基于STM32的变电站巡检机器人系统设计

李祥+崔昊杨+皮凯云+束江+李鑫+许永鹏+盛戈皞

摘 要： 针对变电站传统人工巡检方式存在工作量大、缺乏系统分析和实时故障分析等缺点，设计了基于STM32芯片的变电站智能巡检机器人，具有自主循迹、智能诊断分析、太阳能充电、机械手臂及时切除故障等功能。详细阐述了硬件结构和软件算法设计方案，研制出巡检机器人样机，并对样机通信系统、控制系统、智能识别诊断系统进行了测试分析。测试结果表明，该巡检机器人系统能够对电力设备进行有效巡检与故障诊断，巡检效率高、安全性可靠，因此具有较高的经济效益和较强的现实意义。

关键词： 变电站； 巡检机器人； 太阳能； 机械手臂； 红外检测

中图分类号： TN02?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0150?04

Design of substation inspection robot system based on STM32

LI Xiang1， CUI Haoyang1， PI Kaiyun1， SHU Jiang1， LI Xin1， XU Yongpeng2， SHENG Gehao2

（1. College of Electronics and Information Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China；

2. Department of Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： Since the traditional manual inspection method of substation has the disadvantage of heavy workload， and lacks of systematic analysis and real?time fault analysis， an intelligent substation inspection robot based on STM32 was designed， which has functions of automatic tracking， intelligent diagnosis analysis， solar energy recharging， and timely fault removal by mechanical arms. In this paper， the design schemes of hardware structure and software algorithm are elaborated in detail， and the test analysis for its communication system， control system， and intelligent identification and diagnosis system is performed. The test result shows this robot can inspect the electric equipment and diagnose the fault efficiently， and has high inspection efficiency and reliable security. Therefore， it brings a high economic benefit and has strong practical significance.

Keywords： substation； inspection robot； solar energy； mechanical arm； infrared detection

0 引 言

目前，電力设备向高功率、高可靠性、高智能化方向发展，增加了日常运维与检测的难度。在变电站无人值守的趋势下，传统的巡检方式及故障诊断技术越来越难以满足复杂设备诊断的需求[1]。建立广域范围的设备状态监测网络以及远程专家诊断系统，对保证所有设备正常运行、提高生产效率，节约维修费用有着重大意义。

传统变电站设备巡检工作主要以运维人员定期巡视及红外测温为主，但受到检测人员的经验、技术水平的影响，往往出现漏测现象。同时，利用现有检测仪器，检测人员难以对数据进行集中管理，历史数据深度挖掘效率较低，从而在很大程度上制约了带电检测技术的发展。

变电站智能巡检机器人的研究及应用给上述问题带来了新的解决途径，为电力设备能够得到及时、有效、全面、智能的诊断维护提供基础。国内外许多学者开展了变电站巡检机器人方面的研究[1]。国外研究机器人的典型代表是加拿大魁北克水电站[2]和巴西圣保罗大学[3]。前者研制的变电站巡检机器人配置了遥控装置，能够实现对变电站远程控制。后者通过在变电站内架起高空行走轨道，研制出适用于变电站内热点监测的移动机器人[2?3]。国内变电站巡检机器人的研究也取得了突破性进展，如山东电科院研发了一种轮式巡检机器人[4?5]能够在平坦的硬路面上稳定行驶，对变电站设备进行例行巡检。中科院沈阳自动化研究所研发的轨道式变电站巡检机器人[6]采用固定轨道方式行进，但受限于摄像头视角和固定轨道铺设，很难对变电站设备进行全方位监测。由深圳朗驰欣创科技有限公司与浙江国自机器人技术有限公司研发的变电站巡检机器人已初步具备站内设备的巡检，通过在部分变电站实际使用，取得了较好的使用效果。

从上述分析可知，目前研究的变电站巡检机器人相对于传统的人工巡检方式具备一定的优势，但仍不能满足设备的故障部位自动切除和异物清除需求，在自主循迹、智能诊断分析方面的性能也有待提升。此外，上述巡检机器人大都采用单一的电网充电方式，不利于巡检机器人长时间开展巡检工作，特别是对关键设备点对点长时间重点监测时不能确保电量的充足。针对上述不足，本文对巡检机器人结构进行了重新设计，研制出了功能样机，如图1所示。通过现场试运行表明，该机器人能够稳定运行，并达到预期设计指标。endprint

1 巡检机器人系统总体方案设计

结合当前变电站巡检机器人的应用现状和变电站实际操作环境，本文对变电站巡检机器人重新设计，针对传统巡检机器人单一的供电方式，以及不具备对故障部位自动切除和异物清除的能力，分别采用太阳能充电和电网充电相结合的供电方式，并在机器人两侧安装了左右机械手臂，完成对站内设备故障部位的自动切除及巡检周界的异物清理，从而提升巡检机器人的实用化和智能化水平。

1.1 巡检机器人整体结构设计

变电站巡检机器人系统构成如图1所示，主要分为机械模块、传感器采集模块、控制模块、通信模块、上位机软件模块。机械模块是系统的执行机构，包括金属车体结构、履带式底盘、机械手臂、云台装置及其他辅助设备。本系统所采用的履带式结构能够使得机器人在应对渣石路面、沟坎凸台、积雪严重等复杂作业环境时具有一定的自适应性，以保持车身及摄像机的稳定，从而解决传统方案摄像机回传图像颠簸的问题[7]。

传感器采集模块是由多源信息采集器集合而成，包括高清可见光摄像机、红外热成像仪、红外光电避障传感器、超声波避障模块和其他扩展设备。通过上述传感模块，机器人能够获得电力设备运行状态的多源信息，并通过无线网络将采集到的信息上传至上位机。控制模块是电路和运动控制系统的集成，包括控制器、驱动电路、信息采集电路、太阳能供电模块等。通信模块是机器人与上位机的通信，包括多源信息与控制指令的传送。上位机软件模块是上位机控制平台与集中控制模块控制系统的集合，其通过通信模块建立人机交互平台。

1.2 巡检机器人系统构成

大多数电力设备故障表象与温度异常都具有一定的关联性。在设备运行中，采用红外热辐射技术远距离非接触方式测量电力设备温度，可以在一定程度上衡量电力设备的运行状况[8]。本文设计的变电站巡检机器人，通过携带红外热成像仪、可见光摄像机、机械手臂等代替人工对变电站设备进行巡检，通过机械手臂进行简单的故障处理和异物清除。

巡检机器人采用客户端/服务端的运行模式，系统结构框架如图2所示。客户端位于监控中心的PC机上，负责实时显示电力设备的多源信息，在线监测设备运行状况，工作人员也可以通过客户端上位机发送指令，控制巡检机器人对特定电力设备进行重点定点监测。服务端位于巡检机器人本体，核心部分是STM32集中控制器，主要负责导航定位、机器人运动控制、多源信息数据传输等。

2 巡检机器人硬件结构设计

基于STM32变电站巡检机器人系统控制框图如图2所示，该平台由STM32控制系统、供电系统、无线通信系统组成。系统采用模块化设计，在此基础上，增加了太阳能供电模块、机械手臂模块。在开发过程中，在集中控制器总线上预留接口以实现新的功能模块的接入，便于系统升级。

2.1 巡检机器人控制系统设计

在对巡检机器人集中控制器开发过程中，选用TI公司生产的STM32F103作为核心处理单元，其内核为ARM公司的Cortex?M3，工作频率为72 MHz，FLASH为512 KB，有2个12位ADC，5个USART，12个16位计时器，资源完全满足机器人的运行需求，具有高效率、易扩展、实用性强等优点。

系统控制单元框图如图3所示，巡检机器人集中控制器分别对左侧和右侧两组电机、两组机械手臂、三组红外避障传感器及云台进行控制。本系统采用由两片半桥驱动芯片和极低内阻的N沟道MOSFET组成的驱动器驱动两组电机。该驱动器具有足够的驱动电压，可快速打开MOSFET沟道，从而提高电机的加速曲率，能够使机器人迅速启动、迅速刹车和转向。集中控制器接收到PC端上位机发送的串口指令后，将串口指令转化为电源可以识别的PWM信号，从而调整电源的输出电流，控制电机的运行状态。巡检机器人是通过改变左右两组电机的速度差实现转向的。

变电站巡检机器人采用各4个自由度的左右机械手臂，每个自由度都是由一个位置（角度）伺服电机、伺服电机驱动器组成。该舵机有3根接线端，两条接线端是电源线，另一条为信号控制线，其工作电压为3～7 V，工作扭矩为13 kg/cm，转动角度为。集中控制器从上位机客户端接收到指令，并将其转化为PWM信号，控制伺服电机转动的圈数，从而决定机械手臂姿态位置。云台最大承重为10 kg，运行范围水平为，垂直为-30°～75°，转速为1° /s～9° /s，齿轮啮合间隙小于，共有200个预置位。集中控制器通过RS 485总线与云台相连，上位机客户端发送控制指令后经过无线传输到达集中控制器，再经过RS 485总线控制云台的转动。

2.2 巡检机器人供电系统设计

传统变电站巡检机器人大多采用单一的电网充电方式，这使得巡检机器人在巡检过程中需要多次人工充电才能完成巡检任务。这给长距离、大范围巡检路线带来不便，特别是针对重点监测的可疑设备定点监测时，存储的电量往往不能满足实际需要。此外，巡检机器人在自动充电过程中，充电插头与充电插座经常会出现对接不成功的状况，充电成功率难以得到保证。为此，本文采用电网充电与太阳能充电相结合的充电方式。在巡检机器人车体前后分别安装太阳能电池板，经太阳能充电转换模块，把电能储存在锂电池中，不断为锂电池补充电量，从而實现巡检机器人的多元供电，延长了巡检机器人的工作时长。

系统供电方式如图4所示，巡检机器人通过多元充电的供电方式，把电能储存在24 V锂电池中。经过DC?DC恒压恒流电源模块降压至12 V，分别为电机驱动器、集中控制器、红外热成像仪、可见光摄像机提供稳定的12 V直流电源。设计中云台为24 V直流供电，可以直接从锂电池获取电源。两组机械手臂和通信模块直接从集中控制器电源接口获取5 V电源。

2.3 无线通信系统

巡检机器人的数据传输通过安装OpenWrt的无线路由端使上位机客户端与服务端建立点对点的局域网[9]来实现。采用TCP/IP通信协议，能够保证数据传输所需要的速度和实时性。红外热成像仪与可见光摄像机拍摄的视频信号经过压缩后通过局域网无线传输到达上位机客户端，图像经过解压显示在监控中心的屏幕上。红外热像图能够有效地检测出设备运行状况，配合上位机客户端的诊断系统[10]能准确对故障部位和故障程度做出判断。可见光摄像机拍摄的可见光图像与红外图像匹配、融合，能精确识别故障存在点、故障部位。同时仪表设备的可见光图像能够在上位机客户端经过图像处理，智能读取仪表数据，实现全站的设备监控。发现异常情况后，工作人员可以通过上位机客户端发送指令，控制数据通过Socket发送到路由端，路由端把数据包解开后发送到路由端串口。集中控制器与路由端通过STM32建立串口通信，从路由端发出的串口指令控制巡检机器人车体运行、机械手臂的操作、云台的旋转。endprint

3 巡检机器人系统软件设计

巡检机器人系统软件设计包括上位机客户端部分和集中控制器控制部分。上位机客户端软件运行在Windows系统下，采用C++面向对象的编程语言开发，通过无线传输把可见光摄像机和红外热成像仪采集到的图像信息传输到上位机客户端。用户可以在集控中心通过红外和视频窗口实现对机器人现场作业的监控。上位机客户端通过调用视频和红外提供的SDK函数完成视频的连接、抓取、压缩、解压以及播放的过程[11]。在上位机客户端操控界面上分别有对机器人运动、机械手臂、云台控制的操作按键，通过点击按键向集中控制器发送控制指令，进而完成对机器人的整体操控。

通过上位机获取到电力设备红外图像信息后，在Matlab编程环境下，开发出电力设备故障诊断系统，系统处理界面如图5所示。

该系统通过BP神经网络的构建，对200幅图片样本进行训练，在对样本训练之前，采用数据归一化的方法[12]对样本数据进行转换处理，目的是避免因输入输出数量级差别较大而造成网络预测误差较大。数据归一化方法如下：

（1）

式中：为归一化前的数值；和为归一化前数据的最小值和最大值。

4 测试与分析

巡检机器人样机研制完成后，首先在路面预铺设黑色巡检轨道，打开上位机客户端选择自动巡检模式，巡检机器人将按照巡检路径运行，通过检测地面RFID标签停车[13]。通过无线模块将巡检电力设备图像等信息上传到PC机客户端。切换成人工巡检模式后，可通过上位机客户端发送控制指令到达指令位置进行巡检。

在站内设备巡检测试中，通过在上位机客户端控制变电站巡检机器人对电力设备进行在线巡检操作。在监控中心获得的母线连接处的红外热像图、可见光摄像图，如图6所示。经电力设备红外热像识别系统识别出该电力设备为母线，再配合可见光图像判断出其为C相母线。图像中管型母线的交叉连接处最高温度为26.03 ℃，从而判断出其为正常运行状态。母线连接处容易出现机械接触故障，因此，其通常为变电站巡检的重点监测对象。

在测试过程中，巡检机器人在执行巡检任务时，只需要一次交流220 V充电，并不断利用太阳能充电来完成巡检任务，通过上位机操控巡检机器人机械手臂可以顺利完成对高压区域异物的清除。

5 结 语

传统巡检方式已很难满足能源互联网、智能电网、智能变电站的发展需要，利用巡检机器人对变电站主设备运行状态进行在线监测，可极大提高设备的安全性与可靠性。本文在传统巡检机器人的基础上，采用太阳能与电网充电相结合的多元供电方式延长巡检机器人的工作时间。利用STM32的接口资源，为机器人安装了两个机械手臂，使得机器人操作更加灵活，能够在人工控制下完成简单的故障切除和异物清除等操作。实际测试表明，巡检机器人系统采用了多源信息融合技术，操作灵活，界面友好，功能实用，运行效果良好，完全达到了预期目标。该巡检机器人荣获第十七届中国国际博览会高校展区二等奖的奖项。

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