35KV變電站巡檢機(jī)器人.doc

精品文檔35KV 變電站巡檢機(jī)器人研制摘要目前的變電站巡檢機(jī)器人多應(yīng)用于500KV 及以上的大型變電站，其巡檢機(jī)器人本體和監(jiān)控端都位于變電站內(nèi)，主要功能是代替站內(nèi)值班人員執(zhí)行每天的例行巡檢任務(wù)。而35KV 變電站規(guī)模較小，人工巡檢勞動強(qiáng)度并不大，但是其位置分散，因而值班人員需要開車或步行較長路程趕往多個變電站現(xiàn)場進(jìn)行巡檢。因此35KV變電站迫切需要一種監(jiān)控端在供電公司的巡檢機(jī)器人，使得值班人員在供電公司就可以通過遠(yuǎn)程操控來完成例行巡檢。本文以某35KV 變電站為研究對象，根據(jù)其變電站特點和無人值守化運(yùn)行的實際情況，研制了一種用于35KV 變電站的巡檢機(jī)器人。該35KV 變電站巡檢機(jī)器人的監(jiān)控端在供電公司。巡檢機(jī)器人本體位于35KV 變電站內(nèi)，并通過4G 網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)。二者采用WCF 協(xié)議框架，通過新花生殼軟件的動態(tài)域名解析服務(wù)和內(nèi)網(wǎng)穿透功能實現(xiàn)互聯(lián)阿通訊。該巡檢機(jī)器人采用磁軌導(dǎo)航方式，并通過RFID 標(biāo)簽實現(xiàn)輔助定位。其搭載高清攝像頭和紅外成像儀，能夠?qū)ψ冸娬驹O(shè)備進(jìn)行可見光拍攝和紅外熱成像拍攝。監(jiān)控端能夠控制巡檢機(jī)器人的運(yùn)動，并實時接收其回傳的視頻圖像，然后通過圖像匹配技術(shù)和OCR 文字識別技術(shù)診斷出變電站設(shè)備的外觀異常和溫度異常。另外，針對傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人充電機(jī)構(gòu)對接有偏差的不足，本文還研制了一種地插式充電裝置，采用磁軌導(dǎo)航定位和機(jī)械矯正相結(jié)合的方式提高了充電對接成功率，實現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的自動充電功能。目錄第1章 緒論第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計第3章 運(yùn)動及導(dǎo)航模塊第4章 自動充電第5章 監(jiān)控模塊第6章 散熱系統(tǒng)分析第7章 展望第一章 緒論隨著變電站的數(shù)量和規(guī)模不斷增大，人工巡檢工作變得越來越繁瑣復(fù)雜，人工巡檢的到位率、及時性都無法保證，變電站數(shù)量劇增與變電站值班員數(shù)量不足之間的矛盾日益突出。同時，人工巡檢的作業(yè)質(zhì)量有著很大的隨機(jī)性，它與作業(yè)人員的工作經(jīng)驗多少、責(zé)任心強(qiáng)弱、精神狀態(tài)和業(yè)務(wù)熟練程度等多種因素有關(guān)。人工巡檢方式存在勞動強(qiáng)度大，工作效率低，檢測質(zhì)量分散，管理成本高等明顯不足。而且在高寒地區(qū)或惡劣氣候條件下，人工巡檢存在較大安全風(fēng)險，且缺乏其他有效的巡檢手段。隨著機(jī)器人技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及智能變電站和無人值守變電站模式的推廣，機(jī)器人代替人工進(jìn)行變電站巡檢成為可能。因此變電站巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。目前國內(nèi)投入使用的巡檢機(jī)器人僅有200 余臺， 多是用于500KV 及以上等大型變電站。該類巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人移動本體和監(jiān)控端(基站)均位于變電站內(nèi)。其功能主要是代替站內(nèi)值班人員執(zhí)行每天的設(shè)備巡檢任務(wù)，從而實現(xiàn)了站內(nèi)例行巡檢工作的自動化。而35KV 變電站規(guī)模較小，一次電氣設(shè)備較少，其例行巡檢勞動強(qiáng)度相對較輕，但其數(shù)量較多，位置分散，其人工巡檢勞動強(qiáng)度主要體現(xiàn)在值班人員需要開車或步行很長路程去多個無人值守變電站現(xiàn)場進(jìn)行巡檢。因此開發(fā)一種監(jiān)控端位于供電公司的巡檢機(jī)器人取代35KV 無人值守變電站的人工例行巡檢，對于提高巡檢質(zhì)量和效率，具有十分重要的意義。從20 世紀(jì)90 年代起，日本就開始研究應(yīng)用于500KV 變電站的有軌巡檢機(jī)器人，用來代替人工測量變電站設(shè)備溫度。國內(nèi)研究變電站巡檢機(jī)器人最早的機(jī)構(gòu)為山東電科院。山東電科院在2004 年研制出第1 代樣機(jī)，之后相繼研制出從第2 代到第5 代的系列化變電站巡檢機(jī)器人。該巡檢機(jī)器人正逐步在國內(nèi)一些變電站推廣使用。目前變電站巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在移動行走、導(dǎo)航定位和設(shè)備檢測三方面。（1）移動行走方面。根據(jù)移動行走原理不同，巡檢機(jī)器人可分為軌道式、輪式和履帶式三種。（2）導(dǎo)航定位方面。軌道式巡檢機(jī)器人移動和導(dǎo)航完全依靠固定軌道，形式比較單一。而對于輪式和履帶式巡檢機(jī)器人，最常用的導(dǎo)航方式是磁軌導(dǎo)航并通過RFID 標(biāo)簽輔助定位。（3）設(shè)備檢測方面。變電站設(shè)備的檢測診斷則主要是依靠紅外成像儀、高清攝像頭和拾音器等傳感器分別對設(shè)備的溫度、外觀和噪聲等狀態(tài)進(jìn)行測量和分析。本文的主要研究工作如下:（1）通過分析變電站巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和河北省石家莊市靈壽縣的某220KV 變電站和35KV變電站的實際需求，確定該巡檢機(jī)器人的總體方案。本文將采用基于互聯(lián)網(wǎng)的通訊方案。該巡檢機(jī)器人搭載高清攝像機(jī)和紅外成像儀，采用磁軌導(dǎo)航方式，采用工控機(jī)作為核心控制器，單片機(jī)為輔助控制器，并通過互聯(lián)網(wǎng)和位于供電公司的監(jiān)控端通訊。（2）研制巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。采用PID 控制算法實現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的磁軌導(dǎo)航。PID 參數(shù)通過實驗方式整定。采用永磁式交流同步伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)，提高了機(jī)器人運(yùn)動控制的穩(wěn)定性和快速性。（3）研制巡檢機(jī)器人的電路硬件系統(tǒng)。針對變電站的強(qiáng)電磁環(huán)境，電路硬件必須采取必要的抗干擾措施。（4）設(shè)計并搭建監(jiān)控端和變電站巡檢機(jī)器人之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。變電站巡檢機(jī)器人通過4G 網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過DDNS動態(tài)域名解析服務(wù)器和固定域名建立映射。監(jiān)控端通過該固定域名實現(xiàn)對巡檢機(jī)器人的訪問。（5）研制自動充電系統(tǒng)。自動充電系統(tǒng)負(fù)責(zé)巡檢機(jī)器人的電源供給，保證其能在無人值守變電站持續(xù)工作。巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要功能(1)一鍵啟動巡檢機(jī)器人。巡檢機(jī)器人處于24 小時待機(jī)狀態(tài)。值班人員通過監(jiān)控端可以一鍵啟動巡檢機(jī)器人執(zhí)行巡檢作業(yè)。(2) 磁軌導(dǎo)航， RFID 標(biāo)簽輔助定位。當(dāng)巡檢機(jī)器人接收到啟動命令后，首先打開高清攝像頭和紅外成像儀。然后將充電插頭收縮。進(jìn)而通過磁軌導(dǎo)航的方式駛出充電室。當(dāng)檢測到RFID 標(biāo)簽時，巡檢機(jī)器人停止前進(jìn)，轉(zhuǎn)動云臺進(jìn)行可見光拍攝和紅外熱成像拍攝。(3)遠(yuǎn)程高清視頻監(jiān)控和紅外成像監(jiān)控。巡檢機(jī)器人在巡檢過程中，能夠?qū)⒏咔鍞z像頭的視頻流和紅外成像儀的視頻流實時上傳，使得運(yùn)檢人員能夠通過監(jiān)控端軟件實時觀察變電站設(shè)備。(4) 特定設(shè)備的外觀異常和溫度異常報警。通過圖像匹配技術(shù)和OCR 文字識別技術(shù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備外觀異常和溫度異常情況并及時向監(jiān)控端發(fā)送報警信號，以供運(yùn)檢人員進(jìn)行及時處理。(5) 中途臨時停止和啟動。值班人員可以控制巡檢機(jī)器人作業(yè)中的臨時停止和臨時啟動。當(dāng)臨時需要觀察某設(shè)備時，值班人員可使巡檢機(jī)器人臨時停止，同時遠(yuǎn)程控制云臺轉(zhuǎn)動，從而完成對該設(shè)備的檢查。(6) 一鍵返回功能和雨天自動返回功能。一鍵返回功能是巡檢機(jī)器人不再檢測巡檢過程中遇到的RFID 標(biāo)簽，而是直接返回充電室。另外，巡檢機(jī)器人上安裝有雨滴傳感器。當(dāng)檢測到下雨時，巡檢機(jī)器人能夠快速返回充電室。(7)自動充電功能。巡檢作業(yè)完成后，巡檢機(jī)器人能夠自動返回充電室，完成充電接頭對接，并進(jìn)行自主充電。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計為了研究變電站線路巡檢裝置，我專門到220KV 變電站和35KV變電站實習(xí)，實地了解情況。跟隨工作人員一起巡檢變電站，并記錄數(shù)據(jù)。本文所設(shè)計的35KV 變電站巡檢機(jī)器人按照硬件分類可分為巡檢機(jī)器人本體、充電室和監(jiān)控端三大部分（見圖）。其中巡檢機(jī)器人本體和充電室位于35KV 變電站內(nèi)。監(jiān)控端是位于供電公司的監(jiān)控電腦。巡檢機(jī)器人本體通過站內(nèi)無線接入點(Wireless Access Point) 連接到互聯(lián)網(wǎng)悶。供電公司的監(jiān)控電腦并非內(nèi)網(wǎng)辦公專用電腦，而是通過路由器、交換機(jī)等設(shè)備連接到公網(wǎng)(廣域互聯(lián)網(wǎng))的電腦。監(jiān)控端和巡檢機(jī)器人的互聯(lián)網(wǎng)通訊采用客戶端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。其中巡檢機(jī)器人為服務(wù)器，其通過安裝花生殼客戶端軟件而使用新花生殼的動態(tài)域名解析服務(wù)和內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)， 從而在公網(wǎng)中映射出固定域名。監(jiān)控端作為客戶端，通過該固定域名實現(xiàn)對巡檢機(jī)器人的訪問。二者的通訊采用WCF 協(xié)議框架。巡檢機(jī)器人本體以工控機(jī)為主控制器，以單片機(jī)為輔助控制器，兩者通過RS485接口相連。工控機(jī)和單片機(jī)的實物圖見圖。單片機(jī)的功能是執(zhí)行工控機(jī)的命令并實時向其上傳傳感器信號。其具體功能有以下幾個方面:（1）上傳磁軌位置信息。當(dāng)工控機(jī)請求獲取磁軌位置信息時，讀取磁傳感器信號并通過發(fā)送數(shù)據(jù)包上傳。（2）上傳下雨報警消息。當(dāng)雨滴傳感器檢測到下雨時，向工控機(jī)發(fā)送下雨報警數(shù)據(jù)包。（3）上傳按鈕動作消息。當(dāng)檢測到有按鈕被按下時，向工控機(jī)發(fā)送按鈕按下消息數(shù)據(jù)包。（4）控制指示燈狀態(tài)。當(dāng)收到工控機(jī)的指示叮亮滅命令時，執(zhí)行相應(yīng)動作。（5）充電插頭自動控制。根據(jù)工控機(jī)的命令，控制充電插頭完成收縮、半伸張和全伸張動作。工控機(jī)安裝有Windows系統(tǒng)，并通過無線網(wǎng)卡連接到互聯(lián)網(wǎng)。工控機(jī)是巡檢機(jī)器人的大腦。工控機(jī)中運(yùn)行的主控軟件實現(xiàn)了巡檢機(jī)器人本體所有的自動控制和監(jiān)控功能。工控機(jī)的具體工作主要有以下幾個方面:（1）控制云臺角度，進(jìn)而讀取紅外成像儀和高清攝像頭的視頻數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)上傳。其中工控機(jī)通過RS485 接口連接云臺，通過USB 接口連接紅外成像儀和高清攝像頭。（2）通過磁傳感器獲取磁軌位置信息并根據(jù)PID (比例-積分-微分)控制算法控制伺服電機(jī)循磁軌運(yùn)動。行進(jìn)途中如果檢測到RFID 標(biāo)簽，則停止前進(jìn)并檢測特定設(shè)備，檢測完畢后繼續(xù)前進(jìn)。工控機(jī)通過RS485 接口控制伺服電機(jī)和讀取RFID讀寫器數(shù)據(jù)。磁傳感器的信號由于是開關(guān)量，故采用單片機(jī)處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包后再發(fā)送給工控機(jī)。（3）實時接收供電公司監(jiān)控端的指令(例如 臨時停止等) ，并采取相應(yīng)的動作。（4）在巡檢作業(yè)的開始和結(jié)束時，通過控制伺服電機(jī)和單片機(jī)，完成充電插頭插座的自動脫離和自動對接動作。（5）實時接收巡檢機(jī)器人本體中按鈕消息(啟動或者停止按鈕被按下等并響應(yīng)，實時將當(dāng)前控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)通過指示燈顯示。第三章 運(yùn)動及導(dǎo)航模塊工控機(jī)通過RS485 總線和交流伺服驅(qū)動器、RFID讀寫器、單片機(jī)等相互通訊。其中，交流伺服驅(qū)動器控制的交流伺服電機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磁傳感器完成磁軌位置的反饋。工控機(jī)根據(jù)磁傳感器的反饋信息并通過PID 閉環(huán)控制算法控制兩個交流伺服電機(jī)的差動速度，從而控制巡檢機(jī)器人完成磁軌導(dǎo)航。由于工控機(jī)不能直接讀取磁傳感器的開關(guān)量信號，故使用單片機(jī)作為轉(zhuǎn)換器，即單片機(jī)讀取磁傳感器的8 位開關(guān)量信號，并通過基于RS485 總線的自擬定協(xié)議將磁軌位置信息反饋給工控機(jī)。變電站的特定設(shè)備位置通過RFID 標(biāo)簽標(biāo)定。巡檢機(jī)器人在磁軌導(dǎo)航過程中如果檢測到RFID 標(biāo)簽，通過讀取RFID 標(biāo)簽編號就可以識別特定的電氣設(shè)備。當(dāng)雨滴傳感器檢測到下雨時，巡檢機(jī)器人能夠停止當(dāng)前的巡檢任務(wù)，直接快速返回充電室。另外，監(jiān)控端軟件中的運(yùn)動控制部分可以遠(yuǎn)程遙控巡檢機(jī)器人， 向其發(fā)送啟動巡檢、臨時停止、臨時啟動、一鍵返回等運(yùn)動控制指令。3.1.1 伺服電機(jī)巡檢機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用輪式結(jié)構(gòu)。兩個相互獨立的主動輪驅(qū)動位于底盤中間位置。兩個隨動輪安裝在底盤后方。底盤兩個主動輪分別配有減速箱和伺服電機(jī)。伺服電機(jī)軸通過減速箱連接到驅(qū)動輪軸。傳統(tǒng)的巡檢機(jī)器人多采用直流電機(jī)。直流電機(jī)的調(diào)速性能好，只需采用脈寬調(diào)制的方法，通過功率放大器件即可實現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速。但是直流電機(jī)由于采用電源電壓調(diào)速方式，故其低速時輸出扭矩較小，且直流電機(jī)電刷容易磨損。而交流伺服電機(jī)內(nèi)部沒有電刷，與直流電機(jī)相比其結(jié)構(gòu)簡單，體積小而重量輕。隨著電機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動器技術(shù)越來越成熟，交流伺服電機(jī)越來越多的應(yīng)用到工業(yè)場合中。本文采用 Shenzhen Just Motion Control Electromechanics Co., Ltd.生產(chǎn)的60ASM200 系列低壓交流伺服電機(jī)作為巡檢機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)。巡檢機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎通過左右交流伺服電機(jī)的速度差實現(xiàn)。同時采用了與交流伺服電機(jī)配套的交流伺服驅(qū)動器和減速機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動器采用48V 直流供電，其內(nèi)部采用先進(jìn)的正弦波矢量控制算法，通過三相正弦PWM電壓型逆變器以變頻方式驅(qū)動交流伺服電機(jī)。該驅(qū)動器通過485 接口連接工控機(jī)，其接口為Modbus 通訊協(xié)議。交流伺服驅(qū)動器內(nèi)的速度寄存器為有符號16 位整型數(shù)。3.1.2 磁傳感器磁傳感器采用目前工業(yè)自動導(dǎo)引小車AGV(Automated Guided Vehicle) 中常用的磁導(dǎo)航傳感器。磁傳感器位于巡檢機(jī)器人底盤的前部并垂直于磁條安裝(見圖) 。其內(nèi)部均勻安裝有8 個磁敏模塊。當(dāng)磁軌位于某個磁敏模塊正下方時，該磁敏模塊則會以開漏輸出的形式輸出開關(guān)量信號。實際使用時，磁傳感器中會有1-3 個磁敏模塊同時檢測到磁軌。3.1.3 光耦隔離電路為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，磁傳感器的信號輸入到單片機(jī)時需要經(jīng)過光耦隔離電路。光耦隔離電路使得單片機(jī)的10 口和磁傳感器輸出信號完全隔離，從而避免磁傳感器的擾動干擾或者尖峰脈沖損害單片機(jī)的10 口。磁傳感器的8 位開漏輸出電路完全相同，因此圖3-3 只顯示了其中一路磁傳感器信號的光耦隔離電路。磁傳感器的開漏輸出口需要外接上拉電阻才可使用，否則無電平輸出。圖3-3中，該開漏輸出口通過2K 電阻上拉到24V 電源。常規(guī)情況下，光禍不工作，光耦輸出高電平:當(dāng)磁敏模塊檢測到磁軌時，開漏輸出口連接到GND ，光禍中的發(fā)光二極管得電工作，光糯輸出端連接到數(shù)字GND ，輸出低電平。光耦內(nèi)部通過光學(xué)耦合作用傳輸信號，其兩端的電源系統(tǒng)完全隔離，從而避免了干擾信號對單片機(jī)的損害，有效地提高系統(tǒng)抗干擾能力。3.1.4 RFID 輔助定位裝置RFID 輔助定位裝置主要由RFID標(biāo)簽和RFID 讀寫器組成。近年來， RFID 識別作為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)而受到人們的關(guān)注。RFID 識別技術(shù)穩(wěn)定使用且硬件價格較低，故本文采用RFID技術(shù)實現(xiàn)巡檢機(jī)器人的輔助定位。在磁軌上通過RFID 標(biāo)簽設(shè)置多個巡檢點，標(biāo)定多個電氣設(shè)備。3.2.1 運(yùn)動及導(dǎo)航的PID 控制35KV 巡檢機(jī)器人工作在變電站強(qiáng)磁場戶外環(huán)境，要求其運(yùn)動及導(dǎo)航模塊擁有很高的穩(wěn)定性和可靠性。因此，巡檢機(jī)器人的運(yùn)動及導(dǎo)航控制采用經(jīng)典的PID 控制算法。在工程實際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制。PID控制是應(yīng)用最廣，適應(yīng)性最強(qiáng)的控制方式。經(jīng)過多年的研究， PID 控制參數(shù)整定方法較成熟 ，具有一定的抗干擾能力。常規(guī)的PID 控制器是線性控制器，其基本模型如圖所示。3.2.1 PID 閉環(huán)控制模型巡檢機(jī)器人運(yùn)動及導(dǎo)航模塊的閉環(huán)框圖如圖3-7 所示。由于磁軌在磁傳感器正中央時，加權(quán)平均值是0 ，故該系統(tǒng)的輸入值是0 。磁傳感器的檢測值是反饋信號。偏差信號經(jīng)過PJD 控制器后，其輸出值作為左右伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入值。伺服電機(jī)速度的初始值為500 。當(dāng)偏差為0 時，左右伺服電機(jī)以相等的速度直線前進(jìn):當(dāng)存在偏差時，則左伺服電機(jī)在速度初始值的基礎(chǔ)上加上PID 控制器的輸出值u(k) ， 右伺服電機(jī)在速度初始值的基礎(chǔ)上減去PID 控制器的輸出值u(k) 。比例系數(shù)Kp 、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd三個值決定了PID 的控制效果。三個數(shù)值的整定可以通過理論計算獲得，也可以通過工程實驗獲得。增大比例系數(shù)Kp會加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但是卻不能徹底消除。比例系數(shù)的作用是實現(xiàn)PID 控制的粗略調(diào)節(jié)。在穩(wěn)定性和響應(yīng)性上起到基礎(chǔ)作用。積分系數(shù)Ki 則主要用來消除穩(wěn)態(tài)誤差。保證系統(tǒng)的響應(yīng)準(zhǔn)確性。提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 通過增加微分系數(shù)Kd可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是微分環(huán)節(jié)同時也使得系統(tǒng)對噪聲更加敏感，甚至?xí)魅跸到y(tǒng)的穩(wěn)定性，故微分環(huán)節(jié)主要用來細(xì)微調(diào)節(jié)偏差，從而保證控制系統(tǒng)的快速反應(yīng)。第4章 自動充電今后35KV 以下的變電站巡檢機(jī)器人工作在完全無人值守變電站內(nèi)，因此必須有自主充電功能才能保證其持續(xù)工作。目前常見的變電站巡檢機(jī)器人自動充電裝置多采用側(cè)邊對接方式。機(jī)器人磁軌導(dǎo)航誤差的存在使得該方式會出現(xiàn)偶然對接不成功的現(xiàn)象。針對該問題，本文設(shè)計了新的自動充電模塊。自動充電模塊的充電插頭安裝于巡檢機(jī)器人上。充電插座安裝于充電室內(nèi)。1. 充電室控制柜通過進(jìn)門處的接近開關(guān)檢測到巡檢機(jī)器人靠近進(jìn)門口時，立刻控制進(jìn)門口的電動卷簾門打開。10秒后，該電動卷簾門自動關(guān)閉。2. 進(jìn)門處同時安裝有RFID 標(biāo)簽，當(dāng)巡檢機(jī)器人檢測到該標(biāo)簽后，工控機(jī)向單片機(jī)發(fā)送充電插頭半伸張命令。單片機(jī)根據(jù)命令執(zhí)行該功作。此時，充電插頭處于半伸張狀態(tài)，并時刻準(zhǔn)備對接。3. 當(dāng)充電插頭到達(dá)充電插座正上方的位置時，充電插頭前部的限位開關(guān)正好壓在充電插座上。4. 單片機(jī)檢測到該對接反饋后，上傳工控機(jī)。工控機(jī)收到信息后向單片機(jī)發(fā)送充電插頭完全伸張指令，從而完成充電對接。進(jìn)而工控機(jī)關(guān)閉運(yùn)動與導(dǎo)航線程、關(guān)閉高清攝像機(jī)、紅外成像儀等。此時巡檢機(jī)器人進(jìn)入充電待機(jī)狀態(tài)。5. 當(dāng)其接受到啟動巡檢信息時，首先向單片機(jī)發(fā)送收起充電插頭命令。單片機(jī)收到指令后通過電機(jī)驅(qū)動控制推桿電機(jī)執(zhí)行收縮動作。6. 充電插頭收縮完成后，充電插頭插座完成分離，巡檢機(jī)器人進(jìn)而執(zhí)行完其他初始化工作(例如開啟高清攝像頭等)。7. 當(dāng)充電室控制柜通過出門處的接近開關(guān)檢測到巡檢機(jī)器人靠近出門口時，立刻控制出門口的電動卷簾門打開。10 秒后，該電動卷簾門自動關(guān)閉。電源模塊負(fù)責(zé)變電站巡檢機(jī)器人移動體的電源轉(zhuǎn)換。電源模塊設(shè)計方案的優(yōu)劣將直接影響巡檢機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性。由于巡檢機(jī)器人中交流伺服電機(jī)采用的是直流逆變?yōu)榻涣鬟M(jìn)而變頻的控速方式，交流伺服驅(qū)動器會產(chǎn)生很多的諧波干擾，該諧波干擾將直接反映到鏗電池的電源電壓上，因而會給巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)造成很多未知的干擾。而48V 轉(zhuǎn)24V 和48V 轉(zhuǎn)12V 時為了保證轉(zhuǎn)換效率，采用高頻開關(guān)電源，也會會產(chǎn)生高頻諧波干擾。所以電源模塊必須具備較強(qiáng)的降噪功能，才能滿足系統(tǒng)的要求。該電源方案采用48V 理電池供電，在轉(zhuǎn)換的輸入端和輸出端均設(shè)計有短路保護(hù)、電源濾波、浪涌保護(hù)等。電源濾波采用EMI(Electromagnetic Interference)三級濾波器(見圖) 。該濾波器采用電感電容器件組成，其具有雙向濾波作用，即抑制電源母線對開關(guān)電源輸入的干擾，同時抑制開關(guān)電源對電源母線的高頻干擾。第5章 監(jiān)控模塊監(jiān)控模塊是35KV 變電站巡檢機(jī)器人的核心功能部分。運(yùn)動及導(dǎo)航模塊實現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的站內(nèi)自動導(dǎo)航。自動充電模塊解決了巡檢機(jī)器人的電源供應(yīng)問題，保證其持續(xù)工作。而監(jiān)控模塊通過巡檢機(jī)器人搭載的高清攝像頭和紅外成像儀實現(xiàn)了變電站設(shè)備的自動巡檢。其主要功能包括三部分: (1) 通過監(jiān)控端軟件，值班人員可以實時控制巡檢機(jī)器人的運(yùn)動。(2) 可見光視頻流和紅外熱成像視頻流可以實時上傳到監(jiān)控端軟件上并實時顯示。(3)基于圖像匹配和圖像識別技術(shù)的變電站設(shè)備外觀異常和溫度異常報警。監(jiān)控模塊的硬件組成框圖見圖5-1 。監(jiān)控模塊的通訊采用客戶端/服務(wù)器構(gòu)架。其中監(jiān)控端是客戶端(Client) ，巡檢機(jī)器人是服務(wù)端(Sever) 。5.1.1 通訊網(wǎng)絡(luò)的搭建根據(jù)國家電網(wǎng)公司辦公計算機(jī)信息安全和保密管理規(guī)定若要實現(xiàn)供電公司和變電站巡檢機(jī)器人之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，必須自建通訊網(wǎng)絡(luò)，而不能使用國家電網(wǎng)公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計了一種采用4G網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)通訊方案。35KV 變電站內(nèi)部安裝有4G 路由器。該路由器通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的流量卡連接4G 網(wǎng)絡(luò)。該4G 路由器工作在網(wǎng)關(guān)模式，從而組建了一個新的局域網(wǎng)絡(luò)。戶外大功率Wireless Access Point 以有線方式連接到4G路由器的LAN 口(局域網(wǎng)口)。由于35KV 變電站一般規(guī)模較小一般在1000-2000 平方米左右)，所以該AP 可實現(xiàn)35KV 變電站的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5.1.2 動態(tài)域名解析服務(wù)和內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)35KV 變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中，監(jiān)控端軟件和巡檢機(jī)器人通訊采用WCF 協(xié)議框架，通過DDNS CDynamic Domain Name Server)動態(tài)域名解析服務(wù) 和 NAT traversal內(nèi)網(wǎng)穿透功能實現(xiàn)通訊。采用客戶端/服務(wù)端軟件構(gòu)架，其中巡檢機(jī)器人是服務(wù)端。客戶端(供電公司監(jiān)控端)要想通過廣域互聯(lián)網(wǎng)訪問到該服務(wù)端(巡檢機(jī)器人)，就必須知道服務(wù)端的公網(wǎng)IP 地址?！盎ㄉ鷼ぁ本W(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司能夠提供優(yōu)質(zhì)和安全的動態(tài)域名解析服務(wù)，以及內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)服務(wù)。而且，對于小型變電站，一年的使用費(fèi)只有518元，是非常便宜的。5.2 WCF 通訊35KV 變電站巡檢機(jī)器人采用WCF 程序框架傳輸運(yùn)動控制指令和視頻監(jiān)控圖像。WCF (Windows Communication Foundation) 是由微軟公司開發(fā)的一系列支持?jǐn)?shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序框架。運(yùn)動控制指令服務(wù)(機(jī)器人臨時啟動、|臨時停止等操作)使用WCF 的請求與訪問模式進(jìn)行交互。視頻監(jiān)控圖像的傳輸采用WCF 的發(fā)送訂閱模式。客戶端向服務(wù)端發(fā)送請求，進(jìn)而服務(wù)端將監(jiān)控視頻流推送給客戶端。5.3設(shè)備異常識別設(shè)備異常的識別包括巡檢機(jī)器人的人工識別和自動識別兩種方式。人工識別方式是指，巡檢機(jī)器人在磁軌導(dǎo)航過程中檢測到RFID標(biāo)簽時，停止前進(jìn)并通過轉(zhuǎn)動云臺使高清攝像頭和紅外成像儀鏡頭對準(zhǔn)變電站特定設(shè)備，然后拍攝該設(shè)備的外觀圖像和溫度圖像，并將該照片通過網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控端軟件上以供值班人員進(jìn)行人工在線分析。同時，巡檢機(jī)器人將每次巡檢作業(yè)拍攝的照片存儲于巡檢機(jī)器人內(nèi)部大容量硬盤之中，以供值班人員進(jìn)行離線分析和歷史數(shù)據(jù)分析。自動識別是指，巡檢機(jī)器人在巡檢作業(yè)中，監(jiān)控端軟件通過圖像識別技術(shù)判斷外觀異常和溫度異常。5.3.1 外觀異常圖像識別監(jiān)控端軟件中存儲有35KV 變電站設(shè)備的外觀圖像標(biāo)準(zhǔn)模板。當(dāng)監(jiān)控端軟件接收到巡檢機(jī)器人上傳的變電站設(shè)備可見光圖像后，立即將其與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行比對，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩者差值超過允許閣