基于MFC的变电站巡检机器人系统研制

束江 崔昊杨 刘晨斐 秦伦明 郭文诚

摘 要：利用机器人取代人工对变电站设备进行例行巡检，是电力设备状态检测领域的一个重要发展趋势。针对目前巡检机器人面临的自主行走精度不高、系统稳定性与结构紧凑性差的问题，文中研制了以STM32芯片为控制核心、以磁轨道和PID调速为行进方式、以射频识别（RFID）为定位手段的巡检机器人系统，采用微软基础类库（MFC）应用程序开发出一套集多维运动方式控制、多种传感数据融合、多光谱通道扫描显示和故障诊断为一体的系统监控软件。实验结果表明，巡检机器人能够按照预定路线对线路上的设备进行自动检测，并向运维人员提供基本数据与报表，实现对变电站设备巡检的目的。系统的综合性能满足应用要求，应用前景较好。

关键词：变电站；机器人；智能监测；MFC

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-04

0 引 言

对变电站设备进行例行巡检是保障电力设备安全稳定运行的常规手段[1-3]。随着电网规模的不断扩大，设备的数量和种类越来越多，但在现有电力体制下，运维人员的数量将保持长期稳定，运维人员数量不足与设备数量剧增的矛盾日益突出。提高巡检效率，降低人工巡检强度成为设备状态检测领域面临的极为重要的课题，也成为设备状态检修策略深入推进的重要基础。利用巡检仪器对设备进行自动巡检成为该领域一个重要的发展趋势。近年来，传感器技术、人工智能技术以及机器人技术的高速发展，为电力巡检特种机器人的研制奠定了坚实的基础。电力行业领域对巡检机器人的实际应用水平和性能赋予了较高期望。虽然目前主流巡检机器人的研究和应用取得了较大发展，但依旧停留在示范应用阶段[4-5]，在实际应用过程中，仍面临较多的问题。如智能化水平虽较高，但系统不够稳定；对复杂环境的适应能力较弱，不能长时间按照预定轨道精确行走；信息融合处理技术有待提升等[6-7]。

本文研制了以STM32芯片为控制核心、以磁轨道和PID调速为行进方式、以RFID为定位手段的巡检机器人系统。采用MFC应用程序开发出一套集多维运动方式控制、多种传感数据融合、多光谱通道扫描显示和故障诊断为一体的系统监控软件。在满足巡检机器人基本功能和性能的前提下，通过模块化设计与MFC程序基础类库调用[8]，进一步提高巡检机器人结构的紧凑性和系统的稳定性。

1 硬件控制及功能分析

变电站巡检机器人总体系统结构如图1所示，它具有三层式结构，即远程监控，无线传输和移动车体检测。客户远程监控软件系统用于接收采集数据、发布控制指令以及后期生成报表。通过工业级无线AP连接移动车体与远程監控计算机，互相接收并发送数据。机器人本体包含了网络集成器，视频传输系统，移动运动控制系统等。

1.1 系统整体结构

变电站巡检机器人外观及硬件系统结构如图2所示。机器人头部包含可见光摄像头与红外热像仪，可实现远程视频监控、电力设备热故障诊断、仪表读数等[9]。机器人身体为云台，主要功能为带动头部进行上、下、左、右旋转，调整拍摄视角。机器人的载体为四轮移动车体，并携带多种传感器。

巡检机器人硬件接口输入输出如图3所示。硬件电路布局以STM32为系统核心，接口包括CAN总线、网络接口、RS 485、RS 232、继电器、数字与模拟拓展口。为实现不同的功能，根据不同的接口，相对应地接入功能器件。

1.2 系统运动控制

巡检机器人系统底盘采用双轮前驱，通过电磁传感器跟随磁轨道进行自主行走，配合RFID定位装置，实现路线位置的识别。为满足实际巡检需要，将车体行驶速度设定为1m/s，爬坡能力高于30°，连续行走运行时间超过5小时。受环境路面凹凸不平、坡度、转弯、启停的影响，机器人系统的实际行进过程并不能按预定时间与路线进行。为保证车体的相对稳定、平衡，并提升巡检效率，需要系统依据实际位置和环境情况对速度进行动态控制，因此，系统速度采用闭环PID控制[10]。PID算法描述为：

其中，u（t）是PID输出信号，e（t）是误差控制信号，K为比例调节系数，Ti和Td分别是PID控制中的积分时间和微分时间。

系统导航方案原理框架如图4所示。

选择自主巡检模式后，转角编码盘实时反馈小车行进速度，e（t）为理想速度输出与实际速度输出的误差，这个误差信号通过PID调节得到输出量u（t）。u（t）被送到执行机构，通过PWM功率调节器来调节电机功率的输入，从而实现驱动轮的差速转弯与匀速前进。

本文设计加入了N极8位电磁传感器与RFID读卡器，其运行轨迹如图5所示。磁传感器跟随磁轨迹按预定轨迹行走，到达路口处RFID读卡器对RFID标志位进行读取与识别，按控制系统设定实现车体直行与转弯。控制系统在路口设定转弯路线的同时，也预定了移动车体的左转、右转与直行的双轮速度目标值。在车体行进过程中，得到速度目标值，经PID调节，输出功率可匹配当前实际速度，实现了平滑转弯与匀速直行。行进至停车检测点，读取RFID标志位信息，实现定时定点停车及设备检测。

1.3 通讯功能

变电站巡检机器人需实时观测并传输高清视频数据，故对传输距离与传输速率都提出了较高要求。本文采用5.8 GHz工业级车载一体化无线网桥，TDMA（时分多址）通信协议[11]的通讯速率可达40 Mb/s，可视传输距离可达1 000 m以上，能实现移动站与多基站连接的快速切换。通过多基站的设定与连接，可实现大范围内计算机与移动机器人的实时通讯。

2 软件系统工作方式

本文设计的巡检机器人系统软件包括基站系统、移动站系统与双光谱系统。基站系统运行在MFC系统下，利用无线传输将可见光摄像机和红外热像仪采集到的图像信息传输到上位机客户端。移动站系统以STM32为控制核心，采用C++编程，经Socket接收指令完成相关动作[12]。双光谱系统以厂家提供的SDK开发包为基础，通过主程序的调用以实现特定目标。

2.1 基站系统结构分析

基站系统也称为上位机客户端，可以远程控制机器人，以实现对机器人现场巡检作业的监控。系统设计大致分为四部分，即界面设计，文件操作，多媒体应用，数据库。界面设计作为人机交互界面，是整个系统的控制面板，包含了大部分操作指令的控制与双光谱系统视频的呈现。文件操作是指在上位机客户端操控界面上对机器人运动、云台控制的操作按键。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。双光谱系统、电磁传感器、超声波传感器与RFID读卡器等都可作为多媒体应用。数据库中主要存放拍摄到的视频图像与生成的报表。围绕这四大部分展开的关键系统文件及其作用如图6所示。

本文设计的MFC程序主体思想是进入主程序之后，配置巡检机器人的3个IP地址，分别为机器人车体总IP地址，红外热像仪IP，可见光摄像机IP。三者须统一网段，本设计统一为192.168.192.XX。经网络配对，连接总IP地址，进入主界面（CMainFrame），生成后台操作界面（CMainFrame：：Create）。通过头文件（SelectDevice.h）中的子程序（CRealPlayDlg：：OpenIR）和（CRealPlayDlg：：Login）设置红外热像仪与可见光摄像机的IP 地址。调用Resource中红外热像的SDK 和可见光的SDK ，实现对两者的综合管理，显示红外热像（CVideoInfraredDisplay）和可见光图像（CVideoDisplay）的窗口。连接车体总IP后，在客户端界面与移动车体之间建立通信系统，运用 SendDataInSocket来实现接收、发送指令。指令主要包括小车行驶模式的串口指令、云台转动指令、视频录像与拍照、RFID标签识别与设定等。

2.2 移动站巡检系统流程

本文设计的巡检机器人具有两种工作模式，即智能巡检与手动巡检。工作流程如图7所示。

系统连接后，在MFC应用界面进行模式选择，选择智能巡检模式时，机器人按照预定轨迹行走，当遇到障碍物时停车，否则继续行走。经RFID标志位识别到达指定位置，然后开启双光谱系统对电力设备进行检测。将获得的电力设备红外图像、可见光图像传输至上位机。如果巡检结束，则等待下一步命令，否则按磁轨迹引导，走向下一个指定点。当选择人工控制巡检模式时，工作人员通过上位机给机器人发送指令。当变电站巡检机器人到达指定位置后，进行双光谱图像拍摄与图像传输。巡检作业未完成则返回模式选择，重新选定模式，否则结束巡检。

3 测试与运行结果分析

实际测试中的系统软件开发界面包含红外与可见光两个视频显示窗口、模式控制指令区域、可见光控制指令区域、小车控制指令区域、红外控制指令区域等。系统软件开发界面如图8所示。

变电站巡检机器人的突出特点在于其双光谱通道扫描与显示。利用本系统机器人对电力设备进行检测，获得的3组热故障设备图像如图9所示，左边为可见光图像，右边为红外图像。图9（a）为断路器下接头A相发热，图9（b）為B相开关侧接头发热，图9（c）为隔离开关动静触头发热，都是接触不良引起的热故障。双光谱图对比与呈现效果表明：可见光图像利于设备识别和人眼观看；红外图像利于设备热故障诊断[13]。实践结果表明，本文设计能够按照预定路线对线路上的目标电力设备进行可见光与红外图像采集，提升巡检效率。

4 结 语

本文根据当前自动化设备发展及电力市场的需要，研制出一种以磁轨道和PID调速为行进方式、以RFID为定位手段的巡检机器人系统。采用MFC应用程序开发出一套集多维运动方式控制、多种传感数据融合、多光谱通道扫描显示和故障诊断为一体的系统监控软件。本文设计在满足基本巡检功能的基础上，采用模块化设计，提高了巡检机器人结构的紧凑性，同时降低了研发难度。通过在变电站现场实际测试，能够实现目标电力设备双光谱图像采集，实现自主导航，达到了系统设计的要求。本套巡检机器人系统为电力设备的可靠运行提供了保证，具有广阔的市场前景以及较大的使用价值。

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