配電室內組合軌跡智能巡檢機器人的結構設計與應用

孟慧霞

（山西焦煤霍州煤電集團有限責任公司公共事業服務分公司， 山西 臨汾 041000）

引言

運維人員定期對配電室電氣設備、消防設施、安全用具、環境等進行專業性巡視檢查，以確認相關設備設施是否運行正常，是否存在缺陷及安全隱患。多數配電室還是傳統的人工值守、人工巡檢和手工記錄模式，面臨諸多挑戰，如頻次高（每天、每班、定時等），巡檢、抄表工作量大；巡檢質量難保證，只看表面，無法透視設備運行情況，巡檢人員的經驗和責任心對巡檢質量影響很大，巡檢過程難以監控；全靠手工記錄，無法核實有無巡檢、巡檢內容是否全面等，少巡檢、不巡檢、漏巡檢、編數據是常態；巡檢記錄難利用，手工記錄，數據只抄不用，無法通過數據識別和發現設備異常情況。針對以上問題，采用室內巡檢機器人可以克服以上問題，室內巡檢機器人可以實現三個方向的運動（X、Y、Z）。機器人可以完成配電室內設備的全方位檢查，可以提高檢測覆蓋率、準確性和電網的智能化水平。

1 總體結構及主要技術參數

1.1 總體結構

該機器人系統由履帶機器人和后臺監控組件組成[1]，所述機器人包括組合軌道驅動系統、檢測系統和機體，如圖1 所示。該機器人采用滑動接觸線和電力線載波通信技術[2]，可實現24 h 連續工作，滿足部分配電室內禁止無線通信的要求。組合軌道驅動系統包括兩個固定軌道（X 軸）、一個移動軌道（Y 軸）和同步軸。其中X 軸和Y 軸為獨立的直線驅動單元。Y 軸和同步軸固定在一起，以增加剛度。機器人固定在Y軸滑動裝置上，同步軸固定在X 軸滑動裝置上。X 軸通過固定托架安裝在天花板或室內梁上。

圖1 室內巡檢機器人安裝示意圖

1.2 工作原理

X 軸驅動電機的功率從減速器傳到傳動帶，再傳到X 軸滑動裝置，從而Y 軸可以沿X 軸運行。同樣，Y軸驅動電機的功率從減速器傳到傳動帶，再傳到Y 軸滑動裝置，從而Z 軸可以沿Y 軸運行。Z 軸分別在X軸和Y 軸運動結束后開始運動。結合X 軸、Y 軸和Z軸的運動，機器人可以在整個空間內移動，到達房間的每個角落。

1.3 主要技術參數

主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

1.4 控制系統設計

為了實現實時反饋和精確控制，設計了基于PC機和PLC 的控制方案，PLC 與PC 機之間采用串行通信。PC 機是上位機，其主要功能是監控數據存儲、發出控制指令、故障顯示和報警。PLC 是下位機，其主要功能是完成信號采集和運動控制?？刂葡到y結構如圖2 所示。通過PLC 控制X 軸、Y 軸前后移動，接收到GPS 設備提供的Y 軸、Z 軸和檢測設備的姿態信息，并據此作出控制指令。因此，機器人可以實現自主導航和定位，定位是通過激光傳感器實現的。

圖2 控制系統結構

2 運動規劃

為了使機器人實現精確對接并在組合軌道上平穩運行，提出了一種組合線性規劃算法，原理如圖3所示。

圖3 坐標系和運行軌跡圖

圖3 中，P0（X0，Y0）為初始點；Pf（Xf，Yf）為最終目的地；Pv為速度；Ta為加速時間；Tc為插補周期；T 為運行時間。圖3 坐標系及運行軌跡圖基本參數的確定及插補點的求解如下[3]：實際距離Pd=|P0Pf|；加減速區段所需距離Cd=PvTa/2。將Pd與Cd進行比較，如果Pd≤Cd，那么實際速度，否則Cv=Pv。

加速步長Sa可通過加速時間Ta和插值時間Tc獲得。

空間線性參數方程由P0（X0，Y0）和Pf（Xf，Yf）得到，如下:

式中：K 為比例因子，0≤K≤1。

Csd（i）是從插值點Pi（Xi，Yi）到P0的距離，Csd（i）=其中i 為每個插值點的步數，介于0 和T/Tc之間。K 的計算公式如下：

式中：Sd（n）為第一個n 插值段的移動距離，n=1…i.Csd（i）為從Pi到P0的距離；Csd（i-1）為從Pi-1到P0的距離；Csd（i）=為第一個i 插值段的移動距離。

由上述公式可以得到插值點的笛卡爾坐標。當機器人處于加速運動段時，Sd（i）如下：

當機器人處于勻速運動段時，Sd（i）如下：

當機器人處于減速運動段時，Sd（i）如下：

式 中：Scv（m）為 減 速 段 前m 個 插 補 點 的 速 度，Scv（m）=Cv+mTca；a 為減速段加速度為前一個i-1 插值點之后的剩余距離，Ld（i）=Pd-CSd（i-1）。

3 測試和現場應用

3.1 聯合行走試驗

試驗數據見表2。

表2 試驗數據

通過初始點、終點、運動速度、加減速時間、插補周期和運行時間得到插補步長，驗證了組合算法的正確性和軌跡的平滑性。

3.2 識別率測試

該機器人在用電高峰期間，每天設置兩次檢查任務。遠程監控平臺安裝在配電室房內，共有4 265 個設備監測點和一個巡邏任務大約需要3 h。三個測試點的識別率如表3 所示，識別率大于99.8%，大于3σ 標準。

表3 識別率

3.3 現場應用

現場作業持續3 個月，機器人可以實現自動化識別和分析LED 狀態、相關儀表讀數（模擬和數字顯示）和保護板位置。故障數據庫和歷史數據庫存儲在后臺主機中，從后臺主機可實時分析故障類別和歷史數據庫。聲光自動報警也可以在后臺實現，如圖4 所示。

圖4 背景檢測

運行結果表明，該機器人在運動控制、定位精度、可靠性、機械性能、通信性能和安全性等性能方面已經達到了預期的設計目標。因此，該機器人適用于室內的設備檢測，可以完成檢查工作，替代檢驗人員。

4 結論

1）針對室內檢測存在的問題，提出了一種智能檢測機器人，介紹了該系統的主要工作原理、技術參數、控制系統。

2）本文提出了一種組合線性規劃算法，并進行了樣機試驗，驗證了組合算法的正確性和軌跡的平滑性。

3）該機器人已在一個水冷配電室投入使用。現場應用表明，識別效果良好，總有效率大于99.8%，大于3σ 標準?？梢源娌僮魅藛T，降低勞動強度。