变电站设备巡检机器人系统项目方案_[全文

变电站设备巡检机器人系统项目方案_[全文内容摘要：

控 制基本原理 机器人行走控制原理如图 ： SHAPE \* MERGEFORMAT 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。 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，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。 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 ： 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 ： 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。 图 超温停车控制流程 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。 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 ： 图 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。 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 磁条与磁传感器 当磁条处于第 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 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。 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。 图 机器人视频监控设计图 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。 图 视频、红外图像显示工 作图 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 ： 图 云台、摄像机、红 外仪控制过程 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。 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。 图 预置位的处理方案 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。 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 71所示。 图 71 远程控制框架 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。 图 机器人状态显示总体结构图 电子地图模块 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。 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： ① 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。 ② 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 电子地图制作流程 电子地图展现 机器人状态模块 机器人状态显示 ① 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。 ② 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。 路径规划模块 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。 路径规划 ① 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。 ② 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 路径规划流程图 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。 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。