小型便攜式電纜溝巡檢小車的設計與應用

姜凌霄，徐世東，嚴中亮

（1.國網山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030001；2.國網山西送變電工程公司，山西 太原 030001；3.國網山西呂梁供電公司，山西 離石 030012）

0 引言

現階段輸變電工程大多實行無人值守變電站，且電纜溝位于地下，空間狹窄封閉，給運行人員定期巡檢帶來困難[1]，不安全隱患很難及時發現。根據國家電網公司對500 kV變電站的巡視檢查要求，提出了“每月要定期開展電纜溝的檢查，檢查電纜溝雜物、積水、電纜脫落和電纜溝內防火隔墻以及電纜溝內小動物活動的防護情況”等維護任務。

1 實際的電纜溝巡視過程中面臨的問題

運維人員在實際的電纜溝巡視過程中主要有以下兩個方面的問題。

1.1 人工檢查電纜溝費時和費力

運維人員在檢查電纜溝的過程中普遍存在檢查電纜溝時間長的共性問題。檢查時間長，主要是因為電纜溝較長，且電纜溝中的防火隔墻多?，F有方法是采用人工翻開電纜溝蓋板進行檢查，必要時還需要人工鉆進電纜溝進行重點巡視。電纜溝蓋板本身重量不輕，再加上電纜溝空間狹小陰暗，檢查非常不便，遇到防火隔墻時必須鉆出該段電纜溝，翻開另一段電纜溝蓋板再次進入，整個巡視過程極為費時、費力。

1.2 檢查電纜溝容易造成人員傷害

巡視電纜溝過程中，由于電纜溝內支架多，鋒利邊緣多，空間狹窄，人員在進出電纜溝的時候很容易被磕碰劃傷。而且電纜溝內屬于密閉空間，在夏季，有積水或者有死老鼠時，空氣環境極其惡劣，無法滿足人員入內巡視檢查的要求。

2 小車的組成及其功能原理

電纜溝道監測機器人由機器人平臺、控制模塊、電源模塊、遙控及監測模塊、通信模塊等組成[2]，系統操作軟件安裝在手機APP上，實現對機器人的遙控操作。

2.1 小車控制平臺

小車運動控制設計的實現建立在arduino平臺上，使用arduino專用語言進行編程，將編輯完成的程序下載進控制小車程序的中央處理器CPU中，以使其完成指定的動作及功能。中央處理器CPU對小車的3路電機進行驅動，除了控制小車的行動外，還另外控制小車攝像頭云臺的運動，實現不同角度的視角觀察，小車的運動控制流程圖如圖1所示。攝像頭采用直連方式，與APP后臺端口直接對接，不經過小車中央處理器CPU，這樣設計的目的是減少視頻傳輸延時。

圖1 小車運動控制框圖

小車的控制芯片組件帶有金屬網屏蔽罩，可以屏蔽電纜溝內的電磁干擾，保證小車控制芯片的正常工作，此項技術在國內研究領域未見使用。該小車使用arduino平臺，可以快速修改小車的指令程序，使小車不僅可以人工操控，還可以自主完成特定動作。小車控制系統主板采用小型化、低功耗、高可靠性、多層化及抗干擾設計，同時預留足夠控制接口，方便系統擴展[2]。

2.2 小車通訊模塊

小車使用手機客戶端APP進行控制，小車本身通過ESP8266 Wifi模塊發射2.4 GHz的無線信號，手機連接此Wifi信號后通過客戶端APP實現小車的遙控和遙視。機器人、云臺和攝像頭調焦的控制信號通過2.4 GHz無線信號傳到位于豎井底部的無線中繼路由器上（無線中繼路由器可以延長機器人的控制距離，但是并不是必須的，小車和手機可以直接相連），無線傳輸模塊發出無線信號，機器人上的無線接收模塊接收后通過解碼變成控制信號，對機器人、云臺和攝像頭進行控制[3]，小車的整體實物圖如圖2所示；同時各種傳感器采集的數據通過無線模塊發送到手機APP端實時顯示。

圖2 智能電纜溝機器人實物展示

2.3 云臺控制及照明

攝像頭帶有LED照明功能，安裝在二自由度的云臺上面（云臺1可以進行上下旋轉，云臺2可以進行左右旋轉）。在進入電纜溝深處的黑暗路段時，小車自帶的“LED光源”可以為小車提供照明，200 LM的光通量可以保證小車前方及可視范圍內的空間清晰可見。使用了云臺，可以自由地旋轉攝像頭到任意角度檢查電纜溝內的情況。由于使用了照明功能，即使在沒有光照條件下也能清楚看到電纜溝內的情況。小車結構為窄體式設計，最大寬度35 cm，可進入50 cm寬的最窄型電纜溝，替代人工或任何機械進行檢查；同時由于體積小巧，具有很強的便攜性，目前，適用此類電纜溝的小車及小車技術國內研究領域為零。

3 小車的使用方法

電纜溝巡檢小車依托先進的物聯網技術、手機APP技術和移動互聯技術，可以將深處地面之下的小車的實時視頻信息傳回至手機，同時可以通過手機APP來控制小車的運動[4]。功能主要實現：使用時，打開一塊電纜溝蓋板，使用拉閘桿掛鉤將小車放入電纜溝內，如圖3所示。由于小車體積小，且安裝有履帶，可以在電纜溝底部中間的落水槽上移動。登錄手機客戶端APP連接與小車控制系統集成的無線模塊，在手機客戶端操作界面可以直接查看小車攝像頭傳輸回來的實時畫面；同時可以操作小車的行動，當在巡視過程中發現異常時，可以實時拍照和錄像。

圖3 現場工作將巡檢小車放入電纜溝的過程

電纜溝巡檢小車主要為解決在人工檢查“電纜溝雜物、積水、電纜脫落情況，檢查電纜溝內防火隔墻封堵情況，檢查電纜溝內小動物活動情況”過程中，檢查電纜溝時間長，檢查電纜溝過程中容易造成人員傷害的問題。

4 電纜溝巡檢小車關鍵技術

a） 實現手機客戶端APP實時遙控小車。通過使用手機客戶端APP可以方便快捷地實時遙控小車，只要將APP安裝在任意安卓手機上即可實現相應功能，后期成本低[5]。

b）通過移動互聯技術，實現遙視小車。在電纜溝的巡視檢查過程中，利用移動互聯技術遠傳圖像，最遠可以將28 m外（中繼路由器情況下90 m至1.5 km）視頻數據實時回傳。

c）手機客戶端具有照相和錄像功能。可以將小車第一視角的圖像進行實時的記錄，方便后期進行查看。

d）模塊化組裝，滿足量產需求。小車整體分為遙視控制部分、底盤動力部分、照明組件部分、無線信號傳輸等4大部分。裝置核心處理系統有完整的印刷電路板PCB（printed circuit board） 電路板圖[6]，能滿足快速量產需求；其他零部件也均為模塊化設計或現成產品，與核心處理部分接口連接即可，可滿足快速組裝及維修要求。

e）整套小車裝置成本低，擁有完整自主知識產權。本項目已經申請專利，小車所有組件及核心控制程序全部為運維人員自己研發，不依托于外部廠家；每臺巡檢小車成本約4000元，遠遠低于相關小車生產企業的售價。

f）體積小，動力強，光照效果好，適應性強。由于各個變電站電纜溝尺寸不一，且電纜溝內有雜物堆積，輕巧的機身能夠在絕大多數電纜溝中自由穿行，履帶式底盤可以輕松跨越各種障礙物；動力強勁，可上42°斜坡；雙履帶分步驅動，可實現原地轉向，適應更狹小空間。

g）不需要連接外網，信息安全可靠。使用2.4 GHz的頻率傳輸實時數據和控制信號，對變電站內設備無干擾。

5 結論

使用手機客戶端APP作為上位機系統突破了終端的限制，只需一部安卓智能手機即可通過安裝使用此款APP來操控小車，適用性極強，易于上手，后期無維護成本。電纜溝巡檢小車在大大提高工作效率、縮短檢查電纜溝時間的同時，保證了人身安全，可以避免人員進入電纜溝帶來的各種傷害和不適，實驗效果好，便利性高，可推廣性強，具有極其重要的實際生產意義。