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1、变电站巡检机器人总体设计方案目录1、需求分析11.1 项目背景11.2 项目需求及关键技术点22、智能巡检机器人总体设计32.1 设计原则32.2 系统总体架构33、实现方案及关键技术63.1 整体设计63.2 底盘结构设计63.3自主导航及定位系统设计83.3.1以磁传感器+双编码器+RFID的多传感器融合的全场定位方式83.3.2机器人运动控制及路径规划103.3.3相关传感器及参数103.4基于激光雷达的巡检机器人避障及安全保护措施143.4.1基于激光雷达的障碍检测143.4.2脱离轨迹修正措施143.5能源智能管理系统153.5.1能源管理模块153.5.2可充电电池选择163.5.
2、3自动充电系统设计（自动充电器、自动充电结构设计）183.6电气控制与通信系统设计183.6.1嵌入式主控板193.6.2直流电机伺服控制器193.6.3直流伺服电机203.6.4串口-LAN通信接口转换器213.7多系统融合的设备监测平台213.8 可靠性设计213.9巡检机器人主要功能及技术参数汇总223.9.1巡检机器人组成223.9.2巡检机器人机械结构223.9.2巡检机器人导航与电气控制模块223.9.3巡检机器人软件系统233.9.4变电站巡检系统控制中心主要功能233.9.5巡检机器人自动充电系统231、需求分析1.1 项目背景变电站是电力供电与传输系统的枢纽,其安全与稳定运行
3、关系到国民生产与生活能否正常运 行。变电站设备巡检是有效保证变电站设备安全运行、提高供电可靠性的一项基础工作，主要分 为例行巡检和特殊巡检。例行巡检每天至少2次；特殊巡检一般在高温天气、大负荷运行、新投 入设备运行前以及大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨后进行。此外，检修人员还通过手持红外热像 仪，一般每半个月一次对变电站设备进行红外测温。现有巡检方式主要为人工巡视，手工或手持 掌上电脑记录，每次巡视时间在2 小时以上。中国地域辽阔，有很多变电站的地理条件十分恶劣， 如高海拔、酷热、极寒、大风、沙尘、多雨等，只靠人工在室外进行长时间的设备巡检工作十分 困难。人工巡检存在劳动强度大、工作效率低、检测质
4、量分散、管理成本高等明显不足，检测质 量与巡检人员的责任心密切相关，人为疏忽很容易导致漏检、误检，为重大电力事故埋下隐患。随着机器人技术的快速发展，将机器人技术与电力应用相结合，基于室外机器人移动平台， 携带检测设备代替人工进行设备巡检成为可能。机器人携带可见光摄像机和红外热像仪等传感 器，对变电站检测点的温度、液位、外观等状态进行检测，检测数据通过无线网络传输到检测中 心，从而做到及时发现、预防变电站供电故障，也大大降低检测人员劳动强度，提高变电站供电 安全。变电站巡检机器人主要完成以下主要功能：1）机器人导航、定位；2）检测设备承载云台的控制；3）检测点的对准；4）能源管理，自动补充电能；
5、5）检测图像与数据的传输；6）检测数据分析、图像识别；7）异常情况的报警。1.2 项目需求及关键技术点变电站巡检机器人系统包括如下几个子系统：1）建立一套变电站智能机器人巡检系统建立一套由巡检机器人、总控中心组成的巡检系统，针对一般的110KV变电站，巡检机器人 通过自主导航，运行并定位到不同地点，利用机载可见光CCD摄像头和红外热成像仪对电气设备 进行普通和红外测温巡视，将所获图像和信号传回总控中心。2）建立多系统融合的监控平台巡检机器人可以搭建不同的检测系统或装置，比如：远程在线红外热成像仪系统、可见光图 像采集处理系统、声音采集处理系统和移动物体闯入报警系统等。该系统需对各种信号进行采集
6、、 处理与综合判断。由以上需求确定的系统的关键技术点如下：可靠的机器人自主导航与定位技术；机器人避障与自我保护技术； 安全可靠的电池、智能能源管理与高效安全的充电技术； 检测图像、信号无线传输技术； 智能机器人远程遥控技术； 多信息融合与处理技术； 检测图像、信号分析与模式识别技术； 多检测设备通用搭载结构。以上关键技术是变电站智能巡检机器人系统的重点与难点，整机系统可靠性更是本系统的重 点。2、智能巡检机器人总体设计2.1 设计原则变电站巡检机器人工作于室外，必须自主运行，处于高电压或许有强电磁干扰，工作状态稳 定可靠，根据以上特点，在研发和设计变电站巡检机器人时，需遵循如下原则：1）尽可能
7、减少机器人运行对变电站场地条件的依赖和要求，尤其要减少机器人运行环境改造 的工程量；2）所有部件必须选择工业级甚至是军级，从而保证整机系统的高可靠性；3）机载设备安装与卸载方便可靠；4）操作界面人性化，简单可靠；5）部件更换与维护方便。2.2 系统总体架构根据用户需求和变电站巡检工作实际，给出图 2-1 所示的变电站巡检机器人系统总体结构图。 该结构图包括移动机器人（基于无线网络）、接口通信层、功能服务层和应用层。移动机器人要 求建立一套变电站智能机器人巡检系统，功能服务层和应用层要求建立多系统融合的监控平台所 要求的全部功能。下面对总体结构各层做简要介绍:移动巡检机器人（基于无线网络） 移动
8、巡检机器人是本系统的核心，是完成变电站自动巡检的执行体，其室外工作环境和全自 主运行对机器人的可靠性和智能化提出更高要求，可靠性和智能化是移动巡检机器人设计的重 点。根据需求，该机器人主要包括如下模块：1） 嵌入式主控模块：该模块采用研华工业级嵌入式控制模块，详细设计见3.3。2） 车载蓄电池及充电模块：车载蓄电池选用中航磷酸铁锂电池，是一种无爆炸、高安全、 寿命长的动力电池，已广泛应用在电动公交车和高档电动自行车；充电模块选用中航锂 电的基于DMS的智能充电器，24V40安时充电时间约30分钟左右。3）导航定位模块：该模块是本机器人系统的关键部件，详细设计见3.3。4）安全防护模块：通过在机
9、器人上安装各种传感器，检测机器人工作环境与巡检路径状况, 保证机器人本身和变电站设备的安全。5）运动控制系统与两轮差速驱动系统：机器人底盘拟采用两轮差速底盘，电机采用瑞士 MAXO N高性能直流电机，驱动器采用以色列高性能直流电机智能驱动器，详细设计见3.1。6）云台控制模块：通过云台控制以调整双视摄像机的角度。7）红外热像仪、可见光摄像机及其它车载传感器：红外热像仪、可见光摄像机通过自身的 网络接口向控制中心传输数据，其它车载传感器需经嵌入式主控模块向控制中心传输检 测数据。图1变电站巡检机器人总体框图接口通信层该层主要是指无线网络设备，实现巡检机器人与控制中心的交互，主要包括：巡检机器人检
10、 测图像、数据、机器人自身状态以及控制中心对机器人的遥控指令。功能服务层该层主要围绕变电站巡检业务提供一些基本功能服务，为应用层提供支撑，主要包括：巡检 模式配置、巡检任务处理、巡检数据处理、巡检数据检索、报警事项设置、日志服务及变电站地 图管理。应用层根据变电站巡检业务需要提供各种应用于操作，应用层功能可配置，主要包括：巡检视频显 示、变电站电子地图显示、巡检机器人遥控操作、巡检任务查看、巡检日志查看、巡检数据分析、 监测数据趋势图、用户报表。3、实现方案及关键技术3.1整体设计根据变电站巡检环境与巡检任务要求，变电站巡检机器人主要包括：底盘驱动系统、机器人 巡航定位模块、自动充电模块、嵌入
11、式主控及扩展模块、无线通信模块、电源充电与管理模块、 双视系统云台、机器人安全保障系统。3.2底盘结构设计变电站内路面为水泥地，机器人行进的速度为0.4lm/s。根据巡检机器人的工作环境及机动 性需求，拟采用两轮差速驱动底盘，它是四轮支撑，其中两个驱动轮，两个万向轮；通过两驱动 轮轮差速实现转弯，底盘悬挂支撑；该底盘具有如下优点：（1）驱动轮采用汽车橡胶轮。具有耐磨、耐冲击，寿命长，越障能力强；（2）驱动电机少，控制简单，可靠，减少耗能，降低成本；（3）转弯半径小，机器人灵活性强。（4）四轮采用悬挂支撑，能缓冲吸振。减少机器人机械松动，零件疲劳，电子 元器件松动接触不良等故障，延长机器人的维修
12、周期；同时避免机器人上云台震 动过大过剧烈，保证捕获的视频稳定清晰。驱动轮驱动轮采用台湾得胜风硬轮，10寸风硬轮（实心轮胎）承受最大负载高，适用于水泥路面或凹凸不平等复杂地面，所配得胜风硬轮（实心轮胎），采用优质 橡胶制成，荷重高，耐磨耐冲击防穿刺、免充气等优点。实心轮胎（风硬轮）具 有免充气、防穿剌、载重高的优点，适合安装后难拆卸的台车或设备下面。图2驱动轮轮胎规格350-4，配置6203规格轴承，轴承内径17mm轮胎直径： 胎面宽度： 轮组净重： 单轮承载：250mm（10 英寸）77mm4.4kg280kg万象轮本方案中机器人从动万向轮选用聚氨酯轮，能够满足要求。并配有防尘帽、密封圈、和
13、防缠绕盖能够保持脚轮转动部位的清洁。采用底板型稳定性好图3万向轮几何参数图4万向轮实物图http:/ =20424164144承载:145kg；支架表面处理：镀锌;3.3自主导航及定位系统设计3.3.1以磁传感器+双编码器+RFID的多传感器融合的全场定位方式变电站巡检机器人的导航目前主要有以下几种方式： 巡线方式：在地面划线，采用光电传感器、摄像头等传感器检测划线，使机器人循线运行， 机器人完全依赖地面划线，一旦划线有缺损或被遮挡，机器人将无法正常运行，可靠性大幅 度降低，维护工作量很大； 电磁感应巡线方式：在变电站地面埋设磁钉或通电线圈，采用磁感应传感器或霍尔传感器检 测埋设的磁钉或通电线
14、圈，使机器人沿着埋设的了磁钉或通电线圈的路径运行。该种方式循 线稳定可靠； 轨道方式：在变电站地面铺设轨道，让机器人像火车一样沿着轨道运行。该种方式机器人运 行稳定可靠，但存在现场施工工作量较大，巡检路径一旦发生变化，需重新施工铺设轨道， 成本较高；全场定位方式：该种方式采用高精度正交编码器、高精度陀螺仪、激光传感器、超声传感器、 激光雷达等传感器，实时检测机器人的运动轨迹，通过伺服控制系统实时调整，使机器人沿 着既定路径运行。该种方式机器人运行稳定可靠，现场施工工作量很小，巡检路径一旦发生 变化，只需修改机器人的目标路径，几乎没有维护成本。结合巡检机器人工作环境，拟采用以磁传感器+双编码器+
15、RFID的多传感器融合的全场定位方 式，其工作原理如图5、图6所示。图5 RFID标签及横磁条埋设方法67 a93图6多传感器融合全场定位的系统连接图;其中：1、BFID标签，2、横碰条，3、路径，4、机器人，6、工控机，7、运动控制器，8、电机编码器，9、导航磁传感器组，ll、RFID阅读器、12、定位触碰传感器。如图2所示，在机器人4运行路径3上的转弯等特殊位置预先埋设RFID标签l,用来校验机器人的全场定位 坐标。在每一段路径内铺设横磁条2作为机器人前进方向坐标的修正点，每个定位点通过其在该段路径内的物 理位置进行标识。每一段路径3的信息和坐标的修正点的信息预先存储在工控机6中。如图3所示，工控机6负责机器人4运行路径3相关信息的存储，并向运动控制器7下发运动命令；运动控制 器7控制机器人4运动，同时通过电机编码器8采集机器人4速度和位置信息，计算机器人4的全场坐标；
