變電站巡檢機(jī)器“變電騎士”的設(shè)計(jì)

白金闊 馬 俊 保卓成 李 謹(jǐn)

（天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300380）

變電站巡檢職務(wù)一直是中重中之重。隨著科技進(jìn)步和電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，變電站設(shè)備的電氣信號(hào)可以通過監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高繼電保護(hù)等裝置獲得，從而實(shí)現(xiàn)了變電站主設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。雖然目前傳統(tǒng)巡檢依然是主力，但是，遠(yuǎn)程監(jiān)控在一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)巡檢的不足，避免人員可以隨意填寫記錄的漏洞。無人在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)監(jiān)視、巡視而帶來的一系列問題，甚至未發(fā)現(xiàn)的隱患。本文重點(diǎn)介紹變電巡檢機(jī)器人的模塊。

1 模塊介紹

1.1 主控板

本設(shè)計(jì)的主控制器為STM32F103。STM32F103 為ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核擁有2個(gè)DMA控制器，共12個(gè)DMA通道：DMA1有7個(gè)通道，DMA2有5個(gè)通道。2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，擁有低功耗等特點(diǎn)可利于與多個(gè)傳感器連接。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊主要運(yùn)用L293D芯片來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本款巡檢機(jī)器人所載L293D是一款單片集成的高電壓、高電流、4通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用于連接標(biāo)準(zhǔn)DTL或TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載和開關(guān)功率晶體管。為了簡(jiǎn)化為雙橋應(yīng)用，L293D每個(gè)通道對(duì)都配備了一個(gè)使能輸入端。L293D邏輯電路具有獨(dú)立的供電輸入，可在更低的電壓下工作。當(dāng)其為高電平時(shí)即啟動(dòng)工作電機(jī)，當(dāng)其為低電平時(shí)則禁止電機(jī)驅(qū)動(dòng)

1.3 工作模塊

此模塊由可見光CCD攝像頭、紅外圖像攝像頭、微型前端處理機(jī)FEP、SX1278無線模塊、GPS定位系統(tǒng)等組成。當(dāng)本款巡檢機(jī)器人開始工作前可將場(chǎng)地CAD圖紙傳輸至微型前端處理機(jī)FEP中以便主控制器以圖紙中路線進(jìn)行巡檢。期間巡檢機(jī)器人可對(duì)設(shè)備使用可見光CCD攝像頭和紅外圖像攝像頭，從而判斷設(shè)備是否正常工作。并且將已經(jīng)獲得的信息通過報(bào)表形式自動(dòng)形成儲(chǔ)存在微型前端處理機(jī)FEP中。隨后微型前端處理機(jī)FEP通過SX1278無線模塊傳輸至上位機(jī)從而進(jìn)行匯總和整理，以節(jié)省人力。期間若工作人員需要調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)情況可將巡檢機(jī)器人從自動(dòng)調(diào)至手動(dòng)狀態(tài)，從而接收驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭、機(jī)械臂等權(quán)限可以更好的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控。期間GPS開始實(shí)現(xiàn)功能可使工作人員依靠攝像頭和上位機(jī)GPS顯示成功到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。其次GPS系統(tǒng)也可觀察巡檢機(jī)器人在自動(dòng)狀態(tài)下是否偏離預(yù)定軌道。

1.4 感應(yīng)模塊

感應(yīng)模塊主要為紅外線感應(yīng)模塊和磁傳感器組成。紅外線感應(yīng)模塊為實(shí)現(xiàn)本款巡檢機(jī)器人進(jìn)行避障、循跡、跟隨部分。此處使用了LM324運(yùn)算放大器該四路放大器可以工作于低至3.0 V或高達(dá)32 V的電源電壓，靜態(tài)電流是MC1741的五分之一左右。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因此在眾多應(yīng)用中無需外部偏置元器件。輸出電壓范圍也包括負(fù)電源電壓。通過使用AD軟件以LM324為核心運(yùn)用多個(gè)PNP和NPN管還有兩個(gè)調(diào)節(jié)電位器（靈敏度）配合紅外線傳感器從而更好的來實(shí)現(xiàn)避障、循跡、跟隨功能。磁傳感器則是為了啟動(dòng)機(jī)械臂的先決條件。

1.5 操作模塊

操作模塊重要?jiǎng)t是機(jī)械臂。機(jī)械臂前端安裝通行磁條可以開啟帶有門禁的設(shè)備間門，當(dāng)磁傳感器感覺到門禁時(shí)傳輸高電平給來L293D從而啟動(dòng)機(jī)械臂來開啟設(shè)備門。此外，當(dāng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)機(jī)械臂 也可幫助工作人員調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從而極大地提高了安全性和有效地節(jié)省了人力。

2 問題分析

主要為硬件和軟件兩個(gè)方面。軟件方面，在運(yùn)用AD軟件繪制電路板時(shí)，因器件庫無法找到PNP2SB772管與NPN2SB772管只得自己繪制，繪制圖無法實(shí)現(xiàn)功能，后來經(jīng)過調(diào)閱資料，反復(fù)檢查才最終確定AD圖的正確性。其次焊接電路板時(shí)，焊錫燙壞電路板底紋，無法進(jìn)行正常工作，后將一根導(dǎo)線焊進(jìn)PCB板中才使其恢復(fù)功能。在機(jī)器臂和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)L293D明顯散熱不好，嚴(yán)重時(shí)自動(dòng)燒毀，最后經(jīng)查閱資料得知，對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），不得將它放在發(fā)熱器件的正上方， 本小組決定將L293D焊接在PCB板的底部，從而達(dá)到散熱效果。

3 總結(jié)

變電站巡檢機(jī)器人就是為了更高效地履行巡檢這個(gè)職責(zé)，將事故和意外降到最小，為變電站的工作場(chǎng)所增添一個(gè)助力。不管是日常的事宜還是在一些不可控的條件下可以替代人力，減少危險(xiǎn)性、節(jié)約人工費(fèi)用提高工作質(zhì)量。本項(xiàng)研究還未達(dá)到預(yù)期的效果還有一些功能未能實(shí)現(xiàn)，后續(xù)本組將繼續(xù)努力爭(zhēng)取將這些沒有實(shí)現(xiàn)的功能早日使它實(shí)現(xiàn)。