多功能變電站搜救機器人系統(tǒng)設(shè)計

周 宇，斯文麒

(1.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京210000；2.杭州東部信必優(yōu)服務(wù)外包有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

電力作為我國國民經(jīng)濟發(fā)展和居民日常生活的能源來源，在整個社會發(fā)展中起到了舉足輕重的作用，而變電站是保障整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。隨著變電站綜合自動化程度不斷提高，由電氣設(shè)備本身因素以及外界環(huán)境天氣等因素誘發(fā)的電力火災(zāi)事故日漸增多。電力火災(zāi)事故一旦發(fā)生，其危險性大且涉及范圍廣，因此災(zāi)害現(xiàn)場的信息獲取成為制定滅火救援計劃的前提和關(guān)鍵[1]，而變電站搜救機器人成為救援工作中不可缺少的輔助裝置[2]。

在傳統(tǒng)的救援中，當(dāng)事故發(fā)生后，消防救援人員被派到事故現(xiàn)場直接進行滅火搜救。然而變電站內(nèi)部設(shè)備眾多且情況復(fù)雜多變，消防救援人員通常不知道火災(zāi)內(nèi)部的實際狀況，在事先沒有檢測到環(huán)境信息的情況下進入變電站內(nèi)部，對救援人員來說是非常危險的。基于這種情況，變電站搜救機器人憑借自身獨有的優(yōu)勢，可以快速地投入到搜救工作中，從而為滅火營救工作帶來極大方便。

為此，在分析和研究變電站搜救機器人的應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上[3]，從軟硬件結(jié)合的角度出發(fā)，對可以搭載多種傳感器進行環(huán)境信息采集的變電站搜救機器人系統(tǒng)進行了深入研究。首先，搭建了以STC12C5A60S2芯片為控制核心的變電站搜救機器人硬件平臺；其次，通過對井下無線通信技術(shù)的選擇對比，選擇了應(yīng)用于變電站搜救機器人的Wi-Fi通信方案；然后，利用LabVIEW軟件編寫了上位機控制平臺，并分析了搜救機器人視頻采集、車體姿態(tài)3D顯示以及模擬雷達技術(shù)，開發(fā)出一種多功能變電站搜救機器人系統(tǒng)，可實現(xiàn)視頻監(jiān)控和遠程控制。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本次變電站搜救機器設(shè)計過程中，需要滿足在Wi-Fi環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸、上位機的視頻監(jiān)控顯示和遠程控制的功能[4]。整個系統(tǒng)由上位機監(jiān)控平臺、Wi-Fi無線傳輸模塊、運動控制部分、傳感器采集部分和視頻采集部分構(gòu)成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由圖1可知，傳感器采集部分負(fù)責(zé)采集：事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，如溫度、有毒氣體濃度、磁場變化、視頻信息；自身數(shù)據(jù)，如車體運行姿態(tài)、攝像頭姿態(tài)和電池電壓等。將采集到的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi無線傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控平臺，上位機監(jiān)控平臺以電腦為基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進行處理，完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和視頻監(jiān)控工作。PC上位機監(jiān)控平臺上通過Wi-Fi無線模塊發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)指令給單片機處理器，處理器根據(jù)相應(yīng)指令完成對機器人電機、舵機和車燈的控制，完成整個系統(tǒng)的遠程控制工作。

2 系統(tǒng)硬件選型與電路設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要是由控制系統(tǒng)、傳感器模塊、電源模塊、電機驅(qū)動電路、舵機和攝像頭等模塊構(gòu)成。

2.1 控制系統(tǒng)的選擇

本次設(shè)計采用STC公司的STC12C5A60S2作為主要的控制核心，該控制芯片內(nèi)部資源豐富，運算速率快且抗電磁干擾能力強。擁有8路AD，2路PWM波和2路串口。芯片容量為60 KB的ROM，1 280 B的RAM，基本可以滿足大容量程序下載，無需再接存儲芯片。其功耗較低，性價比高，適合作為本系統(tǒng)的開發(fā)平臺?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理

2.2 傳感器模塊選型

變電站搜救機器人需要在環(huán)境惡劣的火災(zāi)現(xiàn)場工作，不僅需要采集事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，而且還需采取車體運行數(shù)據(jù)回傳給上位機。因此，精度和穩(wěn)定性可作為傳感器選型的重要原則[5]。

溫度是火災(zāi)現(xiàn)場是否正常的重要參考因素，測量現(xiàn)場溫度變化，可采用的傳感器有溫度計、熱電偶和熱電阻傳感器等。溫度計測量簡潔方便，但因為不能產(chǎn)生電信號，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與報警無法實現(xiàn)。熱電阻傳感器的種類很多，應(yīng)用的領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛，但存在熱響應(yīng)慢、耐振動和耐沖擊性差、成本同比較高的缺點。通過綜合比較，本設(shè)計采用半導(dǎo)體溫度傳感器DS18B20，它具有體積小、穩(wěn)定性好、精度高和操作簡單等優(yōu)點，符合變電站搜救機器人傳感器選型要求[6]。

火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境多變、搜救路線復(fù)雜，為了防止車輛翻車，必須利用角度傳感器實時了解機器人的車身姿態(tài)。本設(shè)計采用MMA7260傳感器芯片。其優(yōu)點是體積小、靈敏度高，可以監(jiān)測X，Y，Z三軸加速度值。不同的角度其輸出的各軸電壓值不一樣，因此根據(jù)不同的電壓值可以確定車體所對應(yīng)的角度。

機器人運行期間會遇到許多障礙物，由于屬于遠程操控，攝像頭的探視角度有限。操作者不可能完全了解當(dāng)時的周圍環(huán)境，從而很好地進行避障操作。所以為了救援機器人更穩(wěn)定的運行，本設(shè)計用超聲波傳感器和舵機制作了一個避障模塊，可以180°探測小車前方障礙，并把數(shù)據(jù)傳給上位機終端，實時顯示當(dāng)前環(huán)境。本設(shè)計選用的超聲波傳感器為HC-SR04，其具有精度高、體積小和使用方便的特點。非接觸距離可以提供20～400 cm感應(yīng)范圍，測距精度達到3 cm。

機器人在現(xiàn)場運行時，操作員是無法判斷現(xiàn)場方向的，但有時必須知道具體方向才可以詳細(xì)了解火災(zāi)現(xiàn)場情況，所以有必要通過指南針傳感器加以判斷。而且變電站內(nèi)如果周圍有一些異常，會影響周圍電磁場分布，機器人探測到后反饋給上位機顯示。因此，可以在事故分析時提供一些有用的操作依據(jù)。本設(shè)計采用的是IIMC58831指南針傳感器，具有靈敏度和線性精度高的優(yōu)點。

2.3 電源模塊設(shè)計

搜救機器人在變電站內(nèi)部工作時，要靠電能來維持其正常工作。本設(shè)計相對于傳統(tǒng)的變電站搜救機器人電纜供電方式，采用電池直接供電，因此搜救機器人可以行駛更廣的范圍。本設(shè)計中為了保證機器人可以在現(xiàn)場可靠工作并且有很好的續(xù)航能力，設(shè)計了一套穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。供電方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)供電方案

根據(jù)圖3所示，為了保證救援機器人可以持續(xù)工作1 h以上，本設(shè)計選用鎳鎘電池，其輸出電壓為7.2 V，電量為2 700 mA·h，2塊電池串聯(lián)提供14.4 V電壓。

由于不同的芯片或電子元器件需要不同的電壓來驅(qū)動使能，故本設(shè)計中所涉及到的芯片或電子元器件，總共需要3種工作電壓：單片機和傳感器需要5 V的電壓環(huán)境；舵機需要6 V的電壓環(huán)境；無線Wi-Fi模塊需要的是12 V的電壓環(huán)境。

由于單片機模塊和各個傳感器模塊需要5 V電壓供電，且所用電流之和不超過1 A，所以本設(shè)計采用5 V電壓芯片LM2940。其電路原理如圖4所示。

圖4 LM2940原理

本設(shè)計中采用3個Futaba舵機，3個舵機總電流為1.5 A，所以本設(shè)計采用的電壓芯片為LM7806。其電路原理如圖5所示。

圖5 LM7806原理

路由器所用電壓為12 V、電流為1 A，根據(jù)要求及成本選用的芯片為LM7812。由于LM7812供出大電流時會發(fā)熱，所以選加散熱片進行散熱。其電路原理如圖6所示。

圖6 LM7812原理

2.4 電機驅(qū)動電路

救援機器人靠兩邊的電機帶動履帶完成前進與轉(zhuǎn)彎等動作，因此需要驅(qū)動電路對電機進行控制。本設(shè)計選用驅(qū)動芯片為BTS7960，其優(yōu)點是驅(qū)動電流大，驅(qū)動方式簡單，電路搭建方便。

使用4個BTS7960驅(qū)動芯片驅(qū)動2臺直流電機，分別為JK1和JK2。單片機P1.3和P1.4連接到BTS7960使能端，輸出可用于電機速度控制的PWM脈沖寬度調(diào)制信號。STC12C5A60S2引腳P2.5輸出5 V，引腳P2.4輸出0 V，馬達JK1正向旋轉(zhuǎn)(當(dāng)P2.5引腳輸出0 V，引腳P2.4輸出5 V，馬達JK1反向旋轉(zhuǎn))?？刂频?個電機采用同樣的辦法，單片機P2.1輸出高電平，單片機P2.3輸出低電平，電機JK2正轉(zhuǎn)(反之則反轉(zhuǎn))。BTS7960驅(qū)動模塊電路原理如圖7所示。

圖7 BTS7960驅(qū)動模塊電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是機器人智能化的體現(xiàn)[7]，系統(tǒng)軟件設(shè)計分為下位機軟件和上位機軟件2個部分。下位機軟件程序包括多個子程序：控制程序?qū)崿F(xiàn)電機調(diào)速、舵機轉(zhuǎn)動和車燈的開斷控制；傳感器采集程序完成傳感器循壞采集工作；串口通信程序控制單片機和路由通過TTL串口建立通信。上位機則采用NI公司的LabVIEW作為開發(fā)平臺。系統(tǒng)軟件主體流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件的構(gòu)成

3.1 無線路由模塊

路由作為整個系統(tǒng)的通信樞紐，本設(shè)計中使用的無線Wi-Fi通信模塊由路由器DB120-WG改造而來。該路由性能穩(wěn)定、傳輸范圍廣且支持OpenWrt[8]。OpenWrt是一個基于Linux的開源路由固件[9]，提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)和軟件包管理。為了滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求，對路由進行固件升級，刷新ser2net和MJPG-Streamer固件。ser2net可以將Wi-Fi模塊所接收到的來自上位機的控制數(shù)據(jù)，由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)傳至單片機，進而實現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。MJPG-Streamer固件可以通過HTTP的形式訪問Linux系統(tǒng)，從而可以使攝像頭采集的視頻信息通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示。

3.2 上位機監(jiān)控設(shè)計

系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件[10]采用LabVIEW作為開發(fā)平臺。與傳統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，如VB和C語言使用英文字母編寫代碼相比，LabVIEW使用的是易于理解的圖形化的開發(fā)語言，使用靈活、工作效率高。本系統(tǒng)上位機設(shè)計界面如圖9所示。

圖9 上位機監(jiān)控主界面

根據(jù)圖9可知，主界面包括視頻顯示區(qū)域、車速顯示面板、3D車體姿態(tài)顯示區(qū)域、避障雷達顯示模塊、傳感器數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和控制按鍵區(qū)域。

視頻顯示區(qū)域位于界面正中央，用于實時顯示攝像頭監(jiān)控的現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)。

傳感器數(shù)據(jù)顯示區(qū)域位于界面的左上方，以圖形的方式顯示經(jīng)過換算后的溫度、有毒氣體濃度和電壓值。通過對溫度、有毒氣體濃度和電壓值上限及下限的設(shè)計，在超出指定范圍時，單片機會發(fā)出警報，并且指示燈會閃爍。

3D車體姿態(tài)顯示區(qū)域位于界面左下方，用于顯示車體的實時姿態(tài)，整個3D圖片先用SoildWorks軟件進行繪制生成vhrl文件[11]，然后直接用LabVIEW調(diào)用。

避障雷達顯示模塊位于界面右上方，用于顯示障礙物位置。本設(shè)計運用超聲波傳感器和舵機模擬雷達探測器的功能。單片機接收超聲波數(shù)據(jù)，然后通過串口把角度和超聲波數(shù)據(jù)傳給電腦終端。在電腦終端上直接調(diào)用相位圖顯示，用綠色圓點代表障礙物，從而達到機器人避障作用。

車速顯示面板位于界面右下方，用于顯示機器人實時車速。

控制按鍵區(qū)位于界面正下方，通過按鍵可以調(diào)整舵機轉(zhuǎn)動角度、啟動視頻的錄制和保存圖片。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)開發(fā)完成后，為了驗證機器人的整體設(shè)計性能，通過對軟硬件性能指標(biāo)進行全方位檢測與調(diào)試。各性能評價指標(biāo)值如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)值

機器人實物樣機如圖10所示。經(jīng)過多次測試實驗，并結(jié)合表1和圖10可知：系統(tǒng)采用全金屬履帶式底盤和2個直流電機驅(qū)動，移動性能穩(wěn)定、操控靈敏、移動速度快、移動范圍廣且適應(yīng)多種地形；采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，視頻像素高、回傳信號清晰且響應(yīng)速度較快；滿足搜救機器人視頻監(jiān)控和遠程控制的需求。

圖10 機器人實物樣機

5 結(jié)束語

從軟硬件結(jié)合的角度出發(fā)，設(shè)計了一種多功能變電站搜救機器人，選擇性價比高、性能穩(wěn)定的STC12C5A60S2單片機作為主控制器搭建硬件平臺，選擇無線Wi-Fi技術(shù)作為通信方案，利用LabVIEW制作了上位機監(jiān)控平臺。系統(tǒng)完成后經(jīng)過測試表明，本設(shè)計既可以實時獲取攝像頭監(jiān)控圖像、顯示各個傳感器采集的參數(shù)，也可以對機器人進行遠程控制。

與傳統(tǒng)的搜救機器人相比，本文設(shè)計的變電站搜救機器人結(jié)合了多傳感器信息融合技術(shù)、無線通信技術(shù)和上位機技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、智能化程度高且性能穩(wěn)定可靠，為變電站事故災(zāi)后救援工作提供了一種快速有效的輔助手段。