电力智能巡检机器人研究

姚天浩，于洪达，高国丽

(吉林农业科技学院 电气与信息工程学院，吉林 吉林 132101)

0 引言

电力巡检是电力系统面向生活进行电力供应，以及面向国民生产的一种主要保障手段，不管是对人们的日常生活还是各大用电工厂来说都具有极其重要的意义。但是，任何事情都有两面性，电力的普及与应用在日常生活中也存在着诸多问题，如工业生产和生活用电的高能源化，用电量相较于前几年大大提高，并且由于变电站自身的特殊原因，更新较慢，线路损耗较大，随时出现各种问题，所以日常的巡检工作就显得格外重要[1]。

1 机器人总体结构系统

电力智能巡检机器人是以树莓派为中心进行控制的。主体共分为3大模块：移动模块(机器人本体)、巡检模块、应用模块[2]。

1.1 移动模块

机器人根据所设定的路线进行移动，移动到某一规定位置时会停止移动，并将摄像头转向所需要检测的方位。

1.2 巡检模块

将所需要检测的物体进行拍摄，拍摄完一处，会自动移动到下一个规定的位置进行拍摄，当所有需要检测的位置全部拍摄完毕后会自动返航。

1.3 应用模块

将拍摄好的图片上传到云台中，与该物体正常运行时的工作状态进行对比。二者一致进行下一项检测，二者不一致发出警报。

1.4 电源模块

采用PR12V锂电池组，由3块18 650锂电池组成，标称电压为11.1 V，充电截止电压为12.6 V，最大持续电流为6 A，标准容量为2 200 mAh。

1.5 信息采集模块

信息采集模块包含信息的采集、信息的传输以及信息显示部件。主要的程序部分是基于树莓派的操作系统、信息的采集程序、信息的编码程序、信息的传输程序以及在电脑端的显示程序等一系列程序构成。我们可以随时随地地查看电路中的情况。

1.6 信息承载云台模块

本项目选用以高性能著称的Raspberry Pi为主处理器的Python开发平台，作为ARM(Advanced RISC Machine)系列的处理器。它具有体积小、耗电少、功能强等优点，可处理16位/32位指令，具有良好的可扩展性[7]。

2 功能模块选用

2.1 移动模块

移动模块包含NRF24L01无线模块、AMS1117稳压器和 L9110S芯片。

2.1.1 NRF24L01无线模块

NRF24L01是一款新型的单片射频收发器件，具有低消耗、即时性高、几乎无延迟、传输速度可高达2 Mbps等优点，可工作在2 400 MHz～2 480 MHz频段。拥有125个通信频道，供电电压仅需1.9 V～3.6 V[3]。

2.1.2 AMS1117稳压器

AMS1117稳压器用于提供1 A输出电流，它的工作压差低至1 V。它的引脚兼容其他3段SSCI稳压器，相较于其他稳压器，更加经济实惠。

2.1.3 L9110S芯片

L9110S芯片低静态工作电流，宽电源电压范围，每条通道都具有800 mA连续电流输出能力，且工作温度范围在0～80 ℃等一系列优点，能够适应在多种环境下工作，具有良好的可靠性。

2.2 巡检模块

巡检模块包含LM393、LM2596开关电压调节器和MPU6050。

2.2.1 LM393

LM393是一款双电压比较器集成电路，可使用单电源或双电源作为工作电源，单电源工作范围在2 V～36 V，双电源工作范围则在±1 V～±18 V，消耗电流小，输入失调电压小，输出可与CMOS，TTL等兼容，具有较高的工作能力。

2.2.2 LM2596开关电压调节器

这是一种降压型管理单片集成电路，输出电流为3 A，拥有多种输出电压，最高输出可达37 V，输出范围较广，功率高，消耗小，TTL的断电能力，外围电路简单、易操作。

2.2.3 MPU6050

MPU6050是全球首个整合性6轴运动处理组件，相比单独使用陀螺仪和加速度仪，能够有效减小误差，减少占用空间。部件模块内部自带稳压电路，可兼容3.3 V或5 V供电电压。所有设备寄存器之间采用400 kHz的I2C接口或者是1 MHz的SPI接口。一个片上1 024字节的FIFO，有助于降低系统功耗[4-5]。

2.3 应用模块

应用模块包含TB6612FNG驱动模块。

TB6612FNG模块相较于L298N模块的效率大大提升，拥有双驱动也就代表着可驱动两个电机。在额定范围内，芯片几乎不发热。本器件在输出与制动之间切换时，所带动的电机转速与PWM占空比之间能保持良好的性能关系，为适应变电站户外运行需求，机器人车体选用轮式四轮驱动，在运动控制中应用PID控制及PMSM矢量控制算法进行车体控制，实现转速精确控制和转矩快速响应，保证了控制算法的成熟性和稳定性。四轮独立驱动及柔性匹配控制实现了零转弯半径，原地360°旋转，现场路径规划灵活，环境适应能力强。驱动电机使用低磁阻大扭矩驱动电机，系统调速范围宽、效率高、可靠性好，机器人最大运行速度可达1.1 m/s。

2.4 电源模块

电源模块包含PR12V锂电池、PR12V锂电池。

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等许多显著优点，寿命较长，可以到达1 000-2 000次反复充电使用，且18 650锂电池稳定性能好，容量够大，可以满足各种机器的需要，应用在各大领域。PR12V锂电池组能够满足机器人的电压以及电流所有需求，且不具有类似其他类型电池所含有的有毒物质，较为安全，重量轻，不会影响机器人的行动效果，价格较为实惠，相比于其他电池组，PR12 V电池组是最优选[6]。

2.5 信息采集模块

信息采集模块包括无线视频系统。

本项目所需要实现的无线视频系统既包含硬件开发及使用平台，又需要各种端口函数，以便于在开发平台上能够稳定运行。从上述系统设计的大致框架可以看出，本系统的整体构成主要由信息的采集处理、信息传输，以及信息的显示3个部分构成。其中重要模块之一的树莓派硬件平台设备负责通过人工控制摄像头进行数据采集，并且实时保存，同时使用相关技术对数据进行信息化处理，然后通过WIFI接入局域网络﹐进行手机监控、信息数据传输，可以随时通过各种移动设备随时观看。

2.6 信息承载云台模块

信息承载云台模块包括技术平台处理器、云台开发、云台处理和网络状态采用。

2.6.1 技术平台处理器

本项目所采用的存储器是最新的RAM(Random Access Memory)内部存储器。在功能及性能方面，技术平台处理器具有较大的提升空间，能够充分满足本项目的要求，为本项目成功实现提供了硬件支持。在此基础上，本项目还配备了Video Core IV双核GPU。此GPU能够支持OpenGLES2.0OpenVG硬件加速和1080p30 fps H.264/MPEG-4AVC高清解码器，可以实现1Gpixel/s，1.5Gtexelsor24GFLOPs，提供纹理过滤以及DMA基础构架，为使用H.264编码提供了技术保障[7]。

2.6.2 云台开发

本项目要求能够同时实现对多线程序数据处理并通过无线或者局部网络进行稳定传输，例如信息数据的采集、信息数据的编码、信息数据的压缩以及能够传输UDP网络协议的处理等。如果开发平台不具备这些能力，那么所要做的工作量就会大大增加，大量的数据将会等待处理，极其浪费人力物力，对于性能方面也会造成很大的负担，严重影响工作的进度。因此，必须在开发平台上安装所需要的操作系统以此来推动整个系统的运行，提升系统的性能。本项目采用了Python平台，此平台具有便捷的操作系统，作为基于Linux所产生的嵌入式操作系统，具有超强的性能，且同时具有可移植性，但又不缺少稳定性，而且可以实现免费软件定时更新，程序应用丰富，充分满足了本次项目的设计要求。为使信息采集设备和开发平台两者之间能够完美结合，本项目采用了V4L2技术，而数据的编码处理方面则采用了H.264编码技术，结合IP/UDP/RTP协议与WiFi、蓝牙等技术进行高效传输，为本项目的无线视频系统提供了充分且有力的技术支持[8]。

2.6.3 云台处理

本项目采用的是Raspberry Pi的电脑主板，虽然它的几何形状没有那么大但是它功耗低、性能强，能够执行PC的基本功能，可以进行文字和表格的处理，可以满足电子智能巡检机器人的研究。

本项目采用的是2代B型的主板，拥有6个USB2.0类型的接口，而且可以外接USB设备，如：鼠标、键盘，很大程度提高了其扩展能力；运用SD卡作为主要的存储盘，满足数据存储的需要，并且设有支持高清视频输出的 HMDI端口，为视频信息数据的输出稳定提供技术保障。

2.6.4 网络技术采用

本项目采用5G无线传输技术,视频、数据、音像的数据传输更为稳定。5G是4G通信技术进一步升级优化的产物，能够传输更高质量的视频和清晰的图片，满足了广大用户的需要，而且其覆盖面积非常广泛。借助5G技术，图像的清晰度得到了进一步的提升，视频信息速度也得到了进一步的提升。本项目采用的是国内三大运营商移动、联通、电信的无线网络。

3 应用市场调查

市场上大多数使用数据线进行数据传输，如此一来不但成本增加，而且数据覆盖式传输难度几何倍数增加。这种利用数据线进行数据传输的方式不管是在成本还是在传输的难度上对数据传输都有一定的限制。利用数据线进行数据传输在区域性、地域性、限制性的多个区域的限制也很大，所以这种方式并不适合大面积作业。如果选用无线操作的话，时间成本会得到很大的节约，也可以做到随心所欲地查看，大大提高了便利性。

从当前的时代背景来看，大多数年轻人对数据线传输数据的方式已经有了抵触，这种传输方式既麻烦，限制条件又多。而无线网络传输方式的普及会使人们在数据传输时使用更加便捷、快速。在大数据时代下，这种方式已经成为当前时代的主流。各种智能化科技为我们打开了新的大门，给人们带来了很大程度的便利。目前正是智能时代的黄金时期，我们的电力智能巡检机器人也应运而生，可以通过远程操控来实现对目标的实时监测，并且在与数据库进行对比发现异常时，可以立即作出判断。

4 结语

该项目基于自动控制系统对电力智能巡检机器人进行研究，其目的最为主要的可大致分为4点。

(1)解决了变电站设备在运行时出现的紧急突发情况。在电站设备运行时，人员排查耗费的劳动力以及时间都比较多。若是出现突发紧急情况难免无法及时做出处理，该项目能很大程度上改善这一缺点。

(2)可以保证用电设备安全运行。用电设备多存在着各种突发状况，该项目的实施在应对变电设备在运行出现的紧急状况时还能确保用电设备可以安全地运行。

(3)使巡检人员的人身危险降到最低。在巡检人员工作时降低巡检人员所受到伤害的概率，从而使巡检人员的人身危险系数降到最低，避免对巡检人员身体造成的伤害。

(4)对推动国家的机器产业发展做出了贡献。此项目的推出不管在技术上还是在推动机器人产业发展上都有一定的帮助。