戶內(nèi)軌道巡檢機(jī)器人

項(xiàng)目方案評(píng)估報(bào)告

一、項(xiàng)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(yùn)行狀態(tài)如何，必須通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡【可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(yùn)行的可靠性、降低維修成本.加強(qiáng)對(duì)設(shè)備巡檢及缺

陷管理，是提高設(shè)備的運(yùn)行管理水平的一項(xiàng)重要措施，它能有效地為評(píng)估設(shè)備狀態(tài)、確定合

理的運(yùn)行方式、及時(shí)安排檢修提供可靠、詳細(xì)的數(shù)據(jù)并有助于做出科學(xué)分析。

變電站值班員進(jìn)行人工巡檢，對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行感觀的簡(jiǎn)單的定性判斷，主要通過(guò)看、觸、

聽(tīng)、嗅等感官去實(shí)現(xiàn)的。人工巡視對(duì)設(shè)備外部可見(jiàn)、可聽(tīng)、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、異味、異常聲音、二次設(shè)備指示

信號(hào)異常等。

人工巡檢受人員的生理、心理素質(zhì)、責(zé)任心、外部工作環(huán)境、工作經(jīng)驗(yàn)、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(duì)于設(shè)備內(nèi)部的缺陷，運(yùn)行人員無(wú)專業(yè)儀

器或者儀器精確度太低，通過(guò)簡(jiǎn)單的巡視是不能發(fā)現(xiàn)的，比如油氣試驗(yàn)項(xiàng)目超標(biāo)，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(guò)程中才能發(fā)現(xiàn)，如機(jī)械々澀、

閘刀分合不到位、閘刀機(jī)構(gòu)箱門損壞等。

另一方面，由于無(wú)人值班變電站增多，許多變電站的距離也較遠(yuǎn)，在站內(nèi)出現(xiàn)事故或大

風(fēng)、大雪及雷雨后因集控站無(wú)法出車不能及時(shí)巡視時(shí)，造成集控站值班員不能及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)

設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，危急電網(wǎng)的安全運(yùn)行。特別是無(wú)法及時(shí)了解出現(xiàn)問(wèn)題的變電站情

況，失去優(yōu)先安排處理的機(jī)會(huì)。

巡視人員巡視設(shè)備時(shí)需要站在離設(shè)備較近的地方，對(duì)巡視人員的人身安全也有一定的威

脅，特別是在異?，F(xiàn)象查看、惡劣天氣特巡，事故原因查找時(shí)危險(xiǎn)性更大。

綜上所述，無(wú)人值班變電站的人工巡檢存在及時(shí)性、可靠性差，花費(fèi)人工較多，存在較

大的交通風(fēng)險(xiǎn)和巡視過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。

1.2變電站巡檢機(jī)器人簡(jiǎn)介

變電站室內(nèi)巡檢機(jī)器人集機(jī)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(jī)器人視覺(jué)技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)于一體。

通過(guò)機(jī)器人上的高清攝像頭可實(shí)時(shí)采集分析圖像，自動(dòng)識(shí)別并準(zhǔn)確定位所標(biāo)記的設(shè)備，

實(shí)現(xiàn)信息傳輸和拍照。

機(jī)器人以自主或遙控的方式，在無(wú)人值守或少人值守的變電站對(duì)室內(nèi)高壓設(shè)備進(jìn)行巡

檢，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷、外部機(jī)械或電氣問(wèn)題，為運(yùn)行人員提供事故隱患和

故障先兆數(shù)據(jù)?？商娲\(yùn)行維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢，節(jié)省設(shè)各巡檢成本，降低人身傷害風(fēng)除，提

高變電站運(yùn)行維護(hù)水平。

二、巡檢機(jī)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(shuō)明書，系統(tǒng)需要完成以下功能：

1）行走。需要能沿線行走，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，倒退，轉(zhuǎn)彎，停留，并且要跨越隔門。

2）無(wú)線控制。通過(guò)無(wú)線的方式對(duì)機(jī)器人實(shí)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(jī)器人需要低成本，小型化。為了實(shí)現(xiàn)上述功能以及最終驗(yàn)收，

需要對(duì)機(jī)器人性能提出一定的指標(biāo)。

2.2系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的指標(biāo)

初步設(shè)計(jì)機(jī)器人在上述4個(gè)功能上應(yīng)該實(shí)現(xiàn)如下指標(biāo)

1）行走。行走速度最高要達(dá)到0.5m/s。機(jī)器人應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。機(jī)器人應(yīng)該能

跨越高度為5cm的隔門

2）機(jī)器人無(wú)線控制距離不少于10米，能在亞雜電磁環(huán)境下工作。

3）機(jī)器人能感知自己絕對(duì)位置。能達(dá)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(jī)器人尺寸應(yīng)小于能進(jìn)入其他房間

6）機(jī)器人重量應(yīng)小于50Kg

7）機(jī)器人最大提升高度應(yīng)大于等于1.8M。

8）機(jī)器人待機(jī)工作時(shí)間為12小時(shí)。正常工作時(shí)間為8小時(shí)。

2.3系統(tǒng)所需模塊

根據(jù)機(jī)器人需要完成的功能和機(jī)器人需要達(dá)到的指標(biāo)，初步確定機(jī)器人應(yīng)包括如下幾個(gè)

子系統(tǒng)。

戶內(nèi)小型化經(jīng)濟(jì)型軌道巡檢

機(jī)器人

線

人

無(wú)

控

傳感

主

電源

控

交

遙

統(tǒng)

系統(tǒng)

系

系統(tǒng)

統(tǒng)

系

系

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中人機(jī)交互系統(tǒng)功能是從操作者處獲得指令，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)將從機(jī)器人處

獲得的傳感器數(shù)據(jù)提供給用戶0

無(wú)線遙控系統(tǒng)的功能是將用戶的指令和數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行發(fā)送，使機(jī)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(duì)其進(jìn)行處理，并結(jié)合用戶的指令，完成對(duì)電機(jī)

相應(yīng)的控制。

電源系統(tǒng)功能是為機(jī)器人提供動(dòng)力源,并保證電最異常時(shí)的報(bào)警、自我保護(hù)和充電行為。

傳感系統(tǒng)為機(jī)器人提供數(shù)據(jù)，其中i部分是和機(jī)器人定位與導(dǎo)航相關(guān)的，機(jī)器人通過(guò)處

理這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行巡線并獲得機(jī)器人的坐標(biāo)。另一部分是機(jī)器人搭載的巡檢設(shè)備。機(jī)器人對(duì)

這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并通過(guò)無(wú)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:

圖2模塊功能圖

三、設(shè)計(jì)方案

2.1機(jī)械本體設(shè)計(jì)依據(jù)

考慮到機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境，其移動(dòng)體采用四輪輪式移動(dòng)小車，中驅(qū)結(jié)構(gòu)。由2個(gè)伺服直

流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向，前后兩輪為萬(wàn)向輪。該移動(dòng)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，直線運(yùn)動(dòng)性

與轉(zhuǎn)彎性能好，能夠以中間驅(qū)動(dòng)輪為中心點(diǎn)做原地轉(zhuǎn)彎，且無(wú)側(cè)滑，對(duì)路面的適應(yīng)性強(qiáng)，且

便于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖3移動(dòng)機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1巡線傳感器

對(duì)于AGV機(jī)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(cè)孔圍內(nèi)不能存在電機(jī)等磁性裝置，并口需要定期清潔磁導(dǎo)航傳感器，

維護(hù)成本較大。

若以降低成本考慮應(yīng)采用紅外光巡線的方式。紅外光巡線傳感系統(tǒng)采用紅外光作為檢測(cè)

光源，避免了外界可見(jiàn)光對(duì)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(xí)算法，對(duì)每個(gè)紅外反射管分別進(jìn)行閾值學(xué)

習(xí)，可以彌補(bǔ)因?yàn)槠骷町惡头瓷錀l件差異造成的傳感誤差。巡線條方面，通過(guò)鋪設(shè)工業(yè)耐

磨阻燃地板，可以很好地降低維護(hù)成本。

系統(tǒng)硬件部分為自主開(kāi)發(fā)的基于AVR單片機(jī)的傳感器板，采用ATmegal6A單片機(jī)，提

供3種通信接口：10、E、UARTo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(cè)結(jié)果。用戶可使用撥碼開(kāi)關(guān)或者I2C、UART通信接I」控制此巡線板進(jìn)入采樣學(xué)習(xí)模式。

圖3紅外巡線板及耐磨阻燃巡線條材料

然而單純的巡線并不能為機(jī)器人提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息。機(jī)器人除了在轉(zhuǎn)彎或者道路交匯

的地方能獲取坐標(biāo)，并不知道在路徑上的具體坐標(biāo)。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(jī)器人提供航跡推算式的定位。通過(guò)巡線傳感器和增量式碼盤，機(jī)器人既

能沿著線前進(jìn)，乂能了解當(dāng)前所在的坐標(biāo)。

圖4增量式碼盤及隨動(dòng)輪裝置

2.2.2搭載傳感器

本機(jī)器人系統(tǒng)為變電站設(shè)備非電氣信號(hào)的采集提供了一個(gè)移動(dòng)載體平臺(tái)在這個(gè)平臺(tái)上

可以搭建不同的檢測(cè)系統(tǒng)或裝置。如：遠(yuǎn)程在線式紅外熱像儀系統(tǒng)、可見(jiàn)光圖像采集處理系

統(tǒng)、聲音采集處理系統(tǒng)和移動(dòng)物體闖入報(bào)警系統(tǒng)。檢測(cè)設(shè)備如圖6所示。

圖6搭載傳感設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2.3無(wú)線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

無(wú)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(dá)到

2Mbps。由于空中傳輸速度快，傳輸時(shí)間很短，極大的降低了無(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。頻點(diǎn)

多，可以滿足多點(diǎn)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(hào)處理

部分，比如：自動(dòng)重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)等，NRF24L01的SPI接口可以利用

單片機(jī)的硬件SPI口連接或用單片機(jī)I/O口進(jìn)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(jī)。除此之外，由于鏈路層完全集成在模塊上，北常便于開(kāi)發(fā)。

通信范圍廣，最大OdBm發(fā)射功率，空曠100米。

圖7nRF2401無(wú)線數(shù)傳模塊

2.4主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)需要在有限的時(shí)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(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作以及人機(jī)交互界面.，這又要求控制系統(tǒng)

具有較強(qiáng)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(fù)

擔(dān)，使用FPGA作為協(xié)處理器，可以豐富主控系統(tǒng)的接口，同時(shí)大大提高了主控系統(tǒng)的處理

能力。下圖所示就是一個(gè)以ARM7+FPGA為架構(gòu)的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)12路電機(jī)伺服

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(jìn)行通信?？紤]到巡檢機(jī)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8ARM7+FPGA主控系統(tǒng)

2.5電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

電源系統(tǒng)包括電池和充電系統(tǒng)兩個(gè)部分。在機(jī)器人工作時(shí)，由電池提供能量。常用的電

池有鋰電池，鉛蓄電池，銀鎘電池等?？紤]到機(jī)器人工作時(shí)間較長(zhǎng)，而且需要重復(fù)充電，并

目.考慮成本，選擇鉛蓄電池作為機(jī)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(shí)間耐久，安全性能好等特點(diǎn)。

機(jī)器人經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作，需要自行回到充電點(diǎn)充電?？梢圆捎贸潆娬镜哪Ｊ?，機(jī)器人

到一個(gè)充電區(qū)域之后，自行將充電接口對(duì)準(zhǔn)充電器，完成充電。目前一些掃地機(jī)器人已經(jīng)具

備這樣的功能。

圖924V鉛蓄電池、充電器及其充電樁

2.6人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

為了對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行有效的監(jiān)視、控制和管理，為此建立了一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)控中心

來(lái)完成該任務(wù)，稱其為基站?；九c移動(dòng)體之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋組成一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，其中無(wú)

線網(wǎng)橋滿足IEEE802.Ha標(biāo)準(zhǔn),頻段5.8GHz,帶寬50Mbit/s,無(wú)遮擋傳輸距離10km。整個(gè)

機(jī)器人系統(tǒng)采用基于IP網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

圖10機(jī)器人系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)中，可見(jiàn)光圖像、紅外圖像通過(guò)視頻服務(wù)器的視頻流數(shù)據(jù)和移動(dòng)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(wú)線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)集線器一起通過(guò)電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳到運(yùn)

行監(jiān)控中心連接到電力系統(tǒng)局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)可根據(jù)訪問(wèn)權(quán)限實(shí)時(shí)瀏覽變電站設(shè)備的可見(jiàn)

光和紅外視頻圖像機(jī)器人本身運(yùn)行情況等相關(guān)信息并且可以控制機(jī)器人移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)第

基站系統(tǒng)采用PC機(jī)、Windows操作系統(tǒng)。基站系統(tǒng)包括基站計(jì)算機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)

集線器等硬件設(shè)備，主要用于人機(jī)交互、接收操作人員的各種操作指令，并將這些指令下達(dá)

到機(jī)器人移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，基站系統(tǒng)也是用戶了解機(jī)器人的工作情況和結(jié)果的直

接渠道?；居?jì)算機(jī)安放在運(yùn)行監(jiān)控中心，由基站框架、電子地圖、狀態(tài)報(bào)警處理、全局路

徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、工作模塊（包括圖像、聲音處理模塊）等模塊組成，如下圖所

示。

U＞數(shù)據(jù)海：-A控制信號(hào)

圖11基站軟件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)