戶內(nèi)軌道巡檢機器人

項目方案評估報告

一、項目背景：

1.1變電站設備巡檢和人工巡檢有效性分析

設備的技術狀態(tài)和設備運行狀態(tài)如何，必須通過對設備進行巡【可檢查后才可以得出相應

的結果。為了提高設備的利用率，設備運行的可靠性、降低維修成本.加強對設備巡檢及缺

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

理的運行方式、及時安排檢修提供可靠、詳細的數(shù)據(jù)并有助于做出科學分析。

變電站值班員進行人工巡檢，對運行設備進行感觀的簡單的定性判斷，主要通過看、觸、

聽、嗅等感官去實現(xiàn)的。人工巡視對設備外部可見、可聽、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、二次設備指示

信號異常等。

人工巡檢受人員的生理、心理素質(zhì)、責任心、外部工作環(huán)境、工作經(jīng)驗、技能技術水平

的影響較大，存在漏巡，缺陷漏發(fā)現(xiàn)的可能性。且對于設備內(nèi)部的缺陷，運行人員無專業(yè)儀

器或者儀器精確度太低，通過簡單的巡視是不能發(fā)現(xiàn)的，比如油氣試驗項目超標，設備特殊

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程中才能發(fā)現(xiàn)，如機械々澀、

閘刀分合不到位、閘刀機構箱門損壞等。

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

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

設備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，危急電網(wǎng)的安全運行。特別是無法及時了解出現(xiàn)問題的變電站情

況，失去優(yōu)先安排處理的機會。

巡視人員巡視設備時需要站在離設備較近的地方，對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，事故原因查找時危險性更大。

綜上所述，無人值班變電站的人工巡檢存在及時性、可靠性差，花費人工較多，存在較

大的交通風險和巡視過程風險。

1.2變電站巡檢機器人簡介

變電站室內(nèi)巡檢機器人集機電一體化技術、多傳感器融合技術、電磁兼容技術、導航及

行為規(guī)劃技術、機器人視覺技術、無線傳輸技術于一體。

通過機器人上的高清攝像頭可實時采集分析圖像，自動識別并準確定位所標記的設備，

實現(xiàn)信息傳輸和拍照。

機器人以自主或遙控的方式，在無人值守或少人值守的變電站對室內(nèi)高壓設備進行巡

檢，可及時發(fā)現(xiàn)電力設備的內(nèi)部熱缺陷、外部機械或電氣問題，為運行人員提供事故隱患和

故障先兆數(shù)據(jù)?？商娲\行維護人員現(xiàn)場巡檢，節(jié)省設各巡檢成本，降低人身傷害風除，提

高變電站運行維護水平。

二、巡檢機器人功能總體概述

2.1系統(tǒng)完成的功能概述

根據(jù)初步的說明書，系統(tǒng)需要完成以下功能：

1）行走。需要能沿線行走，實現(xiàn)前進，倒退，轉彎，停留，并且要跨越隔門。

2）無線控制。通過無線的方式對機器人實施控制。

3）掛載并能提升巡檢設備。

除了上述功能性要求，機器人需要低成本，小型化。為了實現(xiàn)上述功能以及最終驗收，

需要對機器人性能提出一定的指標。

2.2系統(tǒng)應該達到的指標

初步設計機器人在上述4個功能上應該實現(xiàn)如下指標

1）行走。行走速度最高要達到0.5m/s。機器人應該能實現(xiàn)原地轉向。機器人應該能

跨越高度為5cm的隔門

2）機器人無線控制距離不少于10米，能在亞雜電磁環(huán)境下工作。

3）機器人能感知自己絕對位置。能達到+/-2CM定位精度

4）能為巡檢設備提供電源，電壓小于等于24V。

5）機器人尺寸應小于能進入其他房間

6）機器人重量應小于50Kg

7）機器人最大提升高度應大于等于1.8M。

8）機器人待機工作時間為12小時。正常工作時間為8小時。

2.3系統(tǒng)所需模塊

根據(jù)機器人需要完成的功能和機器人需要達到的指標，初步確定機器人應包括如下幾個

子系統(tǒng)。

戶內(nèi)小型化經(jīng)濟型軌道巡檢

機器人

線

人

無

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)結構圖

其中人機交互系統(tǒng)功能是從操作者處獲得指令，控制機器人的運動。同時將從機器人處

獲得的傳感器數(shù)據(jù)提供給用戶0

無線遙控系統(tǒng)的功能是將用戶的指令和數(shù)據(jù)通過無線的方式進行發(fā)送，使機器人和用戶

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)，對其進行處理，并結合用戶的指令，完成對電機

相應的控制。

電源系統(tǒng)功能是為機器人提供動力源,并保證電最異常時的報警、自我保護和充電行為。

傳感系統(tǒng)為機器人提供數(shù)據(jù)，其中i部分是和機器人定位與導航相關的，機器人通過處

理這部分數(shù)據(jù)進行巡線并獲得機器人的坐標。另一部分是機器人搭載的巡檢設備。機器人對

這部分數(shù)據(jù)進行初步處理，并通過無線模塊發(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、設計方案

2.1機械本體設計依據(jù)

考慮到機器人的運行環(huán)境，其移動體采用四輪輪式移動小車，中驅結構。由2個伺服直

流電機分別驅動，差速轉向，前后兩輪為萬向輪。該移動體結構簡單，易加工，直線運動性

與轉彎性能好，能夠以中間驅動輪為中心點做原地轉彎，且無側滑，對路面的適應性強，且

便于控制系統(tǒng)的設計。

圖3移動機器人整機結構簡圖

2.2傳感器系統(tǒng)設計

2.2.1巡線傳感器

對于AGV機器人的巡線傳感器，采用比較廣泛的是磁導航的方式，然而磁導航鋪設成

本較高。磁導航裝置檢測孔圍內(nèi)不能存在電機等磁性裝置，并口需要定期清潔磁導航傳感器，

維護成本較大。

若以降低成本考慮應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

光源，避免了外界可見光對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閾值學習算法，對每個紅外反射管分別進行閾值學

習，可以彌補因為器件差異和反射條件差異造成的傳感誤差。巡線條方面，通過鋪設工業(yè)耐

磨阻燃地板，可以很好地降低維護成本。

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

測結果。用戶可使用撥碼開關或者I2C、UART通信接I」控制此巡線板進入采樣學習模式。

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器人提供準確的坐標信息。機器人除了在轉彎或者道路交匯

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

能沿著線前進，乂能了解當前所在的坐標。

圖4增量式碼盤及隨動輪裝置

2.2.2搭載傳感器

本機器人系統(tǒng)為變電站設備非電氣信號的采集提供了一個移動載體平臺在這個平臺上

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

統(tǒng)、聲音采集處理系統(tǒng)和移動物體闖入報警系統(tǒng)。檢測設備如圖6所示。

圖6搭載傳感設備檢測系統(tǒng)框圖

2.3無線遙控系統(tǒng)設計方案

無線遙控系統(tǒng)采用nRF2401模塊作為通信硬件。nRF2401模塊速率高，最高能達到

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

多，可以滿足多點通信需要。成本低，芯片內(nèi)部繼承了所有與RF協(xié)議相關的高速信號處理

部分，比如：自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動產(chǎn)生應答信號等，NRF24L01的SPI接口可以利用

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

通信范圍廣，最大OdBm發(fā)射功率，空曠100米。

圖7nRF2401無線數(shù)傳模塊

2.4主控系統(tǒng)設計方案

移動機器人導航系統(tǒng)需要在有限的時間內(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，然而移動機器人要實現(xiàn)復雜的動作以及人機交互界面.，這又要求控制系統(tǒng)

具有較強的綜合處理能力以及豐富的外設接口。為了滿足上述需要，主控系統(tǒng)采用

ARM7+FPGA的架構。ARM7是ARM公司研制小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核。采

用ARM7架構的內(nèi)核廣泛使用于汽車、工業(yè)控制應用以及醫(yī)療系統(tǒng)。為了減輕處理器的負

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

能力。下圖所示就是一個以ARM7+FPGA為架構的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)12路電機伺服

控制，具有LCD接口，USART接口，USB接口，SPI接口，I2C接口等常用的外設接口，能方

便地與外設進行通信?？紤]到巡檢機器人需要掛載不同的外設，外設接口越豐富，外設選擇

的自由度就越大，可以支持的外設就越多。

圖8ARM7+FPGA主控系統(tǒng)

2.5電源系統(tǒng)設計依據(jù)

電源系統(tǒng)包括電池和充電系統(tǒng)兩個部分。在機器人工作時，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]到機器人工作時間較長，而且需要重復充電，并

目.考慮成本，選擇鉛蓄電池作為機器人的電源。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，時間耐久，安全性能好等特點。

機器人經(jīng)過一段時間工作，需要自行回到充電點充電。可以采用充電站的模式，機器人

到一個充電區(qū)域之后，自行將充電接口對準充電器，完成充電。目前一些掃地機器人已經(jīng)具

備這樣的功能。

圖924V鉛蓄電池、充電器及其充電樁

2.6人機交互系統(tǒng)設計依據(jù)

為了對巡檢機器人進行有效的監(jiān)視、控制和管理，為此建立了一個移動機器人監(jiān)控中心

來完成該任務，稱其為基站?；九c移動體之間通過無線網(wǎng)橋組成一個無線局域網(wǎng)，其中無

線網(wǎng)橋滿足IEEE802.Ha標準,頻段5.8GHz,帶寬50Mbit/s,無遮擋傳輸距離10km。整個

機器人系統(tǒng)采用基于IP網(wǎng)絡的二級結構，如下圖所示。

圖10機器人系統(tǒng)整體網(wǎng)絡結構

在該系統(tǒng)中，可見光圖像、紅外圖像通過視頻服務器的視頻流數(shù)據(jù)和移動體控制系統(tǒng)信

息等數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)絡集線器后，經(jīng)無線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡集線器一起通過電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡傳到運

行監(jiān)控中心連接到電力系統(tǒng)局域網(wǎng)上的計算機可根據(jù)訪問權限實時瀏覽變電站設備的可見

光和紅外視頻圖像機器人本身運行情況等相關信息并且可以控制機器人移動體的運動第

基站系統(tǒng)采用PC機、Windows操作系統(tǒng)?；鞠到y(tǒng)包括基站計算機、無線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡

集線器等硬件設備，主要用于人機交互、接收操作人員的各種操作指令，并將這些指令下達

到機器人移動體運動控制系統(tǒng)。同時，基站系統(tǒng)也是用戶了解機器人的工作情況和結果的直

接渠道?；居嬎銠C安放在運行監(jiān)控中心，由基站框架、電子地圖、狀態(tài)報警處理、全局路

徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、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

圖11基站軟件系統(tǒng)拓撲結構