥操作。3 研制过程2009年9月10月由重庆市电力公司超高压局和重庆创格科技有限责任公司、重庆大学提出总体的思路，并确定开发小组、开发的总体方案等。2009年11月12月 查询相关资料；购买所需的设备并对设备进行测试；软件系统的概要设计；2010年1月2010年5月 硬件设备的安装与调试；网络的安装与调试；软件系统详细设计。2010年6月7月 软件系统编码与测试。2010年8月 到变电站进行现场调试，并获得成功；2010年9月 系统试运行并进行适应性修改，完成系统各功能的测试及试运行，资料文档的准备。4 系统实现功能变电站设备巡检机器人系统实现机器人本体沿着指定巡检路线行进并且能够定位所处位置。在检测点，机器人能够采集变电站设备的视频和红外数据，这些数据通过网络传送至控制中心软件。对于机器人产生的故障，故障处理程序会给出报警并采取相应的处理。控制中心软件能够显示机器人传回的监测视频数据和红外数据；能够以电子地图方式展现现场的工作状况。工作人员能够通过软件界面对机器人、摄像仪、红外热像仪等设备进行远程控制。控制中心软件还提供用户管理、数据存储、数据传输等功能。4.1 导航定位机器人本体沿着指定路线行走。考虑到机器人两个电机性能的差异性以及在行走过程中出现的偏差，因此机器人控制系统包含对在行走过程中出现的偏差进行校正。在路径转弯处能够识别转弯标志并且能够正确做出转弯动作。在巡检过程中能够对监测点以及特殊位置实现定位。机器人本体能够比较准确地读取监测点的标识信息，从而使机器人停止前进并对电气设备进行检测。在路径转弯处，机器人也能够读取转弯标识从而使机器人能够做出正确的转弯动作。4.2 设备监测在监测点，机器人本体可通过实现设定的预置位将可见光摄像仪和红外热像仪自动对准待监测电气设备，并对其运行状态、温度等进行监测，之后将采集的视频图像、红外图像以及温度等参数传送至控制中心，工作人员通过控制中心软件窗口在线检测电气设备的运行状态。在巡检过程中，用户还可以对云台位置和焦距等参数进行设置，可使用录像和图像截取功能，还可对红外热像仪的参数进行设置。4.3 数据采集机器人本体通过各种传感器采集机器人运动所需的各种数据，包括超声波、磁传感器、rfid标签、温度，这些数据能够传送到控制中心软件并显示出来。4.4 机器人本体硬件检测机器人本体软件实现对自身硬件的检测，包括超声波、磁传感器、rfid读写器、网络等，确保系统各硬件能够正常工作。一旦发现故障，系统会调用故障处理程序来作出相应的处理。4.5 故障报警处理针对系统出现的故障，故障报警处理程序会根据不同故障的类别给出报警提示信息并采取相应的故障处理，这样就保证了系统的可靠性。4.6 参数设置机器人本体软件允许用户对关键参数进行设置，这样使得系统可以运行在不同的配置环境下，从而提高了系统的灵活性。4.7 开机自启动机器人系统加电后，下位机软件自动启动，读取设定的配置信息，进入工作状态。4.8 远程控制控制中心软件能够对机器人本体和监测设备（摄像仪和红外热像仪）进行远程控制。工作人员通过操作远程控制界面或键盘控制机器人本体前进、后退、左转、右转和停止。控制中心软件提供对可见光摄像仪和红外摄像仪远程操作面板，可对其进行云台控制、焦距控制、录像、图像截取以及红外摄像仪各种功能的远程控制。4.9 预置位设置系统提供对监测点的预置位设置，在监测点用户可以记录下云台的方位、俯仰角等信息，在实际巡检时机器人根据预置位自动将云台转动到预先设定的方位，便于工作人员对设备进行监测。4.10 电子地图展现该功能根据机器人本体回传的数据展现机器人的巡检状况。这使得工作人员以非常直观的方式了解现场的情况，也使得人机界面十分友好。4.11 视频和红外图像的显示机器人本体采集的变电站设备视频和红外图像经网络传输后在窗口中显示，工作人员可以通过视频窗口红外窗口观察电气设备的运行状态。4.12 数据传输系统提供数据传输的功能。数据传输包括数据发送和数据接收，机器人本体软件和控制中心软件能够发送和接收不同格式、不同类型的数据，并能够对它们进行正确的处理和显示。4.13 用户管理系统提供用户登录、添加、删除、用户信息修改等基本用户管理功能。4.14 数据存储系统拥有数据库系统，可以实现对数据的存储。5 测试情况通过对变电站设备巡检机器人系统的测试，所有功能都能正常执行，机器人能够沿着指定巡检路线行进，能够完成电气设备的巡检任务，可靠性、稳定性和安全性较高。控制中心能够完成对现场的监控，能够实现对机器人和监测设备的远程控制，能够以电子地图的方式展现机器人现场运行状态。因此系统整体工作情况良好，达到超高压局的技术和功能要求。6 总结通过对系统的调试、测试、试运行，变电站设备巡检机器人系统实现了对变电站设备的巡检功能和集中控制管理，使对电气设备的巡检得到统一、有效、及时、正确的监管，其系统功能是值得肯定和相信的，且具有很强的推广价值。重庆市电力公司超高压局变电站设备巡检机器人系统技术报告变电站设备巡检机器人系统项目小组2010.91 整体架构图1.1 系统整体架构巡检机器人系统由三个部分组成：变电站控制中心软件、无线网络和现场巡检机器人。控制中心软件运行在变电站控制室的计算机上，主要功能是对巡检现场的情况进行监控。该软件包括以下几个主要功能：1、电子地图的展现。控制中心软件根据绘制出的变电站电子地图，对巡检机器人的工作过程进行展现。2、视频、红外图像的显示。机器人采集的视频图像信息和红外图像信息经网络传输到控制中心，控制中心软件就会在相应的窗口中显示视频图像和红外图像。工作人员可以通过这两个窗口监视现场的工作情况和设备的运行情况。3、机器人状态数据和电力设备状态数据的显示。控制中心软件能够接收机器人回传的本体状态数据和电力设备状态数据并将其在窗口中显示出来。这样工作人员可以及时地了解现场的巡检状况。4、远程遥操作。控制中心软件允许工作人员通过软件提供的操作面板对机器人本体、摄像仪和红外热像仪实施远程遥操作，不仅可以远程控制机器人行走而且可以控制摄像仪和红外热像仪的云台、焦距等。无线网络负责中心软件和巡检机器人之间的通讯。无线网络要求高带宽、高可靠性和低延迟，能够稳定地传输视频数据和其他数据。在数据传输过程中误码率低。巡检机器人主要承担设备巡检的任务并将采集的设备状态数据和其他数据上传到控制中心。其主要功能包括：1、机器人导航定位。机器人要能够沿着巡检路线巡游，同时还要能够对电力设备的位置进行定位。2、机器人本体故障诊断和自保护。机器人本体软件系统对硬件进行检测，一旦发现故障，系统发出报警信息并采取相应措施进行自我保护。3、电力设备的监测。机器人通过其所携带的摄像仪和红外热像仪对电力设备进行监测，并将采集的图像数据和红外数据上传至控制中心。2 拓扑结构图2.1 机器人系统拓扑结构机器人本体携带导航设备、监控设备、数据采集设备和网络设备。控制中心软件运行在监控室的服务器上。服务器与机器人之间采用点对点的无线网络连接。在机器人上安装全向天线，确保在任何方向上都能够接收到无线网络信号。服务器通过交换机和无线ap相连，在网络设置上保证机器人和服务器处于同一个局域网网段中，这样机器人和服务器就能够实现相互通信。3 机器人控制技术3.1 控制系统总体方案图3.1 控制框图从图3.1中可以看出，机器人的运动控制主要分为三部分：一、停止运动：由于出现紧急情况（如前方出现障碍物或者机器人内部温度过高）以及需要检测电气设备时，机器人会停止前进，等现场排除故障或电气检测结束时，机器人会继续前进。二、转弯运动：当机器人收到由导航定位系统发出的转弯命令后，便开始转弯，当转弯结束后，机器人会开始直线运动。三、直线行走运动：当机器人没有收到停车命令或者转弯命令时，机器人按直线行走。3.2 直线运动自动控制3.2.1 控制基本原理机器人行走控制原理如图3.2所示：pid控制器电机速度位置信息图3.2 直线自动运动控制控制原理图采用内环为主，外环为辅的控制方式：内环控制小车直线移动，外环校正小车的前进方向。3.2.2 内环控制根据两轮的速度差，通过pid运算，校正两轮速度，保证小车直线行走。如果出现偏差，控制程序计算出偏离的角度和偏移距离，从而调整机器人两驱动轮电机的转速，调整轮子的转向和机器人前进速度，尽量避免机器人按蛇形路径前进。校正过程如图3.3所示。图3.3 pid控制流程框图3.2.3 外环控制外环控制主要是前进方向的校正。如果出现偏差，控制程序计算出控制量，根据传感器检测的小车的偏离角度，确定小车的转向。偏离角度可以做用来预测小车的运动趋势，当小车偏离角度与偏离距离同号，小车向相反方向转动；当二者异号，小车先不做偏转运动，等运行一段时间再判断。确定小车转向后再根据控制量，给控制器相应端口送电压，从而调整机器人两驱动轮电机的转速和轮子的转向，从而校正小车的前进方向。3.2.4 转弯控制转弯控制采用原地直角转弯方式，具体过程是，当传感器（磁传感器与rfid）检测到转弯标志时，小车延时一段时间（尽量保证小车中心转弯的中心位置）停下来，一个轮子转动，另一个轮子停止原地转动，当完成转弯时，小车继续前进。具体流程如图3.4所示：图3.4 小车转弯控制流程3.2.5 避障控制当安装在机器人上的超声波传感器检测到机器人周围的障碍物时，工控机可以通过获取超声波雷达的输出信号来判断是否有障碍物。一旦发现前方有障碍物，工控机通过板卡向控制器发出停车指令，驱动电机减速，直至机器人停止运行，停车距离可以通过试验测得。当障碍物消除后，超声波传感器将此信息传递给工控机，工控机通过板卡向控制器发出启动指令，驱动电机加速，直至机器人匀速行驶。控制流程如图3.5所示：图3.5 紧急停车控制流程紧急故障停车控制（如超温控制等）与避障控制相类似。控制流程如图3.6所示。图3.6 超温停车控制流程4 机器人导航定位技术机器人导航系统由超声波传感器、磁传感器以及配套的控制系统组成。为了使机器人能够沿着指定路线进行巡检，需要在机器人的巡检线路上铺设磁条和rfid标签。机器人通过数据采集设备采集相关数据，控制系统根据设备采集的数据对机器人的运动姿态进行调整，为保证机器人正确地沿着指定路线行走提供了保证。为了使机器人完成对设备的检测任务，机器人通过其携带的rfid读写器读取地面上的rfid标签。rfid标签用于标识设备监测点。rfid读写器一旦读到标签数据，机器人就停止运行并开始监测工作。4.1 基于rfid设备导航方案在巡检线路上安装rfid标签。在转弯的地方放置rfid标签以提供转弯信息。在待检设备前设置rfid标签提供定点信息。磁条与rfid标签安装方式如图4.1所示：图4.1 磁条与rfid标签安装方式在rfid标签中写入定位信息和转弯方向信息。在机器人本体安装rfid读写器，机器人靠近rfid标签时读取标签信息，从而判定行走的里程和行进的方向。4.2 基于磁传感器导航具体方案在变电站指定的巡检路线上每隔一定间隔铺设磁条。在机器人前端和后端各安装磁传感器。磁传感器之间间隔一定的距离，当机器人在磁条上行走时，磁传感器检测磁条的磁场，根据感应到磁场的磁传感器的位置计算出车体的偏差，控制程序调用校正算法进行车体位置的校正。 图4.2 磁条与磁传感器当磁条处于第4、5个磁传感器中间时，表示机器人沿着线路中央行进，没有偏差，否则出现偏差。如果出现偏差，控制程序计算出偏离的角度和偏移距离，从而控制机器人控制器调整轮子的转向。图4.3磁传感器感应磁场示意图5 设备监测技术机器人的监测系统由可见光摄像仪和红外摄像仪及其控制系统组成。监测系统读取状态参数或者接收控制中心发来的状态参数，通过调整可见光摄像仪和红外摄像仪的方向、焦距等参数来获取电气设备的运行状态数据和表盘数据。这些数据通过网络传输系统上传到控制中心，工作人员可以通过控制中心软件对设备工作状况进行监控。5.1 视频监控总体设计视频信息包括三个部分：可见光摄像机采集的视频图像信息、红外摄像仪采集的设备红外图像信息、以及当机器人行走时采集的路况信息。视频、红外监控总体设计框架如图5.1所示。图5.1 机器人视频监控设计图5.2 视频图像与红外信息的采集与传输软件实现将可见光摄像机与红外摄像仪采集的信息传输到客户端，用户可以通过视频和红外窗口实现对电气设备运行状态的监控。远端用图像采集设备（可见光摄像机和视频采集卡、红外摄像仪）采集原始图像信息后，寻找目标（控制云台来实现），调节焦距，然后进行视频压缩，再将图像流上传到上位机，上位机进行视频解压以后在客服端的图像显示模块中显示。工作流程图如图5.2所示。图5.2 视频、红外图像显示工作图5.3 视频与红外的远程控制通过客户端视频图像显示模块中对巡检机器人的运动状况监视，根据实际情况对云台的方向转动、调整可见光摄像机焦距以及摄像、拍照等功能。上位机和下位机进行通讯后，上位机通过控制界面的控制按钮向下位机发送控制信息，下位机的数据接收模块接收到控制参数后，通过控制指令生成模块将控制信息参数转化为控制命令，控制指令发送模块将控制指令发送到相应的模块进而完成对云台方向转动控制、摄像机的焦距控制以及红外摄像仪的控制。云台、摄像机、红外仪的控制过程如图5.3所示：图5.3 云台、摄像机、红外仪控制过程5.3.1 视频录像和图像截取在巡检机器人巡检过程中，可以对视频图像进行截图和录像。控制中心程序发送相应指令，程序就可生成图片和视频文件，作为一种数据资料保存。5.3.2 摄像机预置位的设定在巡检机器人巡检过程中，预置点设置和调用功能是为了使它能够在到达被检设备处时自动进行检测。用户在巡检时对每个设备进行视频服务器预置点设置，并将信息存储于数据库中。在以后的巡检过程中，当读到设备rfid标签号时，从数据库中读取相应的被检设备名称、预置点位置和焦距信息，从而实现对设备自动巡检。同时，也可以通过选择预置点号，手动点击调用按钮进行人指挥机器人进行巡检。预置位的设定方案如图5.4所示。图5.4 预置位的处理方案6 数据采集技术能否进行正确的数据采集是实现机器人导航、设备监控的前提。本系统的数据采集系统包括各种传感器，如超声波、磁传感器等。这些传感器能够在允许的精度范围内采集相应的数据，这些数据用于导航决策或者上传至控制中心，工作人员通过对这些数据的监控了解机器人和电气设备的运行状况。7 远程控制技术远程控制包含对机器人本体运动的远程控制和对监测设备的远程控制。机器人接收来自控制中心的控制指令并对指令进行分析、判断，将接收到的指令信息转化为电信号发送至机器人控制器。机器人接收控制中心发来的对检测设备的控制指令，包括对云台、摄像仪的焦距、红外热像仪菜单等控制信息，检测设备的控制器将接收到的指令转换为电信号以控制检测设备。远程控制的框架如图7-1所示。图7-1 远程控制框架8 电子地图技术电子地图用于展现变电站的模拟场景，机器人通过无线网络将自身所处的位置、行走路线、正在进行的工作等状态信息回传至控制中心软件，经过处理后在电子地图上展现给工作人员。这使得工作人员以非常直观的方式了解现场的情况，也使得人机界面十分友好。机器人状态显示是在利用gis（地理信息系统）技术的基础上，通过图形的方式实时展现机器人行走路径、机器人运行状态、设备定位位置以及实施路径规划等。在地理信息系统开发软件和计算机硬件的支持下，将实际的地理空间信息与计算机虚拟的图形界面关联起来，实现对机器人状态的远程监控。机器人状态显示模块主要包含四部分内容，分别为电子地图，机器人状态和路径规划。其总体结构如图8.1所示。图8.1 机器人状态显示总体结构图8.1 电子地图模块8.1.1 mapinfo技术电子地图模块主要是利用gis开发软件mapinfo实现对电子地图的制作。利用mapinfo强大的点、线、区域等多种图形元素以及丰富的地图符号、文本类型、线型、填充模式和颜色等表现类型，将变电站绿地、建筑、设备、道路等基本信息进行分层处理，用户根据自身需要，可以对不同地理特征图层进行分别管理。而与之相对应的基于activex(ocx)技术的可编程控件mapx可以方便的嵌入到vb，delphi，powerbuilder，vc等可视化开发环境中，通过对其进行编程，设置属性，调用方法或相应事件，实现机器人状态可视化。8.1.2 电子地图制作电子地图制作主要分为前期数据采集和后期地图制作两个步骤： 数据采集：到实地测量变电站建筑、道路、绿地以及电力设备的位置信息，获取变电站底图信息。 地图制作：a) mapinfo制作： 将变电站底图以栅格图像导入到mapinfo中，利用人工建立的地理坐标系将底图进行配准，使栅格图像类型的图层具有坐标信息，然后分别绘制绿地、道路、机器人、电力设备等图层，并根据需要编辑各图层的属性数据信息，最后将制作好的各图层叠加到地图上。b) mapx制作：将上述步骤中制作的图层导入到mapx中，利用mapx的geoset manager程序对图层进行注册，并将所有注册图层制作成数据文件，实现图层的集合管理，便于将电子地图嵌入到开发环境中。图8.2 电子地图制作流程8.1.3 电子地图展现8.2 机器人状态模块8.2.1 机器人状态显示 机器人工作状态判断：机器人工作状态主要有三种状态：正常行走、故障停止和设备检测。a) 机器人处于正常行走状态时，在电子地图上显示其行走轨迹，将机器人实际位置在电子地图上进行展示。b) 机器人发生故障处于停止状态时，在电子地图上显示其位置信息，并及时向工作人员发送故障位置信息，提示工作人员到现场处理。c) 机器人处于设备检测状态时，在电子地图上显示设备位置信息，并向工作人员提供当前设备的检测信息，一旦设备发生异常，及时向工作人员发出警告。 机器人运行位置判断：机器人位置需要由下位机向上位机定时发送定位位置信息，上位机实现机器人在电子地图道路图层上的实时显示。机器人的位置定位通过里程计和rfid标签两种方式相结合方式定位。前者是实时计算机器人的行走位移，后者是通过定点对机器人位移进行修正。a) 计算位移：将计算机器人行走位移发送到上位机，实现电子地图上的位置显示。一旦读到rfid定位标签后，位移要清零重新开始计数。b) rfid修正位置：每一个rfid标签存储有道路定位位置信息，当机器人读到rfid标签后，会自动对位移进行修正，提高机器人定位的准确性。8.3 路径规划模块8.3.1 技术与需求分析路径规划是工作人员根据其需要对指定的电力设备进行巡检时，通过事先选定需要巡检的电力设备，机器人在接收到巡检任务后，在自动巡检模式下，会按照规划路径进行电力设备巡检。8.3.2 路径规划 前期工作准备：获取电力设备位置信息，在电力设备检测点处采用rfid标签进行定位，将rfid检测点与检测设备对应起来。 路径规划：a) 若没有对巡检设备进行路径规划，则默认为检测所有的电力设备。b) 若对巡检设备进行路径规划，通过上位机路径规划窗口选择需要巡检的设备，根据事先规定的编码对指定的设备进行检测，而在路径规划中未选择的设备则不会停机检测。机器人在进行设备检测时，会根据rfid标签位置进行定位，通过读取标签信息，与数据库中存储的设备信息联系起来，在指定时间内完成对多个电力设备的自动检测。图8.4 路径规划流程图9 网络技术本系统所采用的网络是美国axelwave公司的无线网络设备。该无线网络能够提供较高的传输带宽和稳定的传输质量，满足了本项目对视频数据的传输要求。从现场运行来看，机器人所回传的视频图像和红外图像质量清晰。在设备以及房屋阻挡的情况下很少出现画面“卡壳”的现象，所产生的时间延迟在可以接受的范围之内。10 数据传输技术系统需要传输的数据量大、数据类型较多，因此不仅需要高质量、高可靠性的网络，还需要高压缩比的数据压缩技术和windows下的数据传输技术。本项目采用海康的数据压缩卡，实现了快速、高压缩比的数据压缩，接收方采用软件解压，使得视频和红外图像播放十分流畅。系统在数据传输过程中采用windows提供的套接字技术，该技术不考虑底层网络究竟是有线还是无线，也不考虑是什么公司的网络产品，只要支持tcp/ip协议，就可以实现数据传输。因此该系统的网络可移植性较好。上下位机之间采用tcp/ip协议进行通讯，其通讯过程如图8.1所示。图10.1 上下位机通讯方式在巡检机器人巡检过程中，上下位机不断检测网络的通断状态，当检测到网络断开时，下位机立刻给机器人发送停止命令，巡检机器人停止运行。11 可靠性保障可靠性是本系统最重要的性能指标。系统在任何情况下都会确保机器人的可靠性。一旦发生故障，例如网络中断，传感器故障等，系统就会向控制中心发出报警信号，同时会启动故障处理程序对故障采取应急处理，比如让机器人停止运行。这样不仅可以保护变电站内的电气设备，而且还可以保护机器人本体不受损坏。图11.1 机器人系统故障处理12 安全性一旦系统保证了可靠性，就确保了本系统不会对变电站的设备产生损坏。同时本系统工作在一个相对封闭的局域网内，与外界没有连接，因此受外网攻击和病毒感染的可能性不大。该项目的软件系统也不会对所运行的计算机系统产生破坏作用。13 用户管理系统拥有一套完整的用户管理机制。只有合法的用户才能够使用本系统。管理员具有最大的操作权限，可以建立、修改、删除用户。14 可配置、可移植系统对关键性、敏感性、可变性信息都采用配置方式管理，以更人性化的方式支持用户修改软件的运行方式。软件可以安装到变电站任何一台具有windows操作系统的电脑上运行。修改软件的配置参数，也可以运行到其它变电站。重庆市电力公司超高压局变电站设备巡检机器人系统运行报告变电站设备巡检机器人系统项目小组2010.91 系统概述变电站设备巡检机器人系统在自动导航系统的控制下或者在人工远程控制下沿着指定的巡检路线行进。在监测点，机器人能够停止行进并按照设定的参数或控制中心发出的指令控制其携带的监测设备（可见光摄像仪和红外摄像仪）对电气设备的工作状态和表盘进行检测。检测设备所采集的检测数据（视频数据和红外数据）通过无线网络上传至控制中心，机器人本身的工作状态数据也上传至控制中心。控制中心的工作人员可以通过控制中心软件对机器人的巡检过程进行在线监控。变电站的工作人员在监控室通过控制中心软件对机器人上传的监控数据和机器人运行数据进行监控。软件以电子地图的方式展现机器人的工作状态，同时还允许工作人员进行路径规划。工作人员还可以通过操作软件界面对机器人和监测设备进行远程控制。除此之外，控制中心软件还提供了数据存储等功能。2 运行结果变电站设备巡检机器人系统的导航系统、监测系统、数据采集系统、网络系统，控制中心软件的视频、红外显示系统、远程控制系统、电子地图系统、数据存储系统经过一段时间的运行，系统运行稳定，采集的数据效果良好，图像质量较高，通信质量好，未出现危及变电站设备以及给工作人员带来使用不便的情况。3 各模块运行情况3.1 机器人本体子系统子系统模块具体功能运行情况导航控制系统1. 数据采集及处理2. 机器人运动控制决策3. 机器人运动控制正常设备数据采集、检测系统1. 超声波检测2. 磁传感器数据采集3. rfid标签数据采集4. 温度采集与检测5. 视频采集与检测6. 网络检测正常监测系统1. 可见光摄像仪的控制2. 红外摄像仪的控制正常数据传输系统1. 数据发送2. 数据接收正常其他1、 开机自启动正常3.2 控制中心子系统