35KV變電站巡檢機(jī)器人.doc

精品文檔35KV 變電站巡檢機(jī)器人研制摘要目前的變電站巡檢機(jī)器人多應(yīng)用于500KV 及以上的大型變電站，其巡檢機(jī)器人本體和監(jiān)控端都位于變電站內(nèi)，主要功能是代替站內(nèi)值班人員執(zhí)行每天的例行巡檢任務(wù)。而35KV 變電站規(guī)模較小，人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度并不大，但是其位置分散，因而值班人員需要開(kāi)車(chē)或步行較長(zhǎng)路程趕往多個(gè)變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢。因此35KV變電站迫切需要一種監(jiān)控端在供電公司的巡檢機(jī)器人，使得值班人員在供電公司就可以通過(guò)遠(yuǎn)程操控來(lái)完成例行巡檢。本文以某35KV 變電站為研究對(duì)象，根據(jù)其變電站特點(diǎn)和無(wú)人值守化運(yùn)行的實(shí)際情況，研制了一種用于35KV 變電站的巡檢機(jī)器人。該35KV 變電站巡檢機(jī)器人的監(jiān)控端在供電公司。巡檢機(jī)器人本體位于35KV 變電站內(nèi)，并通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)。二者采用WCF 協(xié)議框架，通過(guò)新花生殼軟件的動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)和內(nèi)網(wǎng)穿透功能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)阿通訊。該巡檢機(jī)器人采用磁軌導(dǎo)航方式，并通過(guò)RFID 標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)輔助定位。其搭載高清攝像頭和紅外成像儀，能夠?qū)ψ冸娬驹O(shè)備進(jìn)行可見(jiàn)光拍攝和紅外熱成像拍攝。監(jiān)控端能夠控制巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)接收其回傳的視頻圖像，然后通過(guò)圖像匹配技術(shù)和OCR 文字識(shí)別技術(shù)診斷出變電站設(shè)備的外觀異常和溫度異常。另外，針對(duì)傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人充電機(jī)構(gòu)對(duì)接有偏差的不足，本文還研制了一種地插式充電裝置，采用磁軌導(dǎo)航定位和機(jī)械矯正相結(jié)合的方式提高了充電對(duì)接成功率，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的自動(dòng)充電功能。目錄第1章 緒論第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)第3章 運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)航模塊第4章 自動(dòng)充電第5章 監(jiān)控模塊第6章 散熱系統(tǒng)分析第7章 展望第一章 緒論隨著變電站的數(shù)量和規(guī)模不斷增大，人工巡檢工作變得越來(lái)越繁瑣復(fù)雜，人工巡檢的到位率、及時(shí)性都無(wú)法保證，變電站數(shù)量劇增與變電站值班員數(shù)量不足之間的矛盾日益突出。同時(shí)，人工巡檢的作業(yè)質(zhì)量有著很大的隨機(jī)性，它與作業(yè)人員的工作經(jīng)驗(yàn)多少、責(zé)任心強(qiáng)弱、精神狀態(tài)和業(yè)務(wù)熟練程度等多種因素有關(guān)。人工巡檢方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，檢測(cè)質(zhì)量分散，管理成本高等明顯不足。而且在高寒地區(qū)或惡劣氣候條件下，人工巡檢存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，且缺乏其他有效的巡檢手段。隨著機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及智能變電站和無(wú)人值守變電站模式的推廣，機(jī)器人代替人工進(jìn)行變電站巡檢成為可能。因此變電站巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。目前國(guó)內(nèi)投入使用的巡檢機(jī)器人僅有200 余臺(tái)， 多是用于500KV 及以上等大型變電站。該類(lèi)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人移動(dòng)本體和監(jiān)控端(基站)均位于變電站內(nèi)。其功能主要是代替站內(nèi)值班人員執(zhí)行每天的設(shè)備巡檢任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)例行巡檢工作的自動(dòng)化。而35KV 變電站規(guī)模較小，一次電氣設(shè)備較少，其例行巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較輕，但其數(shù)量較多，位置分散，其人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度主要體現(xiàn)在值班人員需要開(kāi)車(chē)或步行很長(zhǎng)路程去多個(gè)無(wú)人值守變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢。因此開(kāi)發(fā)一種監(jiān)控端位于供電公司的巡檢機(jī)器人取代35KV 無(wú)人值守變電站的人工例行巡檢，對(duì)于提高巡檢質(zhì)量和效率，具有十分重要的意義。從20 世紀(jì)90 年代起，日本就開(kāi)始研究應(yīng)用于500KV 變電站的有軌巡檢機(jī)器人，用來(lái)代替人工測(cè)量變電站設(shè)備溫度。國(guó)內(nèi)研究變電站巡檢機(jī)器人最早的機(jī)構(gòu)為山東電科院。山東電科院在2004 年研制出第1 代樣機(jī)，之后相繼研制出從第2 代到第5 代的系列化變電站巡檢機(jī)器人。該巡檢機(jī)器人正逐步在國(guó)內(nèi)一些變電站推廣使用。目前變電站巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在移動(dòng)行走、導(dǎo)航定位和設(shè)備檢測(cè)三方面。（1）移動(dòng)行走方面。根據(jù)移動(dòng)行走原理不同，巡檢機(jī)器人可分為軌道式、輪式和履帶式三種。（2）導(dǎo)航定位方面。軌道式巡檢機(jī)器人移動(dòng)和導(dǎo)航完全依靠固定軌道，形式比較單一。而對(duì)于輪式和履帶式巡檢機(jī)器人，最常用的導(dǎo)航方式是磁軌導(dǎo)航并通過(guò)RFID 標(biāo)簽輔助定位。（3）設(shè)備檢測(cè)方面。變電站設(shè)備的檢測(cè)診斷則主要是依靠紅外成像儀、高清攝像頭和拾音器等傳感器分別對(duì)設(shè)備的溫度、外觀和噪聲等狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量和分析。本文的主要研究工作如下:（1）通過(guò)分析變電站巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和河北省石家莊市靈壽縣的某220KV 變電站和35KV變電站的實(shí)際需求，確定該巡檢機(jī)器人的總體方案。本文將采用基于互聯(lián)網(wǎng)的通訊方案。該巡檢機(jī)器人搭載高清攝像機(jī)和紅外成像儀，采用磁軌導(dǎo)航方式，采用工控機(jī)作為核心控制器，單片機(jī)為輔助控制器，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和位于供電公司的監(jiān)控端通訊。（2）研制巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。采用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的磁軌導(dǎo)航。PID 參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式整定。采用永磁式交流同步伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)，提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性和快速性。（3）研制巡檢機(jī)器人的電路硬件系統(tǒng)。針對(duì)變電站的強(qiáng)電磁環(huán)境，電路硬件必須采取必要的抗干擾措施。（4）設(shè)計(jì)并搭建監(jiān)控端和變電站巡檢機(jī)器人之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。變電站巡檢機(jī)器人通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)DDNS動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)器和固定域名建立映射。監(jiān)控端通過(guò)該固定域名實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的訪問(wèn)。（5）研制自動(dòng)充電系統(tǒng)。自動(dòng)充電系統(tǒng)負(fù)責(zé)巡檢機(jī)器人的電源供給，保證其能在無(wú)人值守變電站持續(xù)工作。巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要功能(1)一鍵啟動(dòng)巡檢機(jī)器人。巡檢機(jī)器人處于24 小時(shí)待機(jī)狀態(tài)。值班人員通過(guò)監(jiān)控端可以一鍵啟動(dòng)巡檢機(jī)器人執(zhí)行巡檢作業(yè)。(2) 磁軌導(dǎo)航， RFID 標(biāo)簽輔助定位。當(dāng)巡檢機(jī)器人接收到啟動(dòng)命令后，首先打開(kāi)高清攝像頭和紅外成像儀。然后將充電插頭收縮。進(jìn)而通過(guò)磁軌導(dǎo)航的方式駛出充電室。當(dāng)檢測(cè)到RFID 標(biāo)簽時(shí)，巡檢機(jī)器人停止前進(jìn)，轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)進(jìn)行可見(jiàn)光拍攝和紅外熱成像拍攝。(3)遠(yuǎn)程高清視頻監(jiān)控和紅外成像監(jiān)控。巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中，能夠?qū)⒏咔鍞z像頭的視頻流和紅外成像儀的視頻流實(shí)時(shí)上傳，使得運(yùn)檢人員能夠通過(guò)監(jiān)控端軟件實(shí)時(shí)觀察變電站設(shè)備。(4) 特定設(shè)備的外觀異常和溫度異常報(bào)警。通過(guò)圖像匹配技術(shù)和OCR 文字識(shí)別技術(shù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備外觀異常和溫度異常情況并及時(shí)向監(jiān)控端發(fā)送報(bào)警信號(hào)，以供運(yùn)檢人員進(jìn)行及時(shí)處理。(5) 中途臨時(shí)停止和啟動(dòng)。值班人員可以控制巡檢機(jī)器人作業(yè)中的臨時(shí)停止和臨時(shí)啟動(dòng)。當(dāng)臨時(shí)需要觀察某設(shè)備時(shí)，值班人員可使巡檢機(jī)器人臨時(shí)停止，同時(shí)遠(yuǎn)程控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成對(duì)該設(shè)備的檢查。(6) 一鍵返回功能和雨天自動(dòng)返回功能。一鍵返回功能是巡檢機(jī)器人不再檢測(cè)巡檢過(guò)程中遇到的RFID 標(biāo)簽，而是直接返回充電室。另外，巡檢機(jī)器人上安裝有雨滴傳感器。當(dāng)檢測(cè)到下雨時(shí)，巡檢機(jī)器人能夠快速返回充電室。(7)自動(dòng)充電功能。巡檢作業(yè)完成后，巡檢機(jī)器人能夠自動(dòng)返回充電室，完成充電接頭對(duì)接，并進(jìn)行自主充電。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)為了研究變電站線路巡檢裝置，我專(zhuān)門(mén)到220KV 變電站和35KV變電站實(shí)習(xí)，實(shí)地了解情況。跟隨工作人員一起巡檢變電站，并記錄數(shù)據(jù)。本文所設(shè)計(jì)的35KV 變電站巡檢機(jī)器人按照硬件分類(lèi)可分為巡檢機(jī)器人本體、充電室和監(jiān)控端三大部分（見(jiàn)圖）。其中巡檢機(jī)器人本體和充電室位于35KV 變電站內(nèi)。監(jiān)控端是位于供電公司的監(jiān)控電腦。巡檢機(jī)器人本體通過(guò)站內(nèi)無(wú)線接入點(diǎn)(Wireless Access Point) 連接到互聯(lián)網(wǎng)悶。供電公司的監(jiān)控電腦并非內(nèi)網(wǎng)辦公專(zhuān)用電腦，而是通過(guò)路由器、交換機(jī)等設(shè)備連接到公網(wǎng)(廣域互聯(lián)網(wǎng))的電腦。監(jiān)控端和巡檢機(jī)器人的互聯(lián)網(wǎng)通訊采用客戶端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。其中巡檢機(jī)器人為服務(wù)器，其通過(guò)安裝花生殼客戶端軟件而使用新花生殼的動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)和內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)， 從而在公網(wǎng)中映射出固定域名。監(jiān)控端作為客戶端，通過(guò)該固定域名實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的訪問(wèn)。二者的通訊采用WCF 協(xié)議框架。巡檢機(jī)器人本體以工控機(jī)為主控制器，以單片機(jī)為輔助控制器，兩者通過(guò)RS485接口相連。工控機(jī)和單片機(jī)的實(shí)物圖見(jiàn)圖。單片機(jī)的功能是執(zhí)行工控機(jī)的命令并實(shí)時(shí)向其上傳傳感器信號(hào)。其具體功能有以下幾個(gè)方面:（1）上傳磁軌位置信息。當(dāng)工控機(jī)請(qǐng)求獲取磁軌位置信息時(shí)，讀取磁傳感器信號(hào)并通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)包上傳。（2）上傳下雨報(bào)警消息。當(dāng)雨滴傳感器檢測(cè)到下雨時(shí)，向工控機(jī)發(fā)送下雨報(bào)警數(shù)據(jù)包。（3）上傳按鈕動(dòng)作消息。當(dāng)檢測(cè)到有按鈕被按下時(shí)，向工控機(jī)發(fā)送按鈕按下消息數(shù)據(jù)包。（4）控制指示燈狀態(tài)。當(dāng)收到工控機(jī)的指示叮亮滅命令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。（5）充電插頭自動(dòng)控制。根據(jù)工控機(jī)的命令，控制充電插頭完成收縮、半伸張和全伸張動(dòng)作。工控機(jī)安裝有Windows系統(tǒng)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡連接到互聯(lián)網(wǎng)。工控機(jī)是巡檢機(jī)器人的大腦。工控機(jī)中運(yùn)行的主控軟件實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人本體所有的自動(dòng)控制和監(jiān)控功能。工控機(jī)的具體工作主要有以下幾個(gè)方面:（1）控制云臺(tái)角度，進(jìn)而讀取紅外成像儀和高清攝像頭的視頻數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳。其中工控機(jī)通過(guò)RS485 接口連接云臺(tái)，通過(guò)USB 接口連接紅外成像儀和高清攝像頭。（2）通過(guò)磁傳感器獲取磁軌位置信息并根據(jù)PID (比例-積分-微分)控制算法控制伺服電機(jī)循磁軌運(yùn)動(dòng)。行進(jìn)途中如果檢測(cè)到RFID 標(biāo)簽，則停止前進(jìn)并檢測(cè)特定設(shè)備，檢測(cè)完畢后繼續(xù)前進(jìn)。工控機(jī)通過(guò)RS485 接口控制伺服電機(jī)和讀取RFID讀寫(xiě)器數(shù)據(jù)。磁傳感器的信號(hào)由于是開(kāi)關(guān)量，故采用單片機(jī)處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包后再發(fā)送給工控機(jī)。（3）實(shí)時(shí)接收供電公司監(jiān)控端的指令(例如 臨時(shí)停止等) ，并采取相應(yīng)的動(dòng)作。（4）在巡檢作業(yè)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，通過(guò)控制伺服電機(jī)和單片機(jī)，完成充電插頭插座的自動(dòng)脫離和自動(dòng)對(duì)接動(dòng)作。（5）實(shí)時(shí)接收巡檢機(jī)器人本體中按鈕消息(啟動(dòng)或者停止按鈕被按下等并響應(yīng)，實(shí)時(shí)將當(dāng)前控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)指示燈顯示。第三章 運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)航模塊工控機(jī)通過(guò)RS485 總線和交流伺服驅(qū)動(dòng)器、RFID讀寫(xiě)器、單片機(jī)等相互通訊。其中，交流伺服驅(qū)動(dòng)器控制的交流伺服電機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磁傳感器完成磁軌位置的反饋。工控機(jī)根據(jù)磁傳感器的反饋信息并通過(guò)PID 閉環(huán)控制算法控制兩個(gè)交流伺服電機(jī)的差動(dòng)速度，從而控制巡檢機(jī)器人完成磁軌導(dǎo)航。由于工控機(jī)不能直接讀取磁傳感器的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，故使用單片機(jī)作為轉(zhuǎn)換器，即單片機(jī)讀取磁傳感器的8 位開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并通過(guò)基于RS485 總線的自擬定協(xié)議將磁軌位置信息反饋給工控機(jī)。變電站的特定設(shè)備位置通過(guò)RFID 標(biāo)簽標(biāo)定。巡檢機(jī)器人在磁軌導(dǎo)航過(guò)程中如果檢測(cè)到RFID 標(biāo)簽，通過(guò)讀取RFID 標(biāo)簽編號(hào)就可以識(shí)別特定的電氣設(shè)備。當(dāng)雨滴傳感器檢測(cè)到下雨時(shí)，巡檢機(jī)器人能夠停止當(dāng)前的巡檢任務(wù)，直接快速返回充電室。另外，監(jiān)控端軟件中的運(yùn)動(dòng)控制部分可以遠(yuǎn)程遙控巡檢機(jī)器人， 向其發(fā)送啟動(dòng)巡檢、臨時(shí)停止、臨時(shí)啟動(dòng)、一鍵返回等運(yùn)動(dòng)控制指令。3.1.1 伺服電機(jī)巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用輪式結(jié)構(gòu)。兩個(gè)相互獨(dú)立的主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)位于底盤(pán)中間位置。兩個(gè)隨動(dòng)輪安裝在底盤(pán)后方。底盤(pán)兩個(gè)主動(dòng)輪分別配有減速箱和伺服電機(jī)。伺服電機(jī)軸通過(guò)減速箱連接到驅(qū)動(dòng)輪軸。傳統(tǒng)的巡檢機(jī)器人多采用直流電機(jī)。直流電機(jī)的調(diào)速性能好，只需采用脈寬調(diào)制的方法，通過(guò)功率放大器件即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。但是直流電機(jī)由于采用電源電壓調(diào)速方式，故其低速時(shí)輸出扭矩較小，且直流電機(jī)電刷容易磨損。而交流伺服電機(jī)內(nèi)部沒(méi)有電刷，與直流電機(jī)相比其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小而重量輕。隨著電機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)越來(lái)越成熟，交流伺服電機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用到工業(yè)場(chǎng)合中。本文采用 Shenzhen Just Motion Control Electromechanics Co., Ltd.生產(chǎn)的60ASM200 系列低壓交流伺服電機(jī)作為巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。巡檢機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎通過(guò)左右交流伺服電機(jī)的速度差實(shí)現(xiàn)。同時(shí)采用了與交流伺服電機(jī)配套的交流伺服驅(qū)動(dòng)器和減速機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)器采用48V 直流供電，其內(nèi)部采用先進(jìn)的正弦波矢量控制算法，通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器以變頻方式驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)485 接口連接工控機(jī)，其接口為Modbus 通訊協(xié)議。交流伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的速度寄存器為有符號(hào)16 位整型數(shù)。3.1.2 磁傳感器磁傳感器采用目前工業(yè)自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)AGV(Automated Guided Vehicle) 中常用的磁導(dǎo)航傳感器。磁傳感器位于巡檢機(jī)器人底盤(pán)的前部并垂直于磁條安裝(見(jiàn)圖) 。其內(nèi)部均勻安裝有8 個(gè)磁敏模塊。當(dāng)磁軌位于某個(gè)磁敏模塊正下方時(shí)，該磁敏模塊則會(huì)以開(kāi)漏輸出的形式輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。實(shí)際使用時(shí)，磁傳感器中會(huì)有1-3 個(gè)磁敏模塊同時(shí)檢測(cè)到磁軌。3.1.3 光耦隔離電路為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，磁傳感器的信號(hào)輸入到單片機(jī)時(shí)需要經(jīng)過(guò)光耦隔離電路。光耦隔離電路使得單片機(jī)的10 口和磁傳感器輸出信號(hào)完全隔離，從而避免磁傳感器的擾動(dòng)干擾或者尖峰脈沖損害單片機(jī)的10 口。磁傳感器的8 位開(kāi)漏輸出電路完全相同，因此圖3-3 只顯示了其中一路磁傳感器信號(hào)的光耦隔離電路。磁傳感器的開(kāi)漏輸出口需要外接上拉電阻才可使用，否則無(wú)電平輸出。圖3-3中，該開(kāi)漏輸出口通過(guò)2K 電阻上拉到24V 電源。常規(guī)情況下，光禍不工作，光耦輸出高電平:當(dāng)磁敏模塊檢測(cè)到磁軌時(shí)，開(kāi)漏輸出口連接到GND ，光禍中的發(fā)光二極管得電工作，光糯輸出端連接到數(shù)字GND ，輸出低電平。光耦內(nèi)部通過(guò)光學(xué)耦合作用傳輸信號(hào)，其兩端的電源系統(tǒng)完全隔離，從而避免了干擾信號(hào)對(duì)單片機(jī)的損害，有效地提高系統(tǒng)抗干擾能力。3.1.4 RFID 輔助定位裝置RFID 輔助定位裝置主要由RFID標(biāo)簽和RFID 讀寫(xiě)器組成。近年來(lái)， RFID 識(shí)別作為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)而受到人們的關(guān)注。RFID 識(shí)別技術(shù)穩(wěn)定使用且硬件價(jià)格較低，故本文采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的輔助定位。在磁軌上通過(guò)RFID 標(biāo)簽設(shè)置多個(gè)巡檢點(diǎn)，標(biāo)定多個(gè)電氣設(shè)備。3.2.1 運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)航的PID 控制35KV 巡檢機(jī)器人工作在變電站強(qiáng)磁場(chǎng)戶外環(huán)境，要求其運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)航模塊擁有很高的穩(wěn)定性和可靠性。因此，巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)航控制采用經(jīng)典的PID 控制算法。在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID 控制。PID控制是應(yīng)用最廣，適應(yīng)性最強(qiáng)的控制方式。經(jīng)過(guò)多年的研究， PID 控制參數(shù)整定方法較成熟 ，具有一定的抗干擾能力。常規(guī)的PID 控制器是線性控制器，其基本模型如圖所示。3.2.1 PID 閉環(huán)控制模型巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)航模塊的閉環(huán)框圖如圖3-7 所示。由于磁軌在磁傳感器正中央時(shí)，加權(quán)平均值是0 ，故該系統(tǒng)的輸入值是0 。磁傳感器的檢測(cè)值是反饋信號(hào)。偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PJD 控制器后，其輸出值作為左右伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入值。伺服電機(jī)速度的初始值為500 。當(dāng)偏差為0 時(shí)，左右伺服電機(jī)以相等的速度直線前進(jìn):當(dāng)存在偏差時(shí)，則左伺服電機(jī)在速度初始值的基礎(chǔ)上加上PID 控制器的輸出值u(k) ， 右伺服電機(jī)在速度初始值的基礎(chǔ)上減去PID 控制器的輸出值u(k) 。比例系數(shù)Kp 、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd三個(gè)值決定了PID 的控制效果。三個(gè)數(shù)值的整定可以通過(guò)理論計(jì)算獲得，也可以通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)獲得。增大比例系數(shù)Kp會(huì)加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但是卻不能徹底消除。比例系數(shù)的作用是實(shí)現(xiàn)PID 控制的粗略調(diào)節(jié)。在穩(wěn)定性和響應(yīng)性上起到基礎(chǔ)作用。積分系數(shù)Ki 則主要用來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差。保證系統(tǒng)的響應(yīng)準(zhǔn)確性。提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 通過(guò)增加微分系數(shù)Kd可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是微分環(huán)節(jié)同時(shí)也使得系統(tǒng)對(duì)噪聲更加敏感，甚至?xí)魅跸到y(tǒng)的穩(wěn)定性，故微分環(huán)節(jié)主要用來(lái)細(xì)微調(diào)節(jié)偏差，從而保證控制系統(tǒng)的快速反應(yīng)。第4章 自動(dòng)充電今后35KV 以下的變電站巡檢機(jī)器人工作在完全無(wú)人值守變電站內(nèi)，因此必須有自主充電功能才能保證其持續(xù)工作。目前常見(jiàn)的變電站巡檢機(jī)器人自動(dòng)充電裝置多采用側(cè)邊對(duì)接方式。機(jī)器人磁軌導(dǎo)航誤差的存在使得該方式會(huì)出現(xiàn)偶然對(duì)接不成功的現(xiàn)象。針對(duì)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了新的自動(dòng)充電模塊。自動(dòng)充電模塊的充電插頭安裝于巡檢機(jī)器人上。充電插座安裝于充電室內(nèi)。1. 充電室控制柜通過(guò)進(jìn)門(mén)處的接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到巡檢機(jī)器人靠近進(jìn)門(mén)口時(shí)，立刻控制進(jìn)門(mén)口的電動(dòng)卷簾門(mén)打開(kāi)。10秒后，該電動(dòng)卷簾門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。2. 進(jìn)門(mén)處同時(shí)安裝有RFID 標(biāo)簽，當(dāng)巡檢機(jī)器人檢測(cè)到該標(biāo)簽后，工控機(jī)向單片機(jī)發(fā)送充電插頭半伸張命令。單片機(jī)根據(jù)命令執(zhí)行該功作。此時(shí)，充電插頭處于半伸張狀態(tài)，并時(shí)刻準(zhǔn)備對(duì)接。3. 當(dāng)充電插頭到達(dá)充電插座正上方的位置時(shí)，充電插頭前部的限位開(kāi)關(guān)正好壓在充電插座上。4. 單片機(jī)檢測(cè)到該對(duì)接反饋后，上傳工控機(jī)。工控機(jī)收到信息后向單片機(jī)發(fā)送充電插頭完全伸張指令，從而完成充電對(duì)接。進(jìn)而工控機(jī)關(guān)閉運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)航線程、關(guān)閉高清攝像機(jī)、紅外成像儀等。此時(shí)巡檢機(jī)器人進(jìn)入充電待機(jī)狀態(tài)。5. 當(dāng)其接受到啟動(dòng)巡檢信息時(shí)，首先向單片機(jī)發(fā)送收起充電插頭命令。單片機(jī)收到指令后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制推桿電機(jī)執(zhí)行收縮動(dòng)作。6. 充電插頭收縮完成后，充電插頭插座完成分離，巡檢機(jī)器人進(jìn)而執(zhí)行完其他初始化工作(例如開(kāi)啟高清攝像頭等)。7. 當(dāng)充電室控制柜通過(guò)出門(mén)處的接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到巡檢機(jī)器人靠近出門(mén)口時(shí)，立刻控制出門(mén)口的電動(dòng)卷簾門(mén)打開(kāi)。10 秒后，該電動(dòng)卷簾門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。電源模塊負(fù)責(zé)變電站巡檢機(jī)器人移動(dòng)體的電源轉(zhuǎn)換。電源模塊設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣將直接影響巡檢機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性。由于巡檢機(jī)器人中交流伺服電機(jī)采用的是直流逆變?yōu)榻涣鬟M(jìn)而變頻的控速方式，交流伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生很多的諧波干擾，該諧波干擾將直接反映到鏗電池的電源電壓上，因而會(huì)給巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)造成很多未知的干擾。而48V 轉(zhuǎn)24V 和48V 轉(zhuǎn)12V 時(shí)為了保證轉(zhuǎn)換效率，采用高頻開(kāi)關(guān)電源，也會(huì)會(huì)產(chǎn)生高頻諧波干擾。所以電源模塊必須具備較強(qiáng)的降噪功能，才能滿足系統(tǒng)的要求。該電源方案采用48V 理電池供電，在轉(zhuǎn)換的輸入端和輸出端均設(shè)計(jì)有短路保護(hù)、電源濾波、浪涌保護(hù)等。電源濾波采用EMI(Electromagnetic Interference)三級(jí)濾波器(見(jiàn)圖) 。該濾波器采用電感電容器件組成，其具有雙向?yàn)V波作用，即抑制電源母線對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸入的干擾，同時(shí)抑制開(kāi)關(guān)電源對(duì)電源母線的高頻干擾。第5章 監(jiān)控模塊監(jiān)控模塊是35KV 變電站巡檢機(jī)器人的核心功能部分。運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的站內(nèi)自動(dòng)導(dǎo)航。自動(dòng)充電模塊解決了巡檢機(jī)器人的電源供應(yīng)問(wèn)題，保證其持續(xù)工作。而監(jiān)控模塊通過(guò)巡檢機(jī)器人搭載的高清攝像頭和紅外成像儀實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備的自動(dòng)巡檢。其主要功能包括三部分: (1) 通過(guò)監(jiān)控端軟件，值班人員可以實(shí)時(shí)控制巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。(2) 可見(jiàn)光視頻流和紅外熱成像視頻流可以實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控端軟件上并實(shí)時(shí)顯示。(3)基于圖像匹配和圖像識(shí)別技術(shù)的變電站設(shè)備外觀異常和溫度異常報(bào)警。監(jiān)控模塊的硬件組成框圖見(jiàn)圖5-1 。監(jiān)控模塊的通訊采用客戶端/服務(wù)器構(gòu)架。其中監(jiān)控端是客戶端(Client) ，巡檢機(jī)器人是服務(wù)端(Sever) 。5.1.1 通訊網(wǎng)絡(luò)的搭建根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司辦公計(jì)算機(jī)信息安全和保密管理規(guī)定若要實(shí)現(xiàn)供電公司和變電站巡檢機(jī)器人之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，必須自建通訊網(wǎng)絡(luò)，而不能使用國(guó)家電網(wǎng)公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)了一種采用4G網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)通訊方案。35KV 變電站內(nèi)部安裝有4G 路由器。該路由器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的流量卡連接4G 網(wǎng)絡(luò)。該4G 路由器工作在網(wǎng)關(guān)模式，從而組建了一個(gè)新的局域網(wǎng)絡(luò)。戶外大功率Wireless Access Point 以有線方式連接到4G路由器的LAN 口(局域網(wǎng)口)。由于35KV 變電站一般規(guī)模較小一般在1000-2000 平方米左右)，所以該AP 可實(shí)現(xiàn)35KV 變電站的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5.1.2 動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)和內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)35KV 變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，監(jiān)控端軟件和巡檢機(jī)器人通訊采用WCF 協(xié)議框架，通過(guò)DDNS CDynamic Domain Name Server)動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù) 和 NAT traversal內(nèi)網(wǎng)穿透功能實(shí)現(xiàn)通訊。采用客戶端/服務(wù)端軟件構(gòu)架，其中巡檢機(jī)器人是服務(wù)端。客戶端(供電公司監(jiān)控端)要想通過(guò)廣域互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)到該服務(wù)端(巡檢機(jī)器人)，就必須知道服務(wù)端的公網(wǎng)IP 地址?！盎ㄉ鷼ぁ本W(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司能夠提供優(yōu)質(zhì)和安全的動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)，以及內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)服務(wù)。而且，對(duì)于小型變電站，一年的使用費(fèi)只有518元，是非常便宜的。5.2 WCF 通訊35KV 變電站巡檢機(jī)器人采用WCF 程序框架傳輸運(yùn)動(dòng)控制指令和視頻監(jiān)控圖像。WCF (Windows Communication Foundation) 是由微軟公司開(kāi)發(fā)的一系列支持?jǐn)?shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序框架。運(yùn)動(dòng)控制指令服務(wù)(機(jī)器人臨時(shí)啟動(dòng)、|臨時(shí)停止等操作)使用WCF 的請(qǐng)求與訪問(wèn)模式進(jìn)行交互。視頻監(jiān)控圖像的傳輸采用WCF 的發(fā)送訂閱模式?？蛻舳讼蚍?wù)端發(fā)送請(qǐng)求，進(jìn)而服務(wù)端將監(jiān)控視頻流推送給客戶端。5.3設(shè)備異常識(shí)別設(shè)備異常的識(shí)別包括巡檢機(jī)器人的人工識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別兩種方式。人工識(shí)別方式是指，巡檢機(jī)器人在磁軌導(dǎo)航過(guò)程中檢測(cè)到RFID標(biāo)簽時(shí)，停止前進(jìn)并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)使高清攝像頭和紅外成像儀鏡頭對(duì)準(zhǔn)變電站特定設(shè)備，然后拍攝該設(shè)備的外觀圖像和溫度圖像，并將該照片通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控端軟件上以供值班人員進(jìn)行人工在線分析。同時(shí)，巡檢機(jī)器人將每次巡檢作業(yè)拍攝的照片存儲(chǔ)于巡檢機(jī)器人內(nèi)部大容量硬盤(pán)之中，以供值班人員進(jìn)行離線分析和歷史數(shù)據(jù)分析。自動(dòng)識(shí)別是指，巡檢機(jī)器人在巡檢作業(yè)中，監(jiān)控端軟件通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)判斷外觀異常和溫度異常。5.3.1 外觀異常圖像識(shí)別監(jiān)控端軟件中存儲(chǔ)有35KV 變電站設(shè)備的外觀圖像標(biāo)準(zhǔn)模板。當(dāng)監(jiān)控端軟件接收到巡檢機(jī)器人上傳的變電站設(shè)備可見(jiàn)光圖像后，立即將其與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩者差值超過(guò)允許閣