變電檢修智能機器人設計與實現

劉 乾 李生杰 郭子陽 佘曉陽

（國網江蘇省電力有限公司淮安市洪澤區供電分公司）

0 引言

隨著社會經濟的發展，以及工業生產規模的不斷擴大化，對于電力供應的安全性、可靠性、穩定性提出了更高的要求。變電站作為電力系統中的核心基礎設施，是為工業生產和日常生活傳輸電力的重要環節［1］。大多數變電站處于露天環境，其工作穩定性在很大程度上受到環境影響［2］［3］。因此為了保證供電的安全性、穩定性、可靠性，需要對變電站進行定期的檢修和維護，本文基于AGV平臺設計了一種變電站室內檢修機器人［4］。該機器人的設計重點在于運動控制、尋跡功能、避障功能的實現。經過仿真驗證，機器人的功能完全滿足設計要求［5］［6］。本文的研究對于提升配電網系統工作能效，推動電力系統自動化和智能化具有重要意義［7］。

1 檢修機器人虛擬樣機

變電檢修機器人采用四輪驅動結構，根據導航命令在變電站室內地面走行，輔助或替代人工完成作業工具的搭載［8］［9］。其結構包括了驅動部分和運載部分兩個主要環節，驅動部分由鋰電池提供電能，鋰電池實現化學能到電能的變換從而驅動直流電機轉動，再通過傳動機構驅動車輪轉動，進而實現走行，鋰電池組配置在機器人車體的內部前后兩端；運載部分的頂端配置了工具放置區，用于存放被運送的工具［10］。機器人車體內部設計為上下兩層，下層安裝直流電機和車輪，上層安裝控制系統，車體的前壁和后壁都配置了傳感器，用于感應障礙物和地面導向線，同時感應充電設備的位置，車體的前后端都配置了控制面板，技術人員可以通過控制面板設定機器人的走行路線［11］［12］。

2 檢修機器人控制系統設計

2.1 控制系統總體架構

針對于變電檢修機器人的核心使用需求，采用基于單片機為主控芯片的控制系統，在輔助添加自主尋跡和自主避障模塊。變電檢修機器人的動力部分，其小車在機械機構上采用的四輪驅動方式，驅動輪由四臺直流電機提供動力，由單片機實現對直流電機的控制，這樣就能夠實現對變電檢修機器人的控制。單片機由于驅動功率的限制無法直接對直流電機進行控制，因此需要通過專門的電機驅動芯片來對電機進行驅動控制，這樣就是間接控制直流電機。檢修機器人控制系統架構如圖1所示。

圖1 檢修機器人控制系統架構

如圖1所示，其中的核心部件單片機采用51系列的單片機，該芯片運算速度快、外部設備豐富、功耗低，非常適用于直流電機的控制。其中晶振電路的作用是通過震蕩產生脈沖信號，為單片機的工作提供時鐘；復位電路用于給單片機提供復位信號，保證其能夠重新啟動，完成初始化重新開始工作；5V電源模塊的作用是為單片機提供工作電源；LCD顯示器的作用是能夠實輸出一些數據，顯示檢修機器人的工作狀態；超聲波傳感器和紅外傳感器是用于對機器人工作環境中的障礙物進行檢測，將障礙物的相關數據反饋給單片機，由單片機進行運算，以判斷下一步需要進行的動作；由于直流電機本身的驅動功率較大，無法由單片機輸出的信號直接來驅動，因此需要配置驅動芯片，由單片機向驅動芯片下發驅動信號，再由驅動芯片實現直流電機電壓的調節，從而實現對直流電機的控制，間接實現了對檢修機器人的控制。此外，還設置了報警功能，但變電檢修機器人的工作出現異常時，會自主向外界發出報警信號，告知變電檢修機器人處于故障狀態。

2.2 尋跡功能實現

變電檢修機器人尋跡功能的基本前提是能夠正常走行，通過軟件的相關設置，能夠讓變電檢修機器人按照預先設定好的線路進行走行，為了實現尋跡功能，必須要采用紅外光電傳感器。通過對紅外光電傳感器的工作原理和工作特性進行深入研究，紅外光電傳感器能夠很好的匹配本文的設計需求，能夠很好的實現變電檢修機器人的尋跡走行。

2.3 避障功能實現

檢修機器人的避障功能是指當機器人走行方向上遇到障礙物的時候，能夠自主對障礙物進行辨識，對障礙物的具體位置進行測算，并執行相應躲避動作。通過兩種方法能夠實現避障功能，一種是采用現有的紅外光電傳感器，另一種是采用超聲波模塊。

檢修機器人進行避障的前提是需要對障礙物進行辨識，需要由檢修機器人發出信號，信號遇到障礙物后會反射回來，這樣檢修機器人就能夠接收到反射回來的信號來實現對檢修機器人與障礙物之間的距離測量。再由單片機經過運算輸出相應的控制信號完成避障動作。所以說避障的重點就在于檢修機器人與障礙物之間距離的快速、準確測量。準確地測量能夠保證檢修機器人能夠準確辨識障礙物的具體位置；由于檢修機器人本身存在一定的行駛速度，單片機的運算以及控制信號的輸出需要一定的時間，檢修機器人收到避障指令后也需要經過一定的響應時間來變換運動狀態。因此，測距模塊也需要保證準確性和快速性的平衡。

為了實現檢修機器人的自主避障功能，這里給出了運動數學模型，并推導了數學方程，其運動學方程如式（1）所示：

2.4 運動狀態分析

當檢修機器人處于不同的電力環境中時，其運動狀態也會有所不同。由于電力環境強電場、強磁場耦合的復雜環境，檢修機器人會結合檢測到的障礙物以及其他外部干擾作出因素進行相關性相應，呈現出四種運行狀態，即前進、停止、后退、轉向。首先需要對檢修機器人的運行狀態進行辨識，再根據運用需求對不同狀態下的機器人進行預設定。檢修機器人的停止狀態可以細分為兩種，一是位于起始點和終到點的運動狀態，其停止目的是裝貨和卸貨；二是在走行過程中由于遇到障礙物不能夠直接通過，需要先停止再進行轉彎避障。

檢修機器人的前進狀態是正常行駛狀態，通過速度反饋進行控制，設定有速度目標值，通過不斷調節保證檢修機器人的走行速度達到穩定狀態。檢修機器人的后退狀態是指遇到障礙物時，與停止狀態和轉彎狀態相配合完成避障動作。轉彎狀態是檢修機器人最重要的狀態，需要根據障礙物所處的狀態進行分析從而進行不同方向的避障動作，在遇到障礙物時，檢修機器人可以根據預設定的程序進行左轉或右轉，完成避障動作。

3 仿真測試

對本文所研究的變電檢修機器人在實驗室環境中進行測試，其預先設定的好的走行路線如圖2所示，記錄下全部的位置數據并顯示出來，分析器運動控制程序的性能優劣。如圖3所示為變電檢修機器人的試驗中的全部走行路線。如圖4所示為變電檢修機器人在試驗中的局部實際走行路線圖。

圖2 變電檢修機器人預定走行線路圖

圖3 變電檢修機器人實測走行路線圖

圖4 變電檢修機器人局部局部實際走行線路圖

綜上分析可知，該變電檢修機器人能夠準確地到達預先設定好的位置，并開展工作，其運動過程中的位置誤差通常較小不超過2cm，角度誤差也較小不超過0.05rаd，當變電檢修機器人完成任務，即將離開作業并移動到下一個作業的時候，有時位置誤差偶爾超過2cm且角度誤差超過0.1rаd，這是由于變電檢修機器人在加速或減速時，其自重引起的慣性因素所產生的影響。在所有的測試項目中，變電檢修機器人沒有碰撞任何障礙物或偏離設定的走行路線。結果表明，該變電檢修機器人能夠是滿足不同場合的變電檢修作業且滿足實際工況需求。

4 結束語

隨著國家大規模推進智能電網建設，與其相匹配的變電檢修也需要緊跟著進行智能化推進，不斷提升其檢修水平和檢修效率。本文專門設計了一種新型的變電檢修機器人，從檢修機器人虛擬樣機、控制系統架構、檢修機器人功能實現等幾個方面展開了深入研究。經過實驗室環境下的仿真功能驗證，該變電檢修機器人功能上完全滿足設計要求，可以進行大規模的推廣應用，具有一定的實用價值和經濟價值。