變電站巡檢機器人評估

1、戶內(nèi)軌道巡檢機器人項目方案評估報告一、項目背景：1.1變電站設(shè)備巡檢和人工巡檢有效性分析設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)和設(shè)備運行狀態(tài)如何，必須通過對設(shè)備進行巡回檢查后才可以得出相應(yīng)的結(jié)果。為了提高設(shè)備的利用率，設(shè)備運行的可靠性、降低維修成本。加強對設(shè)備巡檢及缺陷管理，是提高設(shè)備的運行管理水平的一項重要措施，它能有效地為評估設(shè)備狀態(tài)、確定合理的運行方式、及時安排檢修提供可靠、詳細的數(shù)據(jù)并有助于做出科學(xué)分析。變電站值班員進行人工巡檢，對運行設(shè)備進行感觀的簡單的定性判斷，主要通過看、觸、聽、嗅等感官去實現(xiàn)的。人工巡視對設(shè)備外部可見、可聽、可嗅的缺陷能夠發(fā)現(xiàn)，例如：油位、油溫、壓力、滲漏油、外部損傷、銹蝕、冒煙、著火

2、、異味、異常聲音、二次設(shè)備指示信號異常等。人工巡檢受人員的生理、心理素質(zhì)、責任心、外部工作環(huán)境、工作經(jīng)驗、技能技術(shù)水平的影響較大，存在漏巡，缺陷漏發(fā)現(xiàn)的可能性。且對于設(shè)備內(nèi)部的缺陷，運行人員無專業(yè)儀器或者儀器精確度太低，通過簡單的巡視是不能發(fā)現(xiàn)的，比如油氣試驗項目超標，設(shè)備特殊部位發(fā)熱、絕緣不合格等缺陷；還有一類缺陷只能在操作的過程中才能發(fā)現(xiàn)，如機械卡澀、閘刀分合不到位、閘刀機構(gòu)箱門損壞等。另一方面，由于無人值班變電站增多，許多變電站的距離也較遠，在站內(nèi)出現(xiàn)事故或大風、大雪及雷雨后因集控站無法出車不能及時巡視時，造成集控站值班員不能及時了解現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，危急電網(wǎng)的安全運行。特別是

3、無法及時了解出現(xiàn)問題的變電站情況，失去優(yōu)先安排處理的機會。巡視人員巡視設(shè)備時需要站在離設(shè)備較近的地方，對巡視人員的人身安全也有一定的威脅，特別是在異常現(xiàn)象查看、惡劣天氣特巡，事故原因查找時危險性更大。綜上所述，無人值班變電站的人工巡檢存在及時性、可靠性差，花費人工較多，存在較大的交通風險和巡視過程風險。1.2變電站巡檢機器人簡介變電站室內(nèi)巡檢機器人集機電一體化技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、導(dǎo)航及行為規(guī)劃技術(shù)、機器人視覺技術(shù)、無線傳輸技術(shù)于一體。通過機器人上的高清攝像頭可實時采集分析圖像，自動識別并準確定位所標記的設(shè)備，實現(xiàn)信息傳輸和拍照。機器人以自主或遙控的方式，在無人值守或少人值守的

4、變電站對室內(nèi)高壓設(shè)備進行巡檢，可及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷、外部機械或電氣問題，為運行人員提供事故隱患和故障先兆數(shù)據(jù)。可替代運行維護人員現(xiàn)場巡檢，節(jié)省設(shè)備巡檢成本，降低人身傷害風險，提高變電站運行維護水平。二、巡檢機器人功能總體概述2.1系統(tǒng)完成的功能概述根據(jù)初步的說明書，系統(tǒng)需要完成以下功能：1) 行走。需要能沿線行走，實現(xiàn)前進，倒退，轉(zhuǎn)彎，停留，并且要跨越隔門。2) 無線控制。通過無線的方式對機器人實施控制。3) 掛載并能提升巡檢設(shè)備。除了上述功能性要求，機器人需要低成本，小型化。為了實現(xiàn)上述功能以及最終驗收，需要對機器人性能提出一定的指標。2.2 系統(tǒng)應(yīng)該達到的指標初步設(shè)計機器人在上述

5、4個功能上應(yīng)該實現(xiàn)如下指標1) 行走。行走速度最高要達到0.5m/s。機器人應(yīng)該能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。機器人應(yīng)該能跨越高度為5cm的隔門2) 機器人無線控制距離不少于10米，能在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作。3) 機器人能感知自己絕對位置。能達到+/-2CM定位精度4) 能為巡檢設(shè)備提供電源，電壓小于等于24V。5) 機器人尺寸應(yīng)小于1M*1M*2M。能進入其他房間6) 機器人重量應(yīng)小于50Kg7) 機器人最大提升高度應(yīng)大于等于1.8M。8) 機器人待機工作時間為12小時。正常工作時間為8小時。2.3 系統(tǒng)所需模塊根據(jù)機器人需要完成的功能和機器人需要達到的指標，初步確定機器人應(yīng)包括如下幾個子系統(tǒng)。圖 1系統(tǒng)結(jié)

6、構(gòu)圖其中人機交互系統(tǒng)功能是從操作者處獲得指令，控制機器人的運動。同時將從機器人處獲得的傳感器數(shù)據(jù)提供給用戶。無線遙控系統(tǒng)的功能是將用戶的指令和數(shù)據(jù)通過無線的方式進行發(fā)送，使機器人和用戶聯(lián)系在一起。主控系統(tǒng)的功能是搜集傳感器的數(shù)據(jù)，對其進行處理，并結(jié)合用戶的指令，完成對電機相應(yīng)的控制。電源系統(tǒng)功能是為機器人提供動力源，并保證電量異常時的報警、自我保護和充電行為。傳感系統(tǒng)為機器人提供數(shù)據(jù)，其中一部分是和機器人定位與導(dǎo)航相關(guān)的，機器人通過處理這部分數(shù)據(jù)進行巡線并獲得機器人的坐標。另一部分是機器人搭載的巡檢設(shè)備。機器人對這部分數(shù)據(jù)進行初步處理，并通過無線模塊發(fā)送給控制基站。以上各系統(tǒng)的功能如下框圖所示

7、：圖 2 模塊功能圖三、 設(shè)計方案2.1 機械本體設(shè)計依據(jù)考慮到機器人的運行環(huán)境，其移動體采用四輪輪式移動小車，中驅(qū)結(jié)構(gòu)。由2個伺服直流電機分別驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，前后兩輪為萬向輪。該移動體結(jié)構(gòu)簡單，易加工，直線運動性與轉(zhuǎn)彎性能好，能夠以中間驅(qū)動輪為中心點做原地轉(zhuǎn)彎，且無側(cè)滑，對路面的適應(yīng)性強，且便于控制系統(tǒng)的設(shè)計。圖3 移動機器人整機結(jié)構(gòu)簡圖2.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計2.2.1巡線傳感器對于AGV機器人的巡線傳感器，采用比較廣泛的是磁導(dǎo)航的方式，然而磁導(dǎo)航鋪設(shè)成本較高。磁導(dǎo)航裝置檢測范圍內(nèi)不能存在電機等磁性裝置，并且需要定期清潔磁導(dǎo)航傳感器，維護成本較大。若以降低成本考慮應(yīng)采用紅外光巡線的方式。紅外

8、光巡線傳感系統(tǒng)采用紅外光作為檢測光源，避免了外界可見光對巡線傳感的干擾和影響，可以在高亮或全黑暗的光照條件下工作。內(nèi)部處理算法基于施密特濾波器及自適應(yīng)閾值學(xué)習算法，對每個紅外反射管分別進行閾值學(xué)習，可以彌補因為器件差異和反射條件差異造成的傳感誤差。巡線條方面，通過鋪設(shè)工業(yè)耐磨阻燃地板，可以很好地降低維護成本。系統(tǒng)硬件部分為自主開發(fā)的基于AVR單片機的傳感器板，采用ATmega16A單片機，提供3種通信接口：IO、I2C、UART。用戶可根據(jù)需要選擇其中一種接口讀取傳感器模塊的檢測結(jié)果。用戶可使用撥碼開關(guān)或者I2C、UART通信接口控制此巡線板進入采樣學(xué)習模式。 圖 3 紅外巡線板及耐磨阻燃巡線

9、條材料然而單純的巡線并不能為機器人提供準確的坐標信息。機器人除了在轉(zhuǎn)彎或者道路交匯的地方能獲取坐標，并不知道在路徑上的具體坐標。因此，除了巡線系統(tǒng)，巡線傳感器系統(tǒng)還要增量式碼盤為機器人提供航跡推算式的定位。通過巡線傳感器和增量式碼盤，機器人既能沿著線前進，又能了解當前所在的坐標。 圖 4 增量式碼盤及隨動輪裝置2.2.2搭載傳感器本機器人系統(tǒng)為變電站設(shè)備非電氣信號的采集提供了一個移動載體平臺，在這個平臺上可以搭建不同的檢測系統(tǒng)或裝置。如：遠程在線式紅外熱像儀系統(tǒng)、可見光圖像采集處理系統(tǒng)、聲音采集處理系統(tǒng)和移動物體闖人報警系統(tǒng)。檢測設(shè)備如圖6所示。圖6 搭載傳感設(shè)備檢測系統(tǒng)框圖2.3 無線遙控系

10、統(tǒng)設(shè)計方案無線遙控系統(tǒng)采用nRF2401模塊作為通信硬件。nRF2401模塊速率高，最高能達到2Mbps。由于空中傳輸速度快，傳輸時間很短，極大的降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。頻點多，可以滿足多點通信需要。成本低，芯片內(nèi)部繼承了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分，比如：自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動產(chǎn)生應(yīng)答信號等，NRF24L01的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或用單片機I/O口進行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機。除此之外，由于鏈路層完全集成在模塊上，非常便于開發(fā)。通信范圍廣，最大0dBm 發(fā)射功率，空曠100米。 圖7 nRF2401無

11、線數(shù)傳模塊2.4 主控系統(tǒng)設(shè)計方案移動機器人導(dǎo)航系統(tǒng)需要在有限的時間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)，因此要求控制系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)處理能力，然而移動機器人要實現(xiàn)復(fù)雜的動作以及人機交互界面，這又要求控制系統(tǒng)具有較強的綜合處理能力以及豐富的外設(shè)接口。為了滿足上述需要，主控系統(tǒng)采用ARM7+FPGA的架構(gòu)。ARM7是ARM公司研制小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核。采用ARM7架構(gòu)的內(nèi)核廣泛使用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。為了減輕處理器的負擔，使用FPGA作為協(xié)處理器，可以豐富主控系統(tǒng)的接口，同時大大提高了主控系統(tǒng)的處理能力。下圖所示就是一個以ARM7+FPGA為架構(gòu)的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)12路電機伺

12、服控制，具有LCD接口，USART接口，USB接口，SPI接口，I2C接口等常用的外設(shè)接口，能方便地與外設(shè)進行通信?？紤]到巡檢機器人需要掛載不同的外設(shè)，外設(shè)接口越豐富，外設(shè)選擇的自由度就越大，可以支持的外設(shè)就越多。圖 8 ARM7+FPGA主控系統(tǒng)2.5電源系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)電源系統(tǒng)包括電池和充電系統(tǒng)兩個部分。在機器人工作時，由電池提供能量。常用的電池有鋰電池，鉛蓄電池，鎳鎘電池等?？紤]到機器人工作時間較長，而且需要重復(fù)充電，并且考慮成本，選擇鉛蓄電池作為機器人的電源。普通的鉛蓄電池具有容量大，放電電流大，高循環(huán)壽命，可靠性好，時間耐久，安全性能好等特點。機器人經(jīng)過一段時間工作，需要自行回到充電點充

13、電?？梢圆捎贸潆娬镜哪Ｊ?，機器人到一個充電區(qū)域之后，自行將充電接口對準充電器，完成充電。目前一些掃地機器人已經(jīng)具備這樣的功能。 圖9 24V鉛蓄電池、充電器及其充電樁2.6 人機交互系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)為了對巡檢機器人進行有效的監(jiān)視、控制和管理，為此建立了一個移動機器人監(jiān)控中心來完成該任務(wù)，稱其為基站。基站與移動體之間通過無線網(wǎng)橋組成一個無線局域網(wǎng)，其中無線網(wǎng)橋滿足IEEE802.11a標準，頻段5.8GHz，帶寬50Mbit/s，無遮擋傳輸距離10km。整個機器人系統(tǒng)采用基于IP網(wǎng)絡(luò)的二級結(jié)構(gòu)，如下圖所示。圖10機器人系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在該系統(tǒng)中，可見光圖像、紅外圖像通過視頻服務(wù)器的視頻流數(shù)據(jù)和移動體控制系統(tǒng)信息等數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)絡(luò)集線器后，經(jīng)無線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)集線器一起通過電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳到運行監(jiān)控中心，連接到電力系統(tǒng)局域網(wǎng)上的計算機可根據(jù)訪問權(quán)限實時瀏覽變電站設(shè)備的可見光和紅外視頻圖像、機器人本身運行情況等相關(guān)信息，并且可以控制機器人移動體的運動等?；鞠到y(tǒng)采用