高壓線路智能巡檢機器人控制系統設計

劉宇峰 王寧 王倉 劉華 李傳林

摘 要：定期對架空線路進行故障的檢測與修復，是供電可靠、穩定運行的基本保證。針對巡檢機器人的作業環境與作業內容，設計了一種基于STC89C52單片機并結合PC104的巡檢機器人。該機器人沿著高壓線路行駛，通過其所攜帶的溫度傳感器、攝像機、GPS、無線通訊等設備對線路進行檢測與數據傳輸。通過在實驗室內模擬環境進行調試，基本實現了預期要求。

關鍵詞：架空線路；巡檢機器人；控制系統

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0081-03

Abstract： It is the basic guarantee of reliable and stable operation of power supply to detect and repair the fault of overhead line regularly. In view of the working environment and contents of the inspection robot， a kind of inspection robot based on STC89C52 MCU and PC104 is designed. The robot runs along the high-voltage line and detects and transmits data through the temperature sensor， camera， GPS， wireless communication and other devices it carries. Through debugging in the laboratory simulation environment， the expected requirements are basically achieved.

Keywords： overhead line； inspection robot； control system

高壓輸電線路是電力遠距離輸電的主要方式，輸電線路負責輸送電力的重任，是電力系統中重要的一環。它是國家基礎設施建設和社會發展的“大動脈”，扮演著非常重要的角色。由于輸電線路、桿塔、絕緣子串、線路金具等長期暴露在外部環境中，受惡劣天氣影響、電氣閃絡、機械張力與材料老化等多種原因而產生線路斷股、開裂、腐蝕等損傷，如不及時檢修將嚴重影響電力線路的正常運行，甚至造成嚴重的停電事故和人身安全隱患。

國外對于巡檢機器人的研究始于20世紀80年代末，加拿大、日本等國家先后開展了這方面的研究，最具有代表性的是加拿大魁北克水電研究院的 Montambault等人研制了巡檢機器人“LineScout”，LineScout可以通過地面遙控操作，其技術比較先進，功能比較齊全。該機器人不僅可以巡檢線路，還可以完成導線修補、螺栓緊固等相對簡單的線路維護作業[1]。國內對高壓輸電線路巡檢機器人的研究起步較晚。武漢大學吳功平教授率先在國內開展高壓輸電線路巡線機器人的研究，成功研制了沿單導線及地線行駛的兩種自主巡檢機器人。近年來，山東科技大學研制出一款高壓線巡檢機器人樣機，該機器人設置有三個機械臂，采用基于規則的專家控制系統來控制機器人在高壓輸電線上的爬行[2]。

1 系統組成

巡檢機器人由巡檢機器人本體和地面基站組成。巡檢機器人的控制系統總體結構如圖1所示。

巡檢機器人的本體是整個系統的核心部分，主要包括巡檢機器人的機械部分、巡檢部分、驅動部分、通訊部分、電源部分等。地面基站主要由PC機組成，與巡檢機器人本體間通過藍牙連接，實時接收機器人巡檢圖像與數據、發送控制指令等。本文主要對巡檢機器人的本體控制部分進行了設計。

機械部分：巡檢機器人以輸電線路的地線為工作路徑，在線路上移動來進行巡檢任務，要求機器人能夠在線路上以穩定的速度移動。輪式滾動的行走方式可以確保其行走的穩定性，也可保證一定的速度。故采用雙輪滾動的行走機構。如圖2所示。

巡檢部分：由DS18B20溫度傳感器、攝像機構成，通過PC104嵌入式工控機對攝像機的控制，可實現對輸電線路、桿塔、絕緣子等的可見光圖像的巡查。

驅動部分：通過STC89C52單片機對驅動模塊進行驅動，由于架空地線帶有弧度且機器人需攜帶大量傳感器，對于電機的扭矩有一定的要求，主要選用功率大小為25～40W的無刷直流電機[3]。

通訊部分：由于在實驗室進行調試，選用了藍牙模塊，在實際應用中藍牙模塊的通訊距離短，傳輸速度慢，可更換為無線局域網（WLAN）或3G通信系統。

電源部分：巡檢機器人工作在高空，其電源應為移動電源，并且要求電源重量輕、體積小、容量大。對比多種電源，發現采用鋰電池作為電源非常適合。

2 關鍵技術

2.1 機構設計

由于巡檢機器人在架空地線運行，采用的輪子為帶有凹槽式的輪子，這樣可使輪與線接觸緊密，穩定性也較好。輪胎與電機相連，電機與輪胎的連接處放置DS18B20溫度傳感器，因與線路最接近，易固定，可實時了解到機器人的狀態信息。兩個直流無刷電機通過輪軸由直桿固定在下方的機構平臺上。機構平臺主要用于搭載STC89C52單片機與PC104中控機及各種傳感器、電源等。機構平臺的前方放置有GY-VL53l0X激光測距傳感器，主要用于檢測前方是否有障礙物，是否讓機器人停止。機構平臺的后方放置有藍牙模塊，可將數據送回給上位機，通過連線將各模塊與STC89C52單片機和PC104中控機相連，實現通訊。機構平臺的下方主要放置攝像頭，可控制攝像頭的方向對輸電線路、桿塔、絕緣子等的可見光圖像進行巡查。如圖3所示。

S1-機構平臺；S2-GY-VL53l0X激光測距傳感器；S3-DS18B20溫度傳感器；S4-攝像頭；S5-藍牙模塊

2.2 控制系統的設計

巡檢機器人本體的控制系統主要由兩部分組成，其一是基于STC89C52單片機的控制部分，其二是以PC104中控機為主的控制部分。

2.2.1 STC89C52單片機控制模塊

由于STC89C52單片機內存小，CPU運行速度慢，基于STC89C52單片機的控制部分主要以簡單功能為主，包括對周圍環境溫度的測量、與前方障礙物距離測量以及驅動模塊等。

（1）溫度傳感模塊

DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小，抗干擾能力強，精度高的特點。其測溫范圍為-55℃～+125℃，固有測溫誤差1%[4]。DS18B20溫度傳感器由STC89C52單片機對其進行控制，溫度可實時顯示，其數據可通過藍牙傳輸至地面基站，可通過PC端的STC-ISP軟件接受藍牙傳輸數據，并由MATLAB繪制出溫度變化曲線。如溫度有異常，超過某預定的值時，可進行報警提醒。DS18B20電路圖如圖4。

（2）電機驅動模塊

巡檢機器人電機主要由L298N電機驅動芯片控制，以來實現對機器人的行進與停止控制。L298N由STC89C52單片機進行控制，L298N內部主要由H橋驅動電路組成，可同時驅動兩個電機。電機A的轉速和方向可以分別從IN1、IN2輸入PWM信號進行控制，電機B的轉速和方向可以分別從IN3、IN4輸入PWM信號進行控制。L298N驅動模塊電路圖如圖5。

（3）距離檢測模塊

在機器人行進方向的前方安裝有GY-VL53l0X激光測距傳感器，由STC89C52單片機對其進行控制，如測得前方距離小于預定值時，STC89C52單片機控制電機停止，在物體之前停下來。流程圖如圖6所示。

2.2.2 PC104中控機

PC104中控機采用緊湊的、自我堆棧式的模塊。PC104相較于STC89C52單片機來說，其結構更加緊湊，容易拓展，運算速度更快，但其中斷速度響應慢[5]。基于PC104中控機的控制部分主要功能有圖像處理、GPS定位以及數據傳輸。以上幾個功能對于CPU的運算速度都有一定的要求，選用以PC104中控機為控制部分較為合理。

（1）藍牙模塊

利用HC-06藍牙模塊與PC機相連，可將實時數據傳輸至PC機。藍牙模塊的設置相對簡單，無需使用線纜連接上下位機，實現無線串口連接。因藍牙傳輸距離有限，考慮到實際使用中，機器人與地面基站相距較遠，無法達到數據傳輸。可更換為無線局域網（WLAN）或3G通信系統，這兩種方式傳輸距離更遠、傳輸速度更快。藍牙模塊如圖7。

（2）GPS定位模塊

GPS主要用于機器人的地理地形位置定位，可以及時鎖定機器人所處位置，快速查找故障路線位置，進行及時的維修。GPS可用其自帶App就可實現定位。GPS定位模塊如圖8。

3 結束語

高壓線路巡檢機器人以高壓線路地線為作業路徑，可完成基本巡檢任務的機器人。設計基于STC89C52單片機并結合PC104中控機的巡檢機器人的控制系統。結合輸電線路巡檢作業環境，通過分析設計了一種適合運行于高壓線路地線的本體機構；通過分析其作業內容，設計其通過所攜帶的溫度傳感器、攝像機、GPS、無線通訊等設備對線路進行檢測與數據傳輸。所設計巡檢機器人有助于提高高壓線路巡檢的工業化及自動化程度、提高巡檢的效率、減輕巡檢工作人員的勞動強度、降低巡檢過程中的成本、確保電力線路的穩定運行。

參考文獻：

[1]張成巍，岳湘.智能巡檢機器人研究現狀與發展趨勢[J].電工文摘，2015

（01）：9-12.

[2]許博.高壓線巡檢機器人的設計與研究[D].哈爾濱工業大學，2017.

[3]李正.高壓輸電線路自主巡檢機器人的研究[D].上海大學，2013.

[4]陶冶，袁永超，羅平.基于DS18B20的單片機溫度測量系統[J].農機化研

究，2007（10）：160-164.

[5]計長安，張秀彬，應俊豪，等.基于PC104的實時工業圖像檢測[J].微計算機信息，2006（29）：212-214.

[6]艾春雨，潘翔，盧玉琴.智能機器人巡檢系統在變電站中的應用[J].科技創新與應用，2016（33）：214-215.

[7]楊軍偉，曹海.集控站智能巡檢機器人的設計及應用[J].科技創新與應用，2015（33）：179.