油浸式變壓器仿生式內檢機器人系統設計

朱太云， 柏祖軍， 張世武， 陳忠， 胡迪

（國網安徽省電力有限公司 電力科學研究院，合肥230601；2.中國科學技術大學，合肥230031）

0 引言

大型油浸式變壓器作為保證電網正常運行的核心設備，其安全、可靠、經濟運行與社會經濟、居民生活密切相關。大型油浸式變壓器發生故障時需要及時查找故障原因，確認設備內部狀態[1]。目前這種檢查大部分仍通過吊罩或專業人員通過變壓器上預留的人孔進入變壓器內部的方式進行。檢查前需要將變壓器內部的變壓器油排空，不僅停電時間久，耗費大量人力，而且可能造成變壓器內部污染，為變壓器安全運行帶來二次隱患。因此尋求一種能夠在不放油或少放油的情況下，系統開展油浸式主變壓器內部狀態檢查的方法具有重要意義。

本文提出一種仿生式變壓器內檢機器人設計方案，利用仿生驅動技術、中繼式通信技術、小空間定位技術設計了仿生式變壓器內檢機器人來完成油浸式變壓器內部的故障檢測任務。

1 系統總體功能概述

油浸式變壓器主要由鐵制外殼、變壓器繞組及充滿變壓器腔體的變壓器油組成[2]。在油浸式變壓器發生故障時通常做法是排空變壓器油，人工進入變壓器內部通過繞組與外殼之間的間隙對繞組進行觀測，找出故障位置。現希望使用檢測機器人來完成這一故障檢測過程，提高油浸式變壓器故障檢測的效率。為了實現仿生內檢機器人系統完成變壓器故障檢測及數據傳輸的功能，需要設計出內檢機器人結構、中繼通信系統及定位系統。

仿生內檢機器人內部設計有一套主控系統，工作時接受外部信號控制仿生內檢機器人在油浸式變壓器內部運動，通過攜帶的攝像頭對變壓器繞組拍攝視頻進行故障檢測；通信系統實現仿生內檢機器人和外部終端之間的信息交換，由于變壓器鐵制外殼對電磁波有著極強的屏蔽作用，常見的單級通信系統很難滿足檢測要求，需要設計一種中繼式通信系統用于傳輸故障檢測視頻信號及控制信號；檢測機器人在油浸式變壓器內部工作時無法直觀地獲取位置信息，需要設計出定位系統實時反饋檢測機器人的位置坐標，供外部操作人員參考，本文使用UWB定位系統來完成仿生內檢機器人在變壓器內部的定位功能。最終完成油浸式變壓器故障檢測功能。

系統現階段已實現：仿生內檢機器人結構及控制系統的設計，仿生內檢機器人可以在接收相應控制信號后作出對應的機動動作，包括前進、后退、轉彎、上浮、下潛，同時傳出所拍攝的檢測視頻；設計了中繼式的WIFI通信系統用來傳輸檢測過程中的控制及視頻信號；實現了UWB實時定位，在仿生內檢機器人進行故障檢測過程中提供實時的位置更新。

2 仿生內檢機器人結構設計

2.1 仿生內檢機器人機械結構設計

如圖1所示，仿生內檢機器人是整個檢測系統的核心，在外部終端的實時控制下完成變壓器故障檢測任務，并且將檢測視頻信號實時傳輸到外部終端供工作人員分析診斷故障。

在大自然中，魚類具有的優秀的機動性和靈活性與其合理的流體外形具有密不可分的聯系。借鑒魚類合理的仿生外形利用仿生學設計出適合仿生內檢機器人的外殼[3]。油浸式變壓器內部繞組和殼體之間通過空間狹小，所以要求檢測機器人整體尺寸要小才能滿足檢測要求。外形除了要具有良好的流體力學性能，還要求外殼有足夠的空間來容納器件，并且能夠充分密封。從整體上看，仿生外殼分為3個部分：頭部內放置攝像頭及雙自由度仿生胸鰭；中部放置有升降機構、鋰電池及主控芯片；尾端起到密封作用及固定有雙尾鰭驅動器。

仿生內檢機器人驅動系統由雙尾鰭和兩自由度胸鰭構成。主要的推進力由雙尾鰭提供，同時改變雙尾鰭的轉動中心也能實現轉向功能；兩自由度胸鰭主要用來保持仿生內檢機器人平衡、姿態微調、小空間內轉彎，以及精確游動定位等[4]。雙尾鰭通過數字舵機驅動器固定在仿生內檢機器人尾端外殼末端，其中兩數字舵機中心面成30°夾角安裝。

為了實現垂直方向上的快速運動，在檢測機器人內部設計了一個沉浮機構。沉浮機構主體由直流電動機、螺桿及減速齒輪組構成。通過直流電動機控制螺桿上下運動來排出變壓器油的體積，可以改變內檢機器人所受浮力與重力之間的關系，實現垂直方向上的高機動性運動。同時為了避免螺桿位移過度對機械結構造成破壞，在兩端極限位置安裝有霍爾傳感器來限制其運動極限位置，當螺桿運行到極限位置時會觸發中斷信號停止當前方向的移動。

圖2 雙自由度胸鰭結構

仿生內檢機器人工作時需要沉入變壓器油中，對仿生內檢機器人需要進行嚴格的密封措施。考慮到安裝以及后期維護等問題，采用可拆裝式的凹槽內沉入橡膠圈配合凸臺壓緊形式的密封方式。比常用的橡膠圈直接密封方式的密封效果更可靠。

圖4 內檢機器人密封結構

2.2 仿生內檢機器人控制系統結構設計

仿生內檢機器人的控制系統主要完成檢測機器人的姿態控制、驅動器控制、控制信號接收與發送、控制視頻信號傳輸等功能。控制芯片選擇STM32f103RCt6處理器，該系列芯片采用標準的ARM架構，具有穩定性強、豐富的外設、杰出的功耗控制、優異的實時性能，且開發便捷等優點。

在運動過程中需要調整仿生內檢機器人的姿態，控制系統中采用IMU6050姿態傳感器來實時監控檢測機器人的姿態。控制系統接收指令并結合傳感器數據控制仿生內檢機器人運動，同時將自身位置信息發送到外部終端。主要包括：通過串口接收控制數據，解析控制指令，讀取各個傳感器信息，綜合判斷運動方向，驅動仿生驅動器運動，返回機器人自身位置數據。

圖5 主控系統結構框圖

3 中繼通信系統設計

仿生內檢機器人在進行檢測作業時，需要接收指令完成相應的運動動作并且將拍攝的檢測視頻傳輸到外部顯示終端上。油浸式變壓器內部空間狹小，采用拖線式信息傳輸方式容易造成檢測范圍過小及發生纏繞等一系列問題，在變壓器油中無線信號可以傳輸，但變壓器鐵制外殼對無線信號有一定屏蔽作用，所以采用浮標中繼式的無線通信方案能滿足變壓器故障檢測要求。

中繼通信系統選用SKW92模塊配合SI4438芯片來進行搭建。SKW92模塊是一款無線AP傳輸模塊，支持USB網絡攝像頭，在802.11n標準下傳輸速率可以達到144 Mpbs，使用SKW92模塊用于檢測視頻的傳輸。SI4438芯片是一款低功耗、高性能、傳輸距離遠的無線收發芯片，主控芯片通過IO端口連接SI4438芯片建立與中繼端之間的控制信號傳輸。SKW92模塊在主控的控制下將視頻信號發送到中繼端，中繼端對接收到的控制信號及視頻信號進行增強后發送到外部平臺。解決了單級無線信號無法透過變壓器鐵制外殼的問題，增加了無線信號的傳輸距離，擴展了仿生內檢機器人檢查范圍。

4 仿生內檢機器人定位方案設計

4.1 UWB定位原理

油浸式變壓器鐵質外殼對電磁信號有著嚴重的屏蔽作用[5]，常規的定位手段無法應用在仿生內檢機器人在油浸式變壓器內部定位上。

使用超帶寬（Ultar-Wideband，UWB）定位技術使得仿生內檢機器人在變壓器內復雜的環境下定位成為可能。UWB系統具有高傳輸速率、高多徑分辨率、強信號抗干擾能力、定位精度準確等優點[6]，可以應用于室內小空間定位跟蹤。UWB定位系統由4個已知坐標（xi,yi,zi）(i=1,2,3,4)的定位基站，以及固定在目標設備上的定位標簽組成。每個定位基站具有獨立的ID，定位標簽按照一定頻率發出脈沖，不斷與若干個定位基站之間交換脈沖信號。這里采用基于飛行時間測距法（TOF）獲得目標設備和各個定位基站之間的距離[7]。定位標簽在TA1時刻對定位基站發送脈沖信號，定位基站接受到信號后在經過TBσ固定時間處理后發送返回脈沖信號，定位標簽在TA2時刻收到返回的脈沖信號。

圖7 TOF示意圖

可得脈沖信號傳播時間的計算公式為

圖8 UWB定位示意圖

則目標設備距離該定位基站的距離為D=C·Tf，其中，C為電磁波在環境介質中的傳播速度。

由此可以獲取到定位標簽與各基站之間的距離分別為D1、D2、D3、D4，計算公式分別為：

將其整理得：

將其寫成矩陣相乘的形式：

其中：

系統解出待求矩陣I即可得到定位標簽的三維位置坐標[x,y,z]。

4.2 定位系統實現

以DW1000芯片作為UWB模塊基礎構建出定位基站及標簽[8]。在檢測任務開始前將4個定位標簽固定在變壓器中已知位置坐標的固定位置，定位標簽放置在仿生內檢機器人中，通過上節所述定位流程實時地解算出仿生內檢機器人的位置坐標，將位置坐標通過中繼通信系統傳輸到外部終端，即可實現仿生內檢機器人定位功能。

5 結語

針對油浸式變壓器故障檢測這一特殊的工作條件，設計了仿生內檢機器人系統，包括內檢機器人結構、中繼通信系統及定位系統。實現了內檢機器人的遠程操控、信息中繼傳輸及位置定位功能。遠程端接收發送控制信號并控制內檢機器人運動，同時接收內檢機器人返回的檢測視頻及實時位置坐標等信息。檢修人員可根據遠程端接收到的檢測視頻判斷變壓器發生的故障類型。

下一階段計劃繼續優化鰭翼的布置方式，提高運動時的穩定性，同時使用激光雷達配合UWB進行定位來提高定位精度和實時位置更新速率。