0 引言

    近年来我国电力设备发展十分迅速，装机量和保有量均位居世界前列，但目前我国电力传输设施以电力架空线为主，由此造成的事故也在逐年增多，而电力廊道的出现解决了这个问题。电力廊道，顾名思义，就是将电力塔和架空线放置在地下并进行组装所形成的地下配电网络。

    电力廊道空间大、内部环境复杂、环境相对恶劣、空气湿度大且含有可燃气体。我国对电力廊道的巡检任务一般都是由廊道巡检人员定期巡检和检修维护，但电力廊道内的多样的环境对巡检人员的安全以及电力廊道的安全运行造成了极大的威胁^[1]。而如何解决这一问题成为了许多科研工作者研究的内容。

    文献[2]研究了智能机器人在我国电力行业的发展前景；文献[3]设计了一种小型电缆隧道检测机器人，介绍了检测机器人的结构和控制系统；文献[4]研制了一种高压电力廊道自动巡检机器人系统，解决了人工巡检存在的不足；文献[5]提出智能机器人的运用有利于电力系统的安全性和稳定性。本文从智能巡检出发，设计了一种适用于多复杂环境的高压电力廊道巡检机器人，并进一步解决了远程上传数据存储容量冗余和电池配置的问题，有力地保障了电力系统的安全运行。

1 巡检机器人的系统设计总体方案

    鉴于高压廊道长期处于高压、高辐射等复杂环境下，内部未知因素较多，而轮式、履带式和足式机器人无法跨越障碍物和地面积水的情况，本文提出了一种悬挂式巡检机器人。在电力廊道顶部铺设轨道，避开地面障碍物，防止机器人遇水短接宕机。巡检机器人通过控制直流电机来完成自主巡检，其搭载网络摄像机、气体传感器、温湿度传感器、超声波测距等各类传感器完成环境数据采集，并通过无线网络将现场采集的数据传输到现场上位机^[6-7]。

　　根据电力廊道现场环境要求，巡检机器人需要实现以下目标：不间断自主往返巡检、可手动控制、实时采集廊道内部温湿度和地面水位数据、实时采集可燃性气体浓度信息、自动报警等。图1为巡检机器人控制系统总体设计结构框图。

2 硬件方案设计

    在检测机器人控制系统中，各硬件功能模块与微控制器相连，可与现场上位机或远程监控中心通信，当微控制器接收到上位机的控制指令后，机器人开始执行相应的指令，并将廊道内部环境信息和自身情况实时传输到现场上位机^[8]。本文选用STM32F407VET6单片机为高压电力廊道巡检机器人的主控芯片。巡检机器人硬件设计总体框图如图2所示。

2.1 廊道水位检测

    在电力廊道中，环境特殊，电缆设施长期处于地下，若遇到下雨天气，廊道地面容易积水，给巡检人员带来不便。在高压电力廊道巡检机器人上搭载MIK-ES型号超声波液位计，如图3所示，实时测量廊道地面积水的情况，避免地面积水过多而引起的电力短路、断路现象，因此检测廊道地面水位非常重要。当地面水位超过警戒值时，上传数据并发出报警信号。

    在测量过程中，结合超声波传感器自身的测量精度，即测距范围为0～300 cm，检测精度为±0.5%F.S，其阈值确定方法如下：

    根据现场测量数据的计算，廊道高度为2 m，最低层电缆支架离地面距离为0.1 m，若超声波液位计到地面的实际距离为h，在测量过程中，当超声波测量值小于h时，即超声波检测到地面有积水，并发出报警信号。因此廊道水位的阈值要求控制在超声波液位计到地面的实际距离值范围内，且超声波测量值小于h时开始上传水位测量数据。

2.2 可燃气体浓度检测

    对电力廊道内运行环境状况的实时检测除了检测温湿度、地面水位以外，还要对可燃气体的浓度进行实时检测。由于廊道内空气湿度大、气体成分复杂，不同气体差异性很大，需要对气体精确采集，应确保现场气体探测器可靠稳定地工作。

    本文在设计过程中重点考虑对氧气(O₂)、甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H₂S)4种气体进行实时检测，并采用RS-485信号接口的通信方式工作的气体探测器和MQ系列的气体传感器，可实时检测可燃气体浓度值，保证数据的准确性。可燃气体浓度阈值及爆炸极限情况如表1所示。

2.3 远程监控预警

    采用“三点采样上升趋势判断法”来预测是否有异常情况发生，起到预警作用。机器人实时检测廊道中的环境数据，包括温湿度、地面水位、可燃气体浓度以及电缆接头表面温度数据，并对数据进行分析，判断连续等时间采样间隔内的3个采样值是否有上升趋势，如果有继续上升的趋势，就需要上传数据，现场上位机发出预警信号，其具体的判断步骤如下：

    假设某时段内，在连续的等时间间隔内机器人采集到环境温度数值为：A(0)、A(1)、A(2)…A(n)，n取正整数，分别对采集到的环境数据进行比较，若某一数据满足如下的规律，则需要将当前的数值上传到现场上位机。

    根据式(1)，需要上传的数据为A(n+3)，机器人需要继续采集判断下一时刻的数值，如果采集到的数据符合此规律，则继续上传数据。

2.4 通信系统

    电力廊道的数据采集装置与操作员站通过以太网构成数据采集与监视控制系统（SCADA），分为远程监控、现场控制两个部分，将采集到的实时数据（温湿度、地面水位、可燃气体浓度、剩余电量等）信息进行记录、远程上传；远程监控中心管理员通过分析接收到的数据，同时给机器人发送相应的指令，保障电力廊道的安全运行，远程监控系统通信方案设计如图4所示。

2.5 机器人电池配置

    为了使巡检机器人能有效对电力廊道进行巡检，在廊道两端配置充电桩，及时为机器人充电，以满足机器人能单程行驶完全路程的所需电量，但必须考虑机器人在启停段内所需电量，即启停能耗E_L。根据实验数据计算，在不考虑弯道消耗电量的情况下，机器人在行驶过程中的额外损耗电量即为机器人启动、停止阶段所需消耗电量，其占单程行驶所需电量的比例为：

    由此可知启动、停止阶段所需消耗电量的最大值E_L，max的确定是在最小值E_L，min理论计算的基础上加上4%的裕度值。由此储能电池容量的配置方案如下(这里定义单程为运行一次需要充一次电)：

    (1)单程匀速段行驶的路程所需电量E_C和启动、停止阶段所需消耗电量的最小值E_L，min以及设备能耗E_M之和，即为储能电池的容量E_Z：

    (2)单程匀速段行驶的路程所需电量E_C和启动、停止阶段所需消耗电量的最大值E_L，max以及设备能耗E_M之和，即为储能电池的容量：

    根据上述分析计算，当廊道距离s=2 000 m、机器人行驶速度v=0.2 m/s时，单次运行总时间为t_z≈2.78 h，匀速阶段运行时间为t_r≈2.502 h，启、停阶段运行时间为t_s≈0.278 h，则可计算出单次运行过程中的总能耗为：

    根据计算出来的机器人单程运行总能耗数据，结合锂离子电池在比能量和电池寿命等方面优于其他蓄电池的实际情况，选择锂离子电池作为巡检机器人的动力源。

3 软件系统设计

    为实现电力廊道巡检机器人整体系统需求，使用STM32F407VET6单片机为主控芯片，并利用基于Visual Basic 6.0设计的客户端/服务器模式的现场上位机监控界面来进行系统功能测试。监控软件通过无线WiFi网络与巡检机器人时刻保持通信，并控制机器人运行。管理员根据采集的廊道信息做出分析与判断，当机器人检测的数据超过阈值时，上位机预警及报警系统发出报警信号，值班人员及时对相应设备进行检修。

3.1 巡检流程设计

    巡检机器人接收到现场上位机的巡检指令后，机器人会启动并开启相应的设备，向终点方向行驶，当到达第一个检测点时，机器人停止前进并对环境信息进行采集，停留时间为50 s；检测完第一个点时，机器人沿轨道继续前进，到达下一个检测点时便会自动停止并进行检测。在巡检的过程中不断判断是否检测完途中的所有检测点，当机器人检测完沿途中所有点时，表明单次运行结束，此时需要判断机器人的剩余电量是否大于50%，若条件成立，则沿轨道返回向机器人起点方向行驶，检测返回途中的所有点，到达起点位置时，进行充电^[9]。自主往返巡检流程如图5所示。

3.2 上位机监控界面设计

    现场上位机主要实现本地数据显示，同时可以展现现场控制设备的状态以及准确的采集所需要参数的数据，实现这些功能主要依靠VB的空间组合及源代码完成对现场上位机监控软件的编写。整个现场上位机监控界面主要包括用户管理界面(主画面)、环境数据显示界面、登录服务器界面、实时曲线界面、网络摄像机视频图像界面，每个画面间可以相互切换，方便现场工作人员的管理，具有很好的灵活性^[10-11]。其中监控界面如图6所示。

4 结论

    本文进行了高压电力廊道巡检机器人的研究，采用悬挂轨道式机器人行走结构，解决了机器人避障问题。以STM32F407VET6微控制器为核心，构建了巡检机器人硬件总体方案设计和软件调试，通过编程实现不间断对廊道进行自主往返巡检、手动控制、数据存储、自动报警等功能。基于Visual Basic 6.0设计了客户端/服务器模式的无线控制系统现场上位机监控界面。巡检机器人对廊道环境进行检测，实时采集廊道内的温湿度数据、廊道地面水位深度、可燃性气体的浓度等数据，利用无线WiFi模块将数据传输到现场上位机，同时现场上位机可发送指令控制巡检机器人的运行^[12]。并且对远程监控系统进行了预警、告警功能和通信方案设计，有效解决了数据传输过程中数据存储量过大的问题，并通过理论分析，确定了储能电池的配置方案。最后通过实验测试相应的功能，验证了该系统的可行性。

参考文献

[1] 吴威，柏彬，王朋.基于智能轨道的阀厅巡检机器人系统的开发与设计[J].现代电子技术，2018，41(8)：129-131，135.

[2] 文宗林.智能巡检机器人应用现状及问题[J].低碳世界，2018(11)：43-44.

[3] 姜芸，付庄.一种小型电缆隧道检测机器人设计[J].华东电力，2009，37(1)：95-97.

[4] 胡伟，任广振，葛隽，等.高压电力廊道自动巡检机器人系统的研制[J].自动化与仪表，2013，28(12)：13-16.

[5] 王翔.电力系统机器人的研究现状与展望[J].中国设备工程，2018(13)：171-172.

[6] 王忠强，谢丽蓉，王晋瑞，等.基于LabVIEW Robotics移动式探测车避障功能设计[J].实验技术与管理，2017，34(11)：86-90.

[7] 张建中，郝允梁，刘海洋，等.基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用[J].电子技术应用，2017，43(11)：120-123.

[8] 卢靖宇，余文涛，赵新，等.基于超宽带的移动机器人室内定位系统设计[J].电子技术应用，2017，43(5)：25-28.

[9] 黄乐，吴功平，叶旭辉.输电线巡检机器人弱光条件下的障碍物识别研究[J].光学学报，2018，38(9)：291-299.

[10] 李学民.矿用巡检机器人关键技术分析[J].煤矿机械，2018，39(5)：71-73.

[11] 张子洋，孙作雷，曾连荪.视觉追踪机器人系统构建研究[J].电子技术应用，2016，42(10)：123-126，130.

[12] 彭道刚，关欣蕾，戚尔江，等.巡检机器人云台远程控制系统的设计[J].电气传动，2018，48(11)：43-47.

作者信息:

王凯丰1，王忠强2，谢丽蓉1，杨  欢1

(1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐830047；2.陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林719000)