李祥+崔昊楊+皮凱云+束江+李鑫+許永鵬+盛戈皞

摘 要： 針對(duì)變電站傳統(tǒng)人工巡檢方式存在工作量大、缺乏系統(tǒng)分析和實(shí)時(shí)故障分析等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于STM32芯片的變電站智能巡檢機(jī)器人，具有自主循跡、智能診斷分析、太陽(yáng)能充電、機(jī)械手臂及時(shí)切除故障等功能。詳細(xì)闡述了硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法設(shè)計(jì)方案，研制出巡檢機(jī)器人樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能識(shí)別診斷系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果表明，該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏υO(shè)備進(jìn)行有效巡檢與故障診斷，巡檢效率高、安全性可靠，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞： 變電站； 巡檢機(jī)器人； 太陽(yáng)能； 機(jī)械手臂； 紅外檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN02?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）17?0150?04

Design of substation inspection robot system based on STM32

LI Xiang1， CUI Haoyang1， PI Kaiyun1， SHU Jiang1， LI Xin1， XU Yongpeng2， SHENG Gehao2

（1. College of Electronics and Information Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China；

2. Department of Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： Since the traditional manual inspection method of substation has the disadvantage of heavy workload， and lacks of systematic analysis and real?time fault analysis， an intelligent substation inspection robot based on STM32 was designed， which has functions of automatic tracking， intelligent diagnosis analysis， solar energy recharging， and timely fault removal by mechanical arms. In this paper， the design schemes of hardware structure and software algorithm are elaborated in detail， and the test analysis for its communication system， control system， and intelligent identification and diagnosis system is performed. The test result shows this robot can inspect the electric equipment and diagnose the fault efficiently， and has high inspection efficiency and reliable security. Therefore， it brings a high economic benefit and has strong practical significance.

Keywords： substation； inspection robot； solar energy； mechanical arm； infrared detection

0 引 言

目前，電力設(shè)備向高功率、高可靠性、高智能化方向發(fā)展，增加了日常運(yùn)維與檢測(cè)的難度。在變電站無(wú)人值守的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的巡檢方式及故障診斷技術(shù)越來(lái)越難以滿足復(fù)雜設(shè)備診斷的需求[1]。建立廣域范圍的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)，對(duì)保證所有設(shè)備正常運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率，節(jié)約維修費(fèi)用有著重大意義。

傳統(tǒng)變電站設(shè)備巡檢工作主要以運(yùn)維人員定期巡視及紅外測(cè)溫為主，但受到檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平的影響，往往出現(xiàn)漏測(cè)現(xiàn)象。同時(shí)，利用現(xiàn)有檢測(cè)儀器，檢測(cè)人員難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，歷史數(shù)據(jù)深度挖掘效率較低，從而在很大程度上制約了帶電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

變電站智能巡檢機(jī)器人的研究及應(yīng)用給上述問(wèn)題帶來(lái)了新的解決途徑，為電力設(shè)備能夠得到及時(shí)、有效、全面、智能的診斷維護(hù)提供基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了變電站巡檢機(jī)器人方面的研究[1]。國(guó)外研究機(jī)器人的典型代表是加拿大魁北克水電站[2]和巴西圣保羅大學(xué)[3]。前者研制的變電站巡檢機(jī)器人配置了遙控裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站遠(yuǎn)程控制。后者通過(guò)在變電站內(nèi)架起高空行走軌道，研制出適用于變電站內(nèi)熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)的移動(dòng)機(jī)器人[2?3]。國(guó)內(nèi)變電站巡檢機(jī)器人的研究也取得了突破性進(jìn)展，如山東電科院研發(fā)了一種輪式巡檢機(jī)器人[4?5]能夠在平坦的硬路面上穩(wěn)定行駛，對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行例行巡檢。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)的軌道式變電站巡檢機(jī)器人[6]采用固定軌道方式行進(jìn)，但受限于攝像頭視角和固定軌道鋪設(shè)，很難對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。由深圳朗馳欣創(chuàng)科技有限公司與浙江國(guó)自機(jī)器人技術(shù)有限公司研發(fā)的變電站巡檢機(jī)器人已初步具備站內(nèi)設(shè)備的巡檢，通過(guò)在部分變電站實(shí)際使用，取得了較好的使用效果。

從上述分析可知，目前研究的變電站巡檢機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)的人工巡檢方式具備一定的優(yōu)勢(shì)，但仍不能滿足設(shè)備的故障部位自動(dòng)切除和異物清除需求，在自主循跡、智能診斷分析方面的性能也有待提升。此外，上述巡檢機(jī)器人大都采用單一的電網(wǎng)充電方式，不利于巡檢機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間開展巡檢工作，特別是對(duì)關(guān)鍵設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間重點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)不能確保電量的充足。針對(duì)上述不足，本文對(duì)巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，研制出了功能樣機(jī)，如圖1所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行表明，該機(jī)器人能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。endprint

1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀和變電站實(shí)際操作環(huán)境，本文對(duì)變電站巡檢機(jī)器人重新設(shè)計(jì)，針對(duì)傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人單一的供電方式，以及不具備對(duì)故障部位自動(dòng)切除和異物清除的能力，分別采用太陽(yáng)能充電和電網(wǎng)充電相結(jié)合的供電方式，并在機(jī)器人兩側(cè)安裝了左右機(jī)械手臂，完成對(duì)站內(nèi)設(shè)備故障部位的自動(dòng)切除及巡檢周界的異物清理，從而提升巡檢機(jī)器人的實(shí)用化和智能化水平。

1.1 巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，主要分為機(jī)械模塊、傳感器采集模塊、控制模塊、通信模塊、上位機(jī)軟件模塊。機(jī)械模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括金屬車體結(jié)構(gòu)、履帶式底盤、機(jī)械手臂、云臺(tái)裝置及其他輔助設(shè)備。本系統(tǒng)所采用的履帶式結(jié)構(gòu)能夠使得機(jī)器人在應(yīng)對(duì)渣石路面、溝坎凸臺(tái)、積雪嚴(yán)重等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境時(shí)具有一定的自適應(yīng)性，以保持車身及攝像機(jī)的穩(wěn)定，從而解決傳統(tǒng)方案攝像機(jī)回傳圖像顛簸的問(wèn)題[7]。

傳感器采集模塊是由多源信息采集器集合而成，包括高清可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱成像儀、紅外光電避障傳感器、超聲波避障模塊和其他擴(kuò)展設(shè)備。通過(guò)上述傳感模塊，機(jī)器人能夠獲得電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的多源信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息上傳至上位機(jī)?？刂颇K是電路和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的集成，包括控制器、驅(qū)動(dòng)電路、信息采集電路、太陽(yáng)能供電模塊等。通信模塊是機(jī)器人與上位機(jī)的通信，包括多源信息與控制指令的傳送。上位機(jī)軟件模塊是上位機(jī)控制平臺(tái)與集中控制模塊控制系統(tǒng)的集合，其通過(guò)通信模塊建立人機(jī)交互平臺(tái)。

1.2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

大多數(shù)電力設(shè)備故障表象與溫度異常都具有一定的關(guān)聯(lián)性。在設(shè)備運(yùn)行中，采用紅外熱輻射技術(shù)遠(yuǎn)距離非接觸方式測(cè)量電力設(shè)備溫度，可以在一定程度上衡量電力設(shè)備的運(yùn)行狀況[8]。本文設(shè)計(jì)的變電站巡檢機(jī)器人，通過(guò)攜帶紅外熱成像儀、可見(jiàn)光攝像機(jī)、機(jī)械手臂等代替人工對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行巡檢，通過(guò)機(jī)械手臂進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障處理和異物清除。

巡檢機(jī)器人采用客戶端/服務(wù)端的運(yùn)行模式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示?？蛻舳宋挥诒O(jiān)控中心的PC機(jī)上，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示電力設(shè)備的多源信息，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，工作人員也可以通過(guò)客戶端上位機(jī)發(fā)送指令，控制巡檢機(jī)器人對(duì)特定電力設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。服務(wù)端位于巡檢機(jī)器人本體，核心部分是STM32集中控制器，主要負(fù)責(zé)導(dǎo)航定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、多源信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

2 巡檢機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于STM32變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)控制框圖如圖2所示，該平臺(tái)由STM32控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，增加了太陽(yáng)能供電模塊、機(jī)械手臂模塊。在開發(fā)過(guò)程中，在集中控制器總線上預(yù)留接口以實(shí)現(xiàn)新的功能模塊的接入，便于系統(tǒng)升級(jí)。

2.1 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)巡檢機(jī)器人集中控制器開發(fā)過(guò)程中，選用TI公司生產(chǎn)的STM32F103作為核心處理單元，其內(nèi)核為ARM公司的Cortex?M3，工作頻率為72 MHz，F(xiàn)LASH為512 KB，有2個(gè)12位ADC，5個(gè)USART，12個(gè)16位計(jì)時(shí)器，資源完全滿足機(jī)器人的運(yùn)行需求，具有高效率、易擴(kuò)展、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)控制單元框圖如圖3所示，巡檢機(jī)器人集中控制器分別對(duì)左側(cè)和右側(cè)兩組電機(jī)、兩組機(jī)械手臂、三組紅外避障傳感器及云臺(tái)進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用由兩片半橋驅(qū)動(dòng)芯片和極低內(nèi)阻的N溝道MOSFET組成的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩組電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器具有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，可快速打開MOSFET溝道，從而提高電機(jī)的加速曲率，能夠使機(jī)器人迅速啟動(dòng)、迅速剎車和轉(zhuǎn)向。集中控制器接收到PC端上位機(jī)發(fā)送的串口指令后，將串口指令轉(zhuǎn)化為電源可以識(shí)別的PWM信號(hào)，從而調(diào)整電源的輸出電流，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。巡檢機(jī)器人是通過(guò)改變左右兩組電機(jī)的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的。

變電站巡檢機(jī)器人采用各4個(gè)自由度的左右機(jī)械手臂，每個(gè)自由度都是由一個(gè)位置（角度）伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。該舵機(jī)有3根接線端，兩條接線端是電源線，另一條為信號(hào)控制線，其工作電壓為3～7 V，工作扭矩為13 kg/cm，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為。集中控制器從上位機(jī)客戶端接收到指令，并將其轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，從而決定機(jī)械手臂姿態(tài)位置。云臺(tái)最大承重為10 kg，運(yùn)行范圍水平為，垂直為-30°～75°，轉(zhuǎn)速為1° /s～9° /s，齒輪嚙合間隙小于，共有200個(gè)預(yù)置位。集中控制器通過(guò)RS 485總線與云臺(tái)相連，上位機(jī)客戶端發(fā)送控制指令后經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸?shù)竭_(dá)集中控制器，再經(jīng)過(guò)RS 485總線控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 巡檢機(jī)器人供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)變電站巡檢機(jī)器人大多采用單一的電網(wǎng)充電方式，這使得巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中需要多次人工充電才能完成巡檢任務(wù)。這給長(zhǎng)距離、大范圍巡檢路線帶來(lái)不便，特別是針對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的可疑設(shè)備定點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)，存儲(chǔ)的電量往往不能滿足實(shí)際需要。此外，巡檢機(jī)器人在自動(dòng)充電過(guò)程中，充電插頭與充電插座經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)對(duì)接不成功的狀況，充電成功率難以得到保證。為此，本文采用電網(wǎng)充電與太陽(yáng)能充電相結(jié)合的充電方式。在巡檢機(jī)器人車體前后分別安裝太陽(yáng)能電池板，經(jīng)太陽(yáng)能充電轉(zhuǎn)換模塊，把電能儲(chǔ)存在鋰電池中，不斷為鋰電池補(bǔ)充電量，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的多元供電，延長(zhǎng)了巡檢機(jī)器人的工作時(shí)長(zhǎng)。

系統(tǒng)供電方式如圖4所示，巡檢機(jī)器人通過(guò)多元充電的供電方式，把電能儲(chǔ)存在24 V鋰電池中。經(jīng)過(guò)DC?DC恒壓恒流電源模塊降壓至12 V，分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、集中控制器、紅外熱成像儀、可見(jiàn)光攝像機(jī)提供穩(wěn)定的12 V直流電源。設(shè)計(jì)中云臺(tái)為24 V直流供電，可以直接從鋰電池獲取電源。兩組機(jī)械手臂和通信模塊直接從集中控制器電源接口獲取5 V電源。

2.3 無(wú)線通信系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)安裝OpenWrt的無(wú)線路由端使上位機(jī)客戶端與服務(wù)端建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的局域網(wǎng)[9]來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用TCP/IP通信協(xié)議，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸所需要的速度和實(shí)時(shí)性。紅外熱成像儀與可見(jiàn)光攝像機(jī)拍攝的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮后通過(guò)局域網(wǎng)無(wú)線傳輸?shù)竭_(dá)上位機(jī)客戶端，圖像經(jīng)過(guò)解壓顯示在監(jiān)控中心的屏幕上。紅外熱像圖能夠有效地檢測(cè)出設(shè)備運(yùn)行狀況，配合上位機(jī)客戶端的診斷系統(tǒng)[10]能準(zhǔn)確對(duì)故障部位和故障程度做出判斷。可見(jiàn)光攝像機(jī)拍攝的可見(jiàn)光圖像與紅外圖像匹配、融合，能精確識(shí)別故障存在點(diǎn)、故障部位。同時(shí)儀表設(shè)備的可見(jiàn)光圖像能夠在上位機(jī)客戶端經(jīng)過(guò)圖像處理，智能讀取儀表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全站的設(shè)備監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)異常情況后，工作人員可以通過(guò)上位機(jī)客戶端發(fā)送指令，控制數(shù)據(jù)通過(guò)Socket發(fā)送到路由端，路由端把數(shù)據(jù)包解開后發(fā)送到路由端串口。集中控制器與路由端通過(guò)STM32建立串口通信，從路由端發(fā)出的串口指令控制巡檢機(jī)器人車體運(yùn)行、機(jī)械手臂的操作、云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。endprint

3 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)客戶端部分和集中控制器控制部分。上位機(jī)客戶端軟件運(yùn)行在Windows系統(tǒng)下，采用C++面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言開發(fā)，通過(guò)無(wú)線傳輸把可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外熱成像儀采集到的圖像信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)客戶端。用戶可以在集控中心通過(guò)紅外和視頻窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的監(jiān)控。上位機(jī)客戶端通過(guò)調(diào)用視頻和紅外提供的SDK函數(shù)完成視頻的連接、抓取、壓縮、解壓以及播放的過(guò)程[11]。在上位機(jī)客戶端操控界面上分別有對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、機(jī)械手臂、云臺(tái)控制的操作按鍵，通過(guò)點(diǎn)擊按鍵向集中控制器發(fā)送控制指令，進(jìn)而完成對(duì)機(jī)器人的整體操控。

通過(guò)上位機(jī)獲取到電力設(shè)備紅外圖像信息后，在Matlab編程環(huán)境下，開發(fā)出電力設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)處理界面如圖5所示。

該系統(tǒng)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，對(duì)200幅圖片樣本進(jìn)行訓(xùn)練，在對(duì)樣本訓(xùn)練之前，采用數(shù)據(jù)歸一化的方法[12]對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，目的是避免因輸入輸出數(shù)量級(jí)差別較大而造成網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差較大。數(shù)據(jù)歸一化方法如下：

（1）

式中：為歸一化前的數(shù)值；和為歸一化前數(shù)據(jù)的最小值和最大值。

4 測(cè)試與分析

巡檢機(jī)器人樣機(jī)研制完成后，首先在路面預(yù)鋪設(shè)黑色巡檢軌道，打開上位機(jī)客戶端選擇自動(dòng)巡檢模式，巡檢機(jī)器人將按照巡檢路徑運(yùn)行，通過(guò)檢測(cè)地面RFID標(biāo)簽停車[13]。通過(guò)無(wú)線模塊將巡檢電力設(shè)備圖像等信息上傳到PC機(jī)客戶端。切換成人工巡檢模式后，可通過(guò)上位機(jī)客戶端發(fā)送控制指令到達(dá)指令位置進(jìn)行巡檢。

在站內(nèi)設(shè)備巡檢測(cè)試中，通過(guò)在上位機(jī)客戶端控制變電站巡檢機(jī)器人對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行在線巡檢操作。在監(jiān)控中心獲得的母線連接處的紅外熱像圖、可見(jiàn)光攝像圖，如圖6所示。經(jīng)電力設(shè)備紅外熱像識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出該電力設(shè)備為母線，再配合可見(jiàn)光圖像判斷出其為C相母線。圖像中管型母線的交叉連接處最高溫度為26.03 ℃，從而判斷出其為正常運(yùn)行狀態(tài)。母線連接處容易出現(xiàn)機(jī)械接觸故障，因此，其通常為變電站巡檢的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。

在測(cè)試過(guò)程中，巡檢機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，只需要一次交流220 V充電，并不斷利用太陽(yáng)能充電來(lái)完成巡檢任務(wù)，通過(guò)上位機(jī)操控巡檢機(jī)器人機(jī)械手臂可以順利完成對(duì)高壓區(qū)域異物的清除。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)巡檢方式已很難滿足能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能變電站的發(fā)展需要，利用巡檢機(jī)器人對(duì)變電站主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可極大提高設(shè)備的安全性與可靠性。本文在傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上，采用太陽(yáng)能與電網(wǎng)充電相結(jié)合的多元供電方式延長(zhǎng)巡檢機(jī)器人的工作時(shí)間。利用STM32的接口資源，為機(jī)器人安裝了兩個(gè)機(jī)械手臂，使得機(jī)器人操作更加靈活，能夠在人工控制下完成簡(jiǎn)單的故障切除和異物清除等操作。實(shí)際測(cè)試表明，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用了多源信息融合技術(shù)，操作靈活，界面友好，功能實(shí)用，運(yùn)行效果良好，完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該巡檢機(jī)器人榮獲第十七屆中國(guó)國(guó)際博覽會(huì)高校展區(qū)二等獎(jiǎng)的獎(jiǎng)項(xiàng)。

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