变电站多功能巡检机器人的应用研究

变电站多功能巡检机器人的应用研究

刘寿民

内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔电业局内蒙古巴彦淖尔015000

摘要：随着科学技术的不断创新，在变电站里智能电网概念的提出，电网智能化的发展在各国都得到了广泛的关注，变电站在电力输送中起到了关键的过渡作用。传统的变电站是通过人工巡检的模式，需要占用人大量的时间，同时存在效率低，不安全等问题。所以在保证电网安全运行的前提下，用巡检机器人替代变电站的人工巡逻是电网智能化的研究热点，可以大大提高效率，节约人力。

关键词：变电站；多功能巡检机器人；应用研

1设计思路

本文所设计的巡检机器人经过机械结构的改进和软件算法的优化，可执行一般的巡检消防任务。主要工作模式可以分为三种。（1）全天候巡逻模式：在此模式下，巡检机器人沿着预先铺设好的轨迹巡逻，遇到障碍物时停车警报。当机器人检测到明火点时，定位着火点，由摄像头拍下火源信息，传送至云平台进行报警，请求被允许后即可脱离设定轨迹执行消防操作，适用于室内的电力设施巡检工作。（2）自由巡检模式：在此模式下，机器人自由巡检，没有设定轨迹自由寻火，遇到障碍物时规避，当检测到火源时，定位火源，摄像头实时传回信息，等待确认后，即可执行消防操作。（3）遥控模式：在此模式下，由人操作巡检机器人执行消防操作，考虑到路面情况更加恶劣时，传感器不再是最可靠的信息源。当定位到火源位置时，可以直接启用遥控模式，对明火点进行消防处理。由遥控模块和摄像头联合工作，代替人工巡检，适用于地形复杂的电力设施现场。

1.1火源探测雷达模块

本文所设计的火源扫描定位系统是一个类似于雷达扫描式的装置，可精确定位明火位置，为巡检机器人及时规划到达明火点的线路，下面详细介绍其工作原理。电机采用蜗轮蜗杆结构的传动方式，将电机的垂直旋转运动转换为火焰探测器的水平旋转运动，实现雷达的往复式旋转扫描，与火焰传感器一同旋转的还精密有角位移传感器。将火焰传感器及其驱动电路封装于开缝式的箱子内，称之为检测箱。当检测到火源时，读取此时角位移传感器输出值，与检测箱旋转至车体正前方时的角位移传感器输出值作差，并转换为角度值a，即a为此时火焰偏离车体中线的角度值。当检测到火源时立即停车，读取陀螺仪此时输出的航向角记为b，判断出火源位于车体轴线左侧还是右侧之后，驱动车体动力系统让车体朝火源位置方向进行原地旋转，旋转过程中不断计算当前航向角值与b的差值，直至差值为a，此时车头已对准火源方向，由此就定位出了着火点位置，并驱车接近火源，执行消防任务。电路原理图如下。

图2-1火源探测雷达电路

火源传感器R2868是由日本滨松公式生产，能快速准确地发现从火焰发出的弱紫外线，对可见光完全没有感应，可以做到在明火产生瞬间就能够准确触发，探测角度为180度，检测半径可达25m。当接收到火源信号时，通过一个脉冲发生器会发出10ms周期的脉冲，处理器检测到高低电平的跃迁时，即为发现明火点，立即开始对明火点进行定位、报警、视频回传等工作。为了精准定位火点方向，将火焰传感器置于密闭箱体内，在箱体正面开启一条窄缝，帮助实现了对火源的定位。

1.2光伏发电模块

采用12v充电蓄电池为巡检机器人提供前进动力，仅通过蓄电池的容量巡检机器人难以长时间远距离工作，考虑到变电站户外充足得太阳能，组建太阳能充电系统。搭建太阳能充/放电控制器来检测蓄电池电压，当蓄电池电压降低到一定值时，使用控制器控制连接太阳能电池板与蓄电池之间的MOS管开关，以一种脉宽调制的方式，缓慢降低充电电流以进一步为蓄电池充电。直到最后用很微小的电流将蓄电池电压维持在某一固定值。通过检测太阳能电池板的电压是否高于蓄电池电压，来执行相应判断，若高于蓄电池的电压，则开启充电；若低于蓄电池电压，则不能开启充电，否则电池电流反向流向太阳能电池板造成电量损耗，电路原理如图所示。

图2-2光伏充电控制电路

1.3多维环境感知模组

用舵机来控制传感器的升降，以便路面不平坦时及时收回循迹模块，保护传感器。障碍检测采用红外检测与超声波检测相结合的方法，超声波距离传感器可以根据计算接收反射波的时间，以不同的检测半径侦察障碍物。工业级红外传感器可以提高巡检机器人运行过程中对障碍物判断的精准性，这种传感器在室内光照条件下可以正常工作，抗干扰能力强，二者搭配使得避开障碍物的准确性大幅提高，光电传感器可以准确完成寻迹任务，以黑色胶带作为标记轨迹，依据是否接收到反射光来依附于所铺设的轨迹。超声波传感器与红外传感器相结合，确保完成避障任务。当传感器检测到前左右侧有障碍物时，规划路线，驱动电机动作，完成避障任务。电路原理图如下。

图2-3多维环境感知模组

巡检机器人前端搭载wifi连接的摄像头，可实时在监控室内投影现场画面，摄像头可由步进电机带动转动，实现平面内的0—260度转向，再配合车体自身旋转，实现全面监测变电站周围设施环境，方便监控室内值班人员了解现场情况。

1.4遥控模块

当环境复杂情况下，可以切换远程遥控模式进行巡检操作，有利于准确侦察。可以通过摇杆来控制车体的移动，由按键控制三个工作模式。推动摇杆可实现车体在X，Y，平面内任一方向的运动，并可依据推动距离实现对运动速度的控制，由按键切换工作模式，数码管显示工作模式。通信模块采用Nrf24L01芯片，在无电磁干扰情况下，可实现1km以内的通信。这样遥控模块可以与监视模块联合作用，实现远程遥控操作。

1.5电机驱动模块

电机驱动模块L298N采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成N型。消除正反向时的静摩擦死区，低速平稳性好。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号用于脉宽调节（PWM）。依据电机编码器的反馈信号形成闭环控制，实现PID调速功能。大转矩减速电机带动履带的动力结构，以其底盘高、接触面积大的优点可以在极其恶劣的道路上行驶，利用电机转速差实现履带转向等运动方式，这扩大了巡检机器人可以应用的范围。

图2-4遥控模块电路

1.6消防执行模块

消防系统执行由继电器和灭火设备组成，当发现火情，需要进行消防操作时，控制器给出控制信号，由继电器控制灭火设备动作。考虑到变电站电力设备，应禁用导电的灭火喷剂，灭火方式可以有喷射干冰、卤化烷、干粉等方式。

图2-5消防执行模块

结语

现如今，国家发展越来越好，用电量的不断增加，本文以变电站多功能巡检机器人的应用进行分析。

参考文献：

[1]徐波，叶爱民，张立群等.提升变电站巡检机器人夜间识别质量技术研究[J].赤峰学院学报（自然版），2018，33（17）：34-35.

[2]李丽，王滨海，孙勇等.基于变电站巡检机器人变电站设备外观异常识别方法：CN101957325A[P].2018.

[3]陈华华，杜歆，顾伟康.基于神经网络和遗传得法的机器人动态避障路径规划[J].传感技术学报，2018，12（4）：551-555．

[4]郎福成，牟童，韩月.变电站智能巡检机器人系统设计[J].电工材料，2017（6）：36-38.