变电站设备室自动清扫机器人研究与应用

变电站设备室自动清扫机器人研究与应用

赵大兴刘广振皮涛

（国网天津市电力公司城南供电分公司天津300204）

摘要：目前大部分变电站设备室的清扫工作主要由物业人员承担，并需要运行人员的监护，清洁成本较高。随着科技进步和电力体制改革的不断深入发展，电力系统自动化程度已有很大提高，为了提高清扫工作频率，节约物业资金投入，科学降低人员工作强度，需要寻求不须监护的变电站设备清扫模式。具备图像和声音的远程监视设备将成为变电站监控的主要手段。基于此，探索更灵活、活动范围更广的监视设施将成为变电站设备远程监控的主要发展方向。本文通过对变电站设备室自动清扫机器人的研究与应用分析，以期更好的推进自动化水平的不断发展。

关键词：变电站设备室自动清扫机器人研究应用

前言：在清洁方面，目前室内地面清扫机器人的研发已经趋于成熟，但还缺少针对电力设施地面清洁，能够对金属废屑进行清扫的大口径清洁机器人的研究。此外，清扫机器人目前多为人工充电，自动定点充电机器人应用较少。在远程监控方面，目前变电站设备巡检移动机器人能够加载能够探知活物的红外热像仪、摄像机以及具有定位功能雷达激光等多种传感器，信号传输的主要渠道为无线网桥和网络集线器，但通过移动设备终端及相关软件进行远程遥控在变电站设备室巡检设备中鲜有研究和应用。

1变电站自动清扫机器人研究与应用目的

对变电站设备室进行定期清扫，避免烟尘覆盖和活物入侵，确保设备安全运行。由于烟尘覆盖容易导致设备散热不利和零件损坏，因监控不当而造成猫、鼠、麻雀等活物入侵或非法的人为破坏均可能导致变电站运行瘫痪。为了使清扫机器人更好完成清扫任务，清扫机器人必须能通过传感技术随时获得自身状态，感知周围环境信息。如何利用多个传感器的信息，对传感器的信息进行融合来减小误差，并通过神经网络、卡尔曼滤波、贝叶斯估计等多种算法来进行多传感器信息的融合，使清扫机器人具有可遥控、可自由行走、可路径规划、可自动充电、防跌落、防碰撞等特性，实现对电力变电站的智能清扫、巡视、预警点等工作。

2变电站自动清扫机器人使用及操作流程

采用STM32单片机作为控制中心，结合单片机的程序，对小车进行PWM调速，并进行寻迹；舵机的控制采用串口通信的方式，由单片机通过串口发送命令给舵机，让舵机按照指令前进。由于舵机需要8V左右的电源，并且几个舵机加在机器人上之后，重量增加，需要电源提供较大的功率，因此直接采用AD-DC供电的方式；另外舵机与单片机的连接需要通过芯片74HC126（三态缓冲）相连。通过传感器来感知前方是否有物品，然后小车和舵机采取相应的动作让摄像头去跟踪前面的物体。

机器人底盘装有五个循迹传感器，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到非黑色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在底盘上的上的传感器接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，底盘上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般不超过3m。

3变电站自动清扫机器人硬软件设计

3.1机械结构

机械结构方面主要设计清扫机器人的移动机构、清扫机构以及传感器在底盘上的布置并用Proe/E建立三维的模型。使其在变电站地面存在小范围高度落差时能够跨越；使其能够对地面进行有水擦洗，并具备自动烘干能力，并保证地面干燥，擦洗周期为一月一次；使其垃圾储物区能够支持至少一个运行巡视周期的容量。

3.2硬件电路

硬件电路主要包括电源模块、电机驱动模块、传感器信息采集模块、显示模块和串口通信模块等。使其实现自主充电功能，在电量不足的情况下能够自动返回充电站充电，并且充电一次的工作时间不得小于180分钟；使其能够在100平方米（净面积）复杂地形（无高度落差）的清扫时间不大于120分钟；使其能够实现故障、停机自动报警功能，并能够进行远传；使其清扫机器人具备监视功能，所生成视频并能够进行本地储存，每星期自动更新。使其能够实时获得环境的状况，识别环境中的垃圾，进行有针对性的清扫工作。

3.3软件构成

软件方面包括电机PWM程序设计、信息采集程序设计、显示模块程序设计等。使其能够进行遥控，遥控终端为ipad，控制通过App软件实现，并且遥控功能和自动功能可以自动切换；使其能够通过远红外探测技术，机器人能够探测到移动活物（如小动物、非法入侵人员等）并自动远传报警。

4变电站自动清扫机器人使用功能介绍

4.1清扫功能

机器人硬件部分包括吸尘管、车身、清扫装置，清扫装置通过旋转装置安装在车身上，清扫装置相对车身可以360°旋转；所述清扫装置包括清扫电机、清扫刷、吸尘口，(清扫刷布置于整个清扫装置两边，吸尘口布置于清扫装置中间，由两台减速电机https://www.baidu.com/s?wd=%E5%87%8F%E9%80%9F%E7%94%B5%E6%9C%BA&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1YYuhn4nvcYmWb1rHf4n1990ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EPHTsrHfvrj0v带动两个清扫刷以适当速度旋转，可将灰尘集中与吸尘口一处；由于吸尘口布置于整个清扫装置中间，可使吸力更集中；清扫刷采用长短交错布置，使灰尘经过吸尘口时更容易被吸走。因此能清除有一定粘附力的污渍，能彻底清除地面尘土，清扫效果好，效率高。软件部分我们可以在上位机设置清扫时间或者人为远程控制机器人进行清扫。

4.2超声波避障功能

于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距避障系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。

4.3超声波室内定位功能

通过机器人内置的避障模块来实现室内定位的方法：超声波发射单元产生两种不同频率的超声波，并以预定的时间间隔按预定的顺序发送超声波；超声波接收单元接收超声波发射单元发出的超声波，滤除干扰杂波，并将处理后的信号传输至数据处理单元；数据处理单元对超声波接收单元传入的数据进行处理，获得移动物体的三维坐标。本发明通过超声波发射单元的特殊设计，以及时间差的应用，解决了超声波发射端与接收端的时间同步问题，移动物体不需发射信号，仅靠接收信号就能完成定位；定位解算高效，实现了移动物体的空间准确定位。

结语：综上所述，通过在变电站设备室使用自动清扫机器人，完成变电站设备间的清扫、巡视提高工作效率和质量，真正起到减员增效的作用，能更好更快地推进变电站无人值守的进程，进而一定程度上推进电力系统自动化的发展，从而为更好的实现无人办公做出更大的努力，当然，由于技术限制，目前机器人的应用方面还存在一定的不足，相信，随着科学技术的不断进步，自动清扫机器人技术还将取得更大的发展，成为电力系统智能化发展过程中的一个有力的组成部分。

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