0 引言

    近年來(lái)我國(guó)電力設(shè)備發(fā)展十分迅速，裝機(jī)量和保有量均位居世界前列，但目前我國(guó)電力傳輸設(shè)施以電力架空線為主，由此造成的事故也在逐年增多，而電力廊道的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)題。電力廊道，顧名思義，就是將電力塔和架空線放置在地下并進(jìn)行組裝所形成的地下配電網(wǎng)絡(luò)。

    電力廊道空間大、內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜、環(huán)境相對(duì)惡劣、空氣濕度大且含有可燃?xì)怏w。我國(guó)對(duì)電力廊道的巡檢任務(wù)一般都是由廊道巡檢人員定期巡檢和檢修維護(hù)，但電力廊道內(nèi)的多樣的環(huán)境對(duì)巡檢人員的安全以及電力廊道的安全運(yùn)行造成了極大的威脅^[1]。而如何解決這一問(wèn)題成為了許多科研工作者研究的內(nèi)容。

    文獻(xiàn)[2]研究了智能機(jī)器人在我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展前景；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種小型電纜隧道檢測(cè)機(jī)器人，介紹了檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]研制了一種高壓電力廊道自動(dòng)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，解決了人工巡檢存在的不足；文獻(xiàn)[5]提出智能機(jī)器人的運(yùn)用有利于電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。本文從智能巡檢出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種適用于多復(fù)雜環(huán)境的高壓電力廊道巡檢機(jī)器人，并進(jìn)一步解決了遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量冗余和電池配置的問(wèn)題，有力地保障了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

    鑒于高壓廊道長(zhǎng)期處于高壓、高輻射等復(fù)雜環(huán)境下，內(nèi)部未知因素較多，而輪式、履帶式和足式機(jī)器人無(wú)法跨越障礙物和地面積水的情況，本文提出了一種懸掛式巡檢機(jī)器人。在電力廊道頂部鋪設(shè)軌道，避開地面障礙物，防止機(jī)器人遇水短接宕機(jī)。巡檢機(jī)器人通過(guò)控制直流電機(jī)來(lái)完成自主巡檢，其搭載網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、氣體傳感器、溫濕度傳感器、超聲波測(cè)距等各類傳感器完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)^[6-7]。

　　根據(jù)電力廊道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，巡檢機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：不間斷自主往返巡檢、可手動(dòng)控制、實(shí)時(shí)采集廊道內(nèi)部溫濕度和地面水位數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)采集可燃性氣體濃度信息、自動(dòng)報(bào)警等。圖1為巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

    在檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，各硬件功能模塊與微控制器相連，可與現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信，當(dāng)微控制器接收到上位機(jī)的控制指令后，機(jī)器人開始執(zhí)行相應(yīng)的指令，并將廊道內(nèi)部環(huán)境信息和自身情況實(shí)時(shí)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)^[8]。本文選用STM32F407VET6單片機(jī)為高壓電力廊道巡檢機(jī)器人的主控芯片。巡檢機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示。

2.1 廊道水位檢測(cè)

    在電力廊道中，環(huán)境特殊，電纜設(shè)施長(zhǎng)期處于地下，若遇到下雨天氣，廊道地面容易積水，給巡檢人員帶來(lái)不便。在高壓電力廊道巡檢機(jī)器人上搭載MIK-ES型號(hào)超聲波液位計(jì)，如圖3所示，實(shí)時(shí)測(cè)量廊道地面積水的情況，避免地面積水過(guò)多而引起的電力短路、斷路現(xiàn)象，因此檢測(cè)廊道地面水位非常重要。當(dāng)?shù)孛嫠怀^(guò)警戒值時(shí)，上傳數(shù)據(jù)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

    在測(cè)量過(guò)程中，結(jié)合超聲波傳感器自身的測(cè)量精度，即測(cè)距范圍為0～300 cm，檢測(cè)精度為±0.5%F.S，其閾值確定方法如下：

    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算，廊道高度為2 m，最低層電纜支架離地面距離為0.1 m，若超聲波液位計(jì)到地面的實(shí)際距離為h，在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)超聲波測(cè)量值小于h時(shí)，即超聲波檢測(cè)到地面有積水，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。因此廊道水位的閾值要求控制在超聲波液位計(jì)到地面的實(shí)際距離值范圍內(nèi)，且超聲波測(cè)量值小于h時(shí)開始上傳水位測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)

    對(duì)電力廊道內(nèi)運(yùn)行環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)除了檢測(cè)溫濕度、地面水位以外，還要對(duì)可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于廊道內(nèi)空氣濕度大、氣體成分復(fù)雜，不同氣體差異性很大，需要對(duì)氣體精確采集，應(yīng)確?，F(xiàn)場(chǎng)氣體探測(cè)器可靠穩(wěn)定地工作。

    本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮對(duì)氧氣(O₂)、甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)、硫化氫(H₂S)4種氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并采用RS-485信號(hào)接口的通信方式工作的氣體探測(cè)器和MQ系列的氣體傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度值，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?？扇?xì)怏w濃度閾值及爆炸極限情況如表1所示。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警

    采用“三點(diǎn)采樣上升趨勢(shì)判斷法”來(lái)預(yù)測(cè)是否有異常情況發(fā)生，起到預(yù)警作用。機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)廊道中的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫濕度、地面水位、可燃?xì)怏w濃度以及電纜接頭表面溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷連續(xù)等時(shí)間采樣間隔內(nèi)的3個(gè)采樣值是否有上升趨勢(shì)，如果有繼續(xù)上升的趨勢(shì)，就需要上傳數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，其具體的判斷步驟如下：

    假設(shè)某時(shí)段內(nèi)，在連續(xù)的等時(shí)間間隔內(nèi)機(jī)器人采集到環(huán)境溫度數(shù)值為：A(0)、A(1)、A(2)…A(n)，n取正整數(shù)，分別對(duì)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若某一數(shù)據(jù)滿足如下的規(guī)律，則需要將當(dāng)前的數(shù)值上傳到現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)。

    根據(jù)式(1)，需要上傳的數(shù)據(jù)為A(n+3)，機(jī)器人需要繼續(xù)采集判斷下一時(shí)刻的數(shù)值，如果采集到的數(shù)據(jù)符合此規(guī)律，則繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)。

2.4 通信系統(tǒng)

    電力廊道的數(shù)據(jù)采集裝置與操作員站通過(guò)以太網(wǎng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），分為遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)控制兩個(gè)部分，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（溫濕度、地面水位、可燃?xì)怏w濃度、剩余電量等）信息進(jìn)行記錄、遠(yuǎn)程上傳；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理員通過(guò)分析接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)給機(jī)器人發(fā)送相應(yīng)的指令，保障電力廊道的安全運(yùn)行，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信方案設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.5 機(jī)器人電池配置

    為了使巡檢機(jī)器人能有效對(duì)電力廊道進(jìn)行巡檢，在廊道兩端配置充電樁，及時(shí)為機(jī)器人充電，以滿足機(jī)器人能單程行駛完全路程的所需電量，但必須考慮機(jī)器人在啟停段內(nèi)所需電量，即啟停能耗E_L。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，在不考慮彎道消耗電量的情況下，機(jī)器人在行駛過(guò)程中的額外損耗電量即為機(jī)器人啟動(dòng)、停止階段所需消耗電量，其占單程行駛所需電量的比例為：

    由此可知啟動(dòng)、停止階段所需消耗電量的最大值E_L，max的確定是在最小值E_L，min理論計(jì)算的基礎(chǔ)上加上4%的裕度值。由此儲(chǔ)能電池容量的配置方案如下(這里定義單程為運(yùn)行一次需要充一次電)：

    (1)單程勻速段行駛的路程所需電量E_C和啟動(dòng)、停止階段所需消耗電量的最小值E_L，min以及設(shè)備能耗E_M之和，即為儲(chǔ)能電池的容量E_Z：

    (2)單程勻速段行駛的路程所需電量E_C和啟動(dòng)、停止階段所需消耗電量的最大值E_L，max以及設(shè)備能耗E_M之和，即為儲(chǔ)能電池的容量：

    根據(jù)上述分析計(jì)算，當(dāng)廊道距離s=2 000 m、機(jī)器人行駛速度v=0.2 m/s時(shí)，單次運(yùn)行總時(shí)間為t_z≈2.78 h，勻速階段運(yùn)行時(shí)間為t_r≈2.502 h，啟、停階段運(yùn)行時(shí)間為t_s≈0.278 h，則可計(jì)算出單次運(yùn)行過(guò)程中的總能耗為：

    根據(jù)計(jì)算出來(lái)的機(jī)器人單程運(yùn)行總能耗數(shù)據(jù)，結(jié)合鋰離子電池在比能量和電池壽命等方面優(yōu)于其他蓄電池的實(shí)際情況，選擇鋰離子電池作為巡檢機(jī)器人的動(dòng)力源。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    為實(shí)現(xiàn)電力廊道巡檢機(jī)器人整體系統(tǒng)需求，使用STM32F407VET6單片機(jī)為主控芯片，并利用基于Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)的客戶端/服務(wù)器模式的現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)監(jiān)控界面來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試。監(jiān)控軟件通過(guò)無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)與巡檢機(jī)器人時(shí)刻保持通信，并控制機(jī)器人運(yùn)行。管理員根據(jù)采集的廊道信息做出分析與判斷，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，上位機(jī)預(yù)警及報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，值班人員及時(shí)對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行檢修。

3.1 巡檢流程設(shè)計(jì)

    巡檢機(jī)器人接收到現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)的巡檢指令后，機(jī)器人會(huì)啟動(dòng)并開啟相應(yīng)的設(shè)備，向終點(diǎn)方向行駛，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人停止前進(jìn)并對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，停留時(shí)間為50 s；檢測(cè)完第一個(gè)點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人沿軌道繼續(xù)前進(jìn)，到達(dá)下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)便會(huì)自動(dòng)停止并進(jìn)行檢測(cè)。在巡檢的過(guò)程中不斷判斷是否檢測(cè)完途中的所有檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)完沿途中所有點(diǎn)時(shí)，表明單次運(yùn)行結(jié)束，此時(shí)需要判斷機(jī)器人的剩余電量是否大于50%，若條件成立，則沿軌道返回向機(jī)器人起點(diǎn)方向行駛，檢測(cè)返回途中的所有點(diǎn)，到達(dá)起點(diǎn)位置時(shí)，進(jìn)行充電^[9]。自主往返巡檢流程如圖5所示。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

    現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)顯示，同時(shí)可以展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的狀態(tài)以及準(zhǔn)確的采集所需要參數(shù)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)這些功能主要依靠VB的空間組合及源代碼完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)監(jiān)控軟件的編寫。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)監(jiān)控界面主要包括用戶管理界面(主畫面)、環(huán)境數(shù)據(jù)顯示界面、登錄服務(wù)器界面、實(shí)時(shí)曲線界面、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻圖像界面，每個(gè)畫面間可以相互切換，方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員的管理，具有很好的靈活性^[10-11]。其中監(jiān)控界面如圖6所示。

4 結(jié)論

    本文進(jìn)行了高壓電力廊道巡檢機(jī)器人的研究，采用懸掛軌道式機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)，解決了機(jī)器人避障問(wèn)題。以STM32F407VET6微控制器為核心，構(gòu)建了巡檢機(jī)器人硬件總體方案設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)不間斷對(duì)廊道進(jìn)行自主往返巡檢、手動(dòng)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)報(bào)警等功能。基于Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)了客戶端/服務(wù)器模式的無(wú)線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)監(jiān)控界面。巡檢機(jī)器人對(duì)廊道環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)采集廊道內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)、廊道地面水位深度、可燃性氣體的濃度等數(shù)據(jù)，利用無(wú)線WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)可發(fā)送指令控制巡檢機(jī)器人的運(yùn)行^[12]。并且對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)警、告警功能和通信方案設(shè)計(jì)，有效解決了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量過(guò)大的問(wèn)題，并通過(guò)理論分析，確定了儲(chǔ)能電池的配置方案。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試相應(yīng)的功能，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳威，柏彬，王朋.基于智能軌道的閥廳巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41(8)：129-131，135.

[2] 文宗林.智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題[J].低碳世界，2018(11)：43-44.

[3] 姜蕓，付莊.一種小型電纜隧道檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].華東電力，2009，37(1)：95-97.

[4] 胡偉，任廣振，葛雋，等.高壓電力廊道自動(dòng)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研制[J].自動(dòng)化與儀表，2013，28(12)：13-16.

[5] 王翔.電力系統(tǒng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)設(shè)備工程，2018(13)：171-172.

[6] 王忠強(qiáng)，謝麗蓉，王晉瑞，等.基于LabVIEW Robotics移動(dòng)式探測(cè)車避障功能設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34(11)：86-90.

[7] 張建中，郝允梁，劉海洋，等.基于STM32單片機(jī)的智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(11)：120-123.

[8] 盧靖宇，余文濤，趙新，等.基于超寬帶的移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(5)：25-28.

[9] 黃樂(lè)，吳功平，葉旭輝.輸電線巡檢機(jī)器人弱光條件下的障礙物識(shí)別研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38(9)：291-299.

[10] 李學(xué)民.礦用巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析[J].煤礦機(jī)械，2018，39(5)：71-73.

[11] 張子洋，孫作雷，曾連蓀.視覺(jué)追蹤機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)建研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：123-126，130.

[12] 彭道剛，關(guān)欣蕾，戚爾江，等.巡檢機(jī)器人云臺(tái)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2018，48(11)：43-47.

作者信息:

王凱豐1，王忠強(qiáng)2，謝麗蓉1，楊  歡1

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047；2.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林719000)