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方案内容摘要：

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。 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 25 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。 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。 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。 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。 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。 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， 26 进入工作状态。 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。 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。 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。 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 27 态。 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。 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。 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。 28 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。 29 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 30 1 整体架构 图 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： 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， 31 对巡检机器人的工作过程进行展现。 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。 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。 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： 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。 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 32 护。 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 A PA P交 换 机交 换 机全 向 天 线全 向 天 线摄 像 头视 频 编 码 器机 器 人红 外 测 试 仪摄 像 头 图 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 33 器就能够实现相互通信。 3 机器人控制技术 控制系统总体方案 是 否 接 收 到 转 弯命 令前 方出 现障 碍检 测电 气设 备超 温是 否 停 车 命 令启 动现 场 处 理收 到 处 理 结 束 命 令转 弯转 弯 是 否 完 成直 线 运 动Y E SN ON OY E SY E SN O停 车 原 因 分 析 图 控制框图 从图 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。 34 直线运动自动控制 控制基本原理 机器人行走 控制原理如图 所示： 图 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。 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 所示。 PID 控制器 电机 速度 位置信息 35 图 PID 控制流程框图 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 ()uk ，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 ()uk ，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。 转弯控制 36 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 所示 ： 检 测 到 转 弯 标 志小 车 延 时 一 段 时 间 停 止 运 行判 断 小 车 转 向 （ F R I D 标 志 位 判 断 ）原 地 转 弯 （ 一 轮 转 动 ， 一 轮 停 止 ）结 束结 束是否转 动 轮 里 程到。 图 小车转弯控制流程 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 所示： 37 接 收 到 停 车 指 令转 入 前 进 控 制主 程 序是否收 到 前 进 指 令 吗。 小 车 前 进 停 止 图 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 所示。 开 始转 入 前 进 控 制主 程 序否是机 箱 温 度 是 否 超 温。 小 车 前 进 停 止机 箱 温 度 是 否 超 温。 否是 图 超温停车控制流程 4 机器人导。