《變電站巡檢機(jī)器人評(píng)估》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《變電站巡檢機(jī)器人評(píng)估(11頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、戶內(nèi)軌道巡檢機(jī)器人
項(xiàng)目方案評(píng)估報(bào)告
一、項(xiàng)目背景:
1.1變電站設(shè)備巡檢和人工巡檢有效性分析
設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)如何, 必須通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡回檢查后才可以得出相應(yīng)
的結(jié)果。為了提高設(shè)備的利用率, 設(shè)備運(yùn)行的可靠性、 降低維修成本。加強(qiáng)對(duì)設(shè)備巡檢及缺 陷管理,是提高設(shè)備的運(yùn)行管理水平的一項(xiàng)重要措施, 它能有效地為評(píng)估設(shè)備狀態(tài)、確定合
理的運(yùn)行方式、及時(shí)安排檢修提供可靠、詳細(xì)的數(shù)據(jù)并有助于做出科學(xué)分析。
變電站值班員進(jìn)行人工巡檢,對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行感觀的簡(jiǎn)單的定性判斷, 主要通過(guò)看、觸、
聽(tīng)、嗅等感官去實(shí)現(xiàn)的。人工巡視對(duì)設(shè)備外部可見(jiàn)、可聽(tīng)、可嗅的缺陷能夠發(fā)現(xiàn),例如:油 位、
2、油溫、壓力、滲漏油、外部損傷、銹蝕、冒煙、著火、異味、異常聲音、二次設(shè)備指示 信號(hào)異常等。
人工巡檢受人員的生理、心理素質(zhì)、責(zé)任心、外部工作環(huán)境、工作經(jīng)驗(yàn)、技能技術(shù)水平 的影響較大,存在漏巡,缺陷漏發(fā)現(xiàn)的可能性。 且對(duì)于設(shè)備內(nèi)部的缺陷, 運(yùn)行人員無(wú)專業(yè)儀 器或者儀器精確度太低, 通過(guò)簡(jiǎn)單的巡視是不能發(fā)現(xiàn)的, 比如油氣試驗(yàn)項(xiàng)目超標(biāo), 設(shè)備特殊
部位發(fā)熱、絕緣不合格等缺陷;還有一類缺陷只能在操作的過(guò)程中才能發(fā)現(xiàn),如機(jī)械卡澀、 閘刀分合不到位、閘刀機(jī)構(gòu)箱門損壞等。
另一方面,由于無(wú)人值班變電站增多,許多變電站的距離也較遠(yuǎn),在站內(nèi)出現(xiàn)事故或大 風(fēng)、大雪及雷雨后因集控站無(wú)法出車不能及時(shí)巡視時(shí), 造
3、成集控站值班員不能及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)
設(shè)備狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患,危急電網(wǎng)的安全運(yùn)行。特別是無(wú)法及時(shí)了解出現(xiàn)問(wèn)題的變電站情 況,失去優(yōu)先安排處理的機(jī)會(huì)。
巡視人員巡視設(shè)備時(shí)需要站在離設(shè)備較近的地方, 對(duì)巡視人員的人身安全也有一定的威
脅,特別是在異?,F(xiàn)象查看、惡劣天氣特巡,事故原因查找時(shí)危險(xiǎn)性更大。
綜上所述,無(wú)人值班變電站的人工巡檢存在及時(shí)性、 可靠性差,花費(fèi)人工較多,存在較
大的交通風(fēng)險(xiǎn)和巡視過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。
1.2變電站巡檢機(jī)器人簡(jiǎn)介
變電站室內(nèi)巡檢機(jī)器人集機(jī)電一體化技術(shù)、 多傳感器融合技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、導(dǎo)航及
行為規(guī)劃技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)于一體。
通過(guò)機(jī)器人上的高清攝
4、像頭可實(shí)時(shí)采集分析圖像,自動(dòng)識(shí)別并準(zhǔn)確定位所標(biāo)記的設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)信息傳輸和拍照。
機(jī)器人以自主或遙控的方式,在無(wú)人值守或少人值守的變電站對(duì)室內(nèi)高壓設(shè)備進(jìn)行巡
檢,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷、 外部機(jī)械或電氣問(wèn)題, 為運(yùn)行人員提供事故隱患和
故障先兆數(shù)據(jù)??商娲\(yùn)行維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢, 節(jié)省設(shè)備巡檢成本, 降低人身傷害風(fēng)險(xiǎn), 提
高變電站運(yùn)行維護(hù)水平。
1、巡檢機(jī)器人功能總體概述
2.1系統(tǒng)完成的功能概述
根據(jù)初步的說(shuō)明書(shū),系統(tǒng)需要完成以下功能:
1) 行走。需要能沿線行走,實(shí)現(xiàn)前進(jìn),倒退,轉(zhuǎn)彎,停留,并且要跨越隔門。
2) 無(wú)線控制。通過(guò)無(wú)線的方式對(duì)機(jī)器人實(shí)施控制。
3)
5、 掛載并能提升巡檢設(shè)備。
除了上述功能性要求,機(jī)器人需要低成本,小型化。為了實(shí)現(xiàn)上述功能以及最終驗(yàn)收,
需要對(duì)機(jī)器人性能提出一定的指標(biāo)。
2.2系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的指標(biāo)
初步設(shè)計(jì)機(jī)器人在上述 4個(gè)功能上應(yīng)該實(shí)現(xiàn)如下指標(biāo)
1) 行走。行走速度最高要達(dá)到 0.5m/s。機(jī)器人應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。機(jī)器人應(yīng)該能
跨越高度為5cm的隔門
2) 機(jī)器人無(wú)線控制距離不少于 10米,能在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作。
3) 機(jī)器人能感知自己絕對(duì)位置。能達(dá)到 +/-2CM定位精度
4) 能為巡檢設(shè)備提供電源,電壓小于等于 24V。
5) 機(jī)器人尺寸應(yīng)小于1M*1M*2M。能進(jìn)入其他房間
6) 機(jī)器人重量應(yīng)
6、小于 50Kg
7) 機(jī)器人最大提升高度應(yīng)大于等于 1.8M。
8) 機(jī)器人待機(jī)工作時(shí)間為 12小時(shí)。正常工作時(shí)間為 8小時(shí)。
2.3系統(tǒng)所需模塊
根據(jù)機(jī)器人需要完成的功能和機(jī)器人需要達(dá)到的指標(biāo),
初步確定機(jī)器人應(yīng)包括如下幾個(gè)
子系統(tǒng)。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其中人機(jī)交互系統(tǒng)功能是從操作者處獲得指令, 控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)將從機(jī)器人處
獲得的傳感器數(shù)據(jù)提供給用戶。
無(wú)線遙控系統(tǒng)的功能是將用戶的指令和數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行發(fā)送, 使機(jī)器人和用戶
聯(lián)系在一起。
主控系統(tǒng)的功能是搜集傳感器的數(shù)據(jù), 對(duì)其進(jìn)行處理,并結(jié)合用戶的指令,完成對(duì)電機(jī)
相應(yīng)的控制
7、。
電源系統(tǒng)功能是為機(jī)器人提供動(dòng)力源, 并保證電量異常時(shí)的報(bào)警、自我保護(hù)和充電行為。
傳感系統(tǒng)為機(jī)器人提供數(shù)據(jù),其中一部分是和機(jī)器人定位與導(dǎo)航相關(guān)的, 機(jī)器人通過(guò)處 理這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行巡線并獲得機(jī)器人的坐標(biāo)。 另一部分是機(jī)器人搭載的巡檢設(shè)備。 機(jī)器人對(duì) 這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,并通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給控制基站。
圖2模塊功能圖
三、設(shè)計(jì)方案
2.1機(jī)械本體設(shè)計(jì)依據(jù)
考慮到機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境, 其移動(dòng)體采用四輪輪式移動(dòng)小車, 中驅(qū)結(jié)構(gòu)。由2個(gè)伺服直
流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng),差速轉(zhuǎn)向,前后兩輪為萬(wàn)向輪。該移動(dòng)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易加工,直線運(yùn)動(dòng)性 與轉(zhuǎn)彎性能好,能夠以中間驅(qū)動(dòng)輪為中心點(diǎn)做原地轉(zhuǎn)彎, 且無(wú)
8、側(cè)滑,對(duì)路面的適應(yīng)性強(qiáng), 且
便于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
圖3移動(dòng)機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1巡線傳感器
對(duì)于AGV機(jī)器人的巡線傳感器,采用比較廣泛的是磁導(dǎo)航的方式,然而磁導(dǎo)航鋪設(shè)成 本較高。磁導(dǎo)航裝置檢測(cè)范圍內(nèi)不能存在電機(jī)等磁性裝置, 并且需要定期清潔磁導(dǎo)航傳感器,
維護(hù)成本較大。
若以降低成本考慮應(yīng)采用紅外光巡線的方式。 紅外光巡線傳感系統(tǒng)采用紅外光作為檢測(cè)
光源,避免了外界可見(jiàn)光對(duì)巡線傳感的干擾和影響, 可以在高亮或全黑暗的光照條件下工作。
內(nèi)部處理算法基于施密特濾波器及自適應(yīng)閾值學(xué)習(xí)算法, 對(duì)每個(gè)紅外反射管分別進(jìn)行閾值學(xué)
習(xí),可以彌補(bǔ)因?yàn)槠?/p>
9、件差異和反射條件差異造成的傳感誤差。 巡線條方面,通過(guò)鋪設(shè)工業(yè)耐
磨阻燃地板,可以很好地降低維護(hù)成本。
系統(tǒng)硬件部分為自主開(kāi)發(fā)的基于 AVR單片機(jī)的傳感器板,采用 ATmega16A單片機(jī),提
供3種通信接口:
10、l2C UART。用戶可根據(jù)需要選擇其中一種接口讀取傳感器模塊的檢
圖3紅外巡線板及耐磨阻燃巡線條材料
測(cè)結(jié)果。用戶可使用撥碼開(kāi)關(guān)或者 I2C、UART通信接口控制此巡線板進(jìn)入采樣學(xué)習(xí)模式。
然而單純的巡線并不能為機(jī)器人提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息。 機(jī)器人除了在轉(zhuǎn)彎或者道路交匯
的地方能獲取坐標(biāo), 并不知道在路徑上的具體坐標(biāo)。
因此,除了巡線系統(tǒng), 巡線傳感器系
10、統(tǒng)
還要增量式碼盤為機(jī)器人提供航跡推算式的定位。
能沿著線前進(jìn),又能了解當(dāng)前所在的坐標(biāo)。
通過(guò)巡線傳感器和增量式碼盤, 機(jī)器人既
圖4增量式碼盤及隨動(dòng)輪裝置
222搭載傳感器
本機(jī)器人系統(tǒng)為變電站設(shè)備非電氣信號(hào)的采集提供了一個(gè)移動(dòng)載體平臺(tái), 在這個(gè)平臺(tái)上
可以搭建不同的檢測(cè)系統(tǒng)或裝置。 女口:遠(yuǎn)程在線式紅外熱像儀系統(tǒng)、 可見(jiàn)光圖像采集處理系
統(tǒng)、聲音采集處理系統(tǒng)和移動(dòng)物體闖人報(bào)警系統(tǒng)。檢測(cè)設(shè)備如圖 6所示。
圖6搭載傳感設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)框圖
2.3無(wú)線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
無(wú)線遙控系統(tǒng)采用 n RF2401模塊作為通信硬件。n RF2401模塊速率高,最高
11、能達(dá)到
2Mbps。由于空中傳輸速度快,傳輸時(shí)間很短,極大的降低了無(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。頻點(diǎn) 多,可以滿足多點(diǎn)通信需要。成本低,芯片內(nèi)部繼承了所有與 RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理
部分,比如:自動(dòng)重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)等, NRF24L01的SPI接口可以利用
單片機(jī)的硬件SPI 口連接或用單片機(jī)I/O 口進(jìn)行模擬,內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理 器接口,便于使用低成本單片機(jī)。 除此之外,由于鏈路層完全集成在模塊上, 非常便于開(kāi)發(fā)。
通信范圍廣,最大 OdBm發(fā)射功率,空曠100米。
圖7 nRF2401無(wú)線數(shù)傳模塊
2.4主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系
12、統(tǒng)需要在有限的時(shí)間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù), 因此要求控制系統(tǒng)具有較快
的數(shù)據(jù)處理能力,然而移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作以及人機(jī)交互界面, 這又要求控制系統(tǒng)
具有較 強(qiáng)的綜合處 理能力以及豐富 的外 設(shè)接口。為了滿足上述需要,主控系 統(tǒng)采用 ARM7+FPGA的架構(gòu)。ARM7是ARM公司研制小型、快速、低能耗、集成式 RISC內(nèi)核。采 用ARM7架構(gòu)的內(nèi)核廣泛使用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。為了減輕處理器的負(fù) 擔(dān),使用FPGA作為協(xié)處理器,可以豐富主控系統(tǒng)的接口,同時(shí)大大提高了主控系統(tǒng)的處理 能力。下圖所示就是一個(gè)以 ARM7+FPGA為架構(gòu)的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn) 12路電機(jī)伺服
控制,具
13、有LCD接口,USART接口,USB接口,SPI接口,I2C接口等常用的外設(shè)接口,能方 便地與外設(shè)進(jìn)行通信??紤]到巡檢機(jī)器人需要掛載不同的外設(shè), 外設(shè)接口越豐富,外設(shè)選擇
的自由度就越大,可以支持的外設(shè)就越多。
圖8 ARM7+FPGA主控系統(tǒng)
2.5電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)
電源系統(tǒng)包括電池和充電系統(tǒng)兩個(gè)部分。 在機(jī)器人工作時(shí),由電池提供能量。 常用的電
池有鋰電池,鉛蓄電池,鎳鎘電池等。考慮到機(jī)器人工作時(shí)間較長(zhǎng),而且需要重復(fù)充電,并 且考慮成本,選擇鉛蓄電池作為機(jī)器人的電源。普通的鉛蓄電池具有容量大,放電電流大, 高循環(huán)壽命,可靠性好,時(shí)間耐久,安全性能好等特點(diǎn)。
機(jī)器人經(jīng)過(guò)一段時(shí)
14、間工作, 需要自行回到充電點(diǎn)充電。 可以采用充電站的模式, 機(jī)器人
到一個(gè)充電區(qū)域之后, 自行將充電接口對(duì)準(zhǔn)充電器, 完成充電。目前一些掃地機(jī)器人已經(jīng)具
備這樣的功能。
圖9 24V鉛蓄電池、充電器及其充電樁
2.6人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)
為了對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行有效的監(jiān)視、 控制和管理,為此建立了一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)控中心
來(lái)完成該任務(wù),稱其為基站?;九c移動(dòng)體之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋組成一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng), 其中無(wú)
線網(wǎng)橋滿足IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn),頻段5.8GHz,帶寬50Mbit/s,無(wú)遮擋傳輸距離 10km。整個(gè) 機(jī)器人系統(tǒng)采用基于IP網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)結(jié)構(gòu),如下圖所示。
15、圖10機(jī)器人系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
在該系統(tǒng)中,可見(jiàn)光圖像、紅外圖像通過(guò)視頻服務(wù)器的視頻流數(shù)據(jù)和移動(dòng)體控制系統(tǒng)信 息等數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)絡(luò)集線器后, 經(jīng)無(wú)線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)集線器一起通過(guò)電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳到運(yùn)
行監(jiān)控中心,連接到電力系統(tǒng)局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)可根據(jù)訪問(wèn)權(quán)限實(shí)時(shí)瀏覽變電站設(shè)備的可見(jiàn) 光和紅外視頻圖像、機(jī)器人本身運(yùn)行情況等相關(guān)信息,并且可以控制機(jī)器人移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)等。
基站系統(tǒng)采用PC機(jī)、Windows操作系統(tǒng)?;鞠到y(tǒng)包括基站計(jì)算機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)
集線器等硬件設(shè)備,主要用于人機(jī)交互、 接收操作人員的各種操作指令, 并將這些指令下達(dá)
到機(jī)器人移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 同時(shí),基站系統(tǒng)也是用戶了解機(jī)器人的工作情況和結(jié)果的直
接渠道?;居?jì)算機(jī)安放在運(yùn)行監(jiān)控中心,由基站框架、電子地圖、狀態(tài)報(bào)警處理、全局路 徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、工作模塊 (包括圖像、聲音處理模塊)等模塊組成,如下圖所
示。
圖11基站軟件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)