多功能变电站搜救机器人系统设计

周 宇，斯文麒

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏 南京210000；2.杭州东部信必优服务外包有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

电力作为我国国民经济发展和居民日常生活的能源来源，在整个社会发展中起到了举足轻重的作用，而变电站是保障整个电力系统安全稳定运行的重要环节。随着变电站综合自动化程度不断提高，由电气设备本身因素以及外界环境天气等因素诱发的电力火灾事故日渐增多。电力火灾事故一旦发生，其危险性大且涉及范围广，因此灾害现场的信息获取成为制定灭火救援计划的前提和关键[1]，而变电站搜救机器人成为救援工作中不可缺少的辅助装置[2]。

在传统的救援中，当事故发生后，消防救援人员被派到事故现场直接进行灭火搜救。然而变电站内部设备众多且情况复杂多变，消防救援人员通常不知道火灾内部的实际状况，在事先没有检测到环境信息的情况下进入变电站内部，对救援人员来说是非常危险的。基于这种情况，变电站搜救机器人凭借自身独有的优势，可以快速地投入到搜救工作中，从而为灭火营救工作带来极大方便。

为此，在分析和研究变电站搜救机器人的应用环境和技术要求的基础上[3]，从软硬件结合的角度出发，对可以搭载多种传感器进行环境信息采集的变电站搜救机器人系统进行了深入研究。首先，搭建了以STC12C5A60S2芯片为控制核心的变电站搜救机器人硬件平台；其次，通过对井下无线通信技术的选择对比，选择了应用于变电站搜救机器人的Wi-Fi通信方案；然后，利用LabVIEW软件编写了上位机控制平台，并分析了搜救机器人视频采集、车体姿态3D显示以及模拟雷达技术，开发出一种多功能变电站搜救机器人系统，可实现视频监控和远程控制。

1 系统整体方案设计

本次变电站搜救机器设计过程中，需要满足在Wi-Fi环境下数据传输、上位机的视频监控显示和远程控制的功能[4]。整个系统由上位机监控平台、Wi-Fi无线传输模块、运动控制部分、传感器采集部分和视频采集部分构成。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

由图1可知，传感器采集部分负责采集：事故现场数据信息，如温度、有毒气体浓度、磁场变化、视频信息；自身数据，如车体运行姿态、摄像头姿态和电池电压等。将采集到的数据通过Wi-Fi无线传输模块传输到上位机监控平台，上位机监控平台以电脑为基础，负责对采集的数据进行处理，完成整个系统的数据传输和视频监控工作。PC上位机监控平台上通过Wi-Fi无线模块发出相应的数据指令给单片机处理器，处理器根据相应指令完成对机器人电机、舵机和车灯的控制，完成整个系统的远程控制工作。

2 系统硬件选型与电路设计

硬件系统主要是由控制系统、传感器模块、电源模块、电机驱动电路、舵机和摄像头等模块构成。

2.1 控制系统的选择

本次设计采用STC公司的STC12C5A60S2作为主要的控制核心，该控制芯片内部资源丰富，运算速率快且抗电磁干扰能力强。拥有8路AD，2路PWM波和2路串口。芯片容量为60 KB的ROM，1 280 B的RAM，基本可以满足大容量程序下载，无需再接存储芯片。其功耗较低，性价比高，适合作为本系统的开发平台。控制系统原理如图2所示。

图2 控制系统原理

2.2 传感器模块选型

变电站搜救机器人需要在环境恶劣的火灾现场工作，不仅需要采集事故现场数据信息，而且还需采取车体运行数据回传给上位机。因此，精度和稳定性可作为传感器选型的重要原则[5]。

温度是火灾现场是否正常的重要参考因素，测量现场温度变化，可采用的传感器有温度计、热电偶和热电阻传感器等。温度计测量简洁方便，但因为不能产生电信号，后续的数据处理与报警无法实现。热电阻传感器的种类很多，应用的领域也相当广泛，但存在热响应慢、耐振动和耐冲击性差、成本同比较高的缺点。通过综合比较，本设计采用半导体温度传感器DS18B20，它具有体积小、稳定性好、精度高和操作简单等优点，符合变电站搜救机器人传感器选型要求[6]。

火灾现场环境多变、搜救路线复杂，为了防止车辆翻车，必须利用角度传感器实时了解机器人的车身姿态。本设计采用MMA7260传感器芯片。其优点是体积小、灵敏度高，可以监测X，Y，Z三轴加速度值。不同的角度其输出的各轴电压值不一样，因此根据不同的电压值可以确定车体所对应的角度。

机器人运行期间会遇到许多障碍物，由于属于远程操控，摄像头的探视角度有限。操作者不可能完全了解当时的周围环境，从而很好地进行避障操作。所以为了救援机器人更稳定的运行，本设计用超声波传感器和舵机制作了一个避障模块，可以180°探测小车前方障碍，并把数据传给上位机终端，实时显示当前环境。本设计选用的超声波传感器为HC-SR04，其具有精度高、体积小和使用方便的特点。非接触距离可以提供20～400 cm感应范围，测距精度达到3 cm。

机器人在现场运行时，操作员是无法判断现场方向的，但有时必须知道具体方向才可以详细了解火灾现场情况，所以有必要通过指南针传感器加以判断。而且变电站内如果周围有一些异常，会影响周围电磁场分布，机器人探测到后反馈给上位机显示。因此，可以在事故分析时提供一些有用的操作依据。本设计采用的是IIMC58831指南针传感器，具有灵敏度和线性精度高的优点。

2.3 电源模块设计

搜救机器人在变电站内部工作时，要靠电能来维持其正常工作。本设计相对于传统的变电站搜救机器人电缆供电方式，采用电池直接供电，因此搜救机器人可以行驶更广的范围。本设计中为了保证机器人可以在现场可靠工作并且有很好的续航能力，设计了一套稳定的供电系统。供电方案如图3所示。

图3 系统供电方案

根据图3所示，为了保证救援机器人可以持续工作1 h以上，本设计选用镍镉电池，其输出电压为7.2 V，电量为2 700 mA·h，2块电池串联提供14.4 V电压。

由于不同的芯片或电子元器件需要不同的电压来驱动使能，故本设计中所涉及到的芯片或电子元器件，总共需要3种工作电压：单片机和传感器需要5 V的电压环境；舵机需要6 V的电压环境；无线Wi-Fi模块需要的是12 V的电压环境。

由于单片机模块和各个传感器模块需要5 V电压供电，且所用电流之和不超过1 A，所以本设计采用5 V电压芯片LM2940。其电路原理如图4所示。

图4 LM2940原理

本设计中采用3个Futaba舵机，3个舵机总电流为1.5 A，所以本设计采用的电压芯片为LM7806。其电路原理如图5所示。

图5 LM7806原理

路由器所用电压为12 V、电流为1 A，根据要求及成本选用的芯片为LM7812。由于LM7812供出大电流时会发热，所以选加散热片进行散热。其电路原理如图6所示。

图6 LM7812原理

2.4 电机驱动电路

救援机器人靠两边的电机带动履带完成前进与转弯等动作，因此需要驱动电路对电机进行控制。本设计选用驱动芯片为BTS7960，其优点是驱动电流大，驱动方式简单，电路搭建方便。

使用4个BTS7960驱动芯片驱动2台直流电机，分别为JK1和JK2。单片机P1.3和P1.4连接到BTS7960使能端，输出可用于电机速度控制的PWM脉冲宽度调制信号。STC12C5A60S2引脚P2.5输出5 V，引脚P2.4输出0 V，马达JK1正向旋转(当P2.5引脚输出0 V，引脚P2.4输出5 V，马达JK1反向旋转)。控制第2个电机采用同样的办法，单片机P2.1输出高电平，单片机P2.3输出低电平，电机JK2正转(反之则反转)。BTS7960驱动模块电路原理如图7所示。

图7 BTS7960驱动模块电路原理

3 系统软件设计

软件设计是机器人智能化的体现[7]，系统软件设计分为下位机软件和上位机软件2个部分。下位机软件程序包括多个子程序：控制程序实现电机调速、舵机转动和车灯的开断控制；传感器采集程序完成传感器循坏采集工作；串口通信程序控制单片机和路由通过TTL串口建立通信。上位机则采用NI公司的LabVIEW作为开发平台。系统软件主体流程如图8所示。

图8 系统软件的构成

3.1 无线路由模块

路由作为整个系统的通信枢纽，本设计中使用的无线Wi-Fi通信模块由路由器DB120-WG改造而来。该路由性能稳定、传输范围广且支持OpenWrt[8]。OpenWrt是一个基于Linux的开源路由固件[9]，提供了一个完全可写的文件系统和软件包管理。为了满足本系统设计要求，对路由进行固件升级，刷新ser2net和MJPG-Streamer固件。ser2net可以将Wi-Fi模块所接收到的来自上位机的控制数据，由网络数据转化成串行数据传至单片机，进而实现相应的控制操作。MJPG-Streamer固件可以通过HTTP的形式访问Linux系统，从而可以使摄像头采集的视频信息通过TCP/IP网络协议传输到上位机进行显示。

3.2 上位机监控设计

系统上位机监控软件[10]采用LabVIEW作为开发平台。与传统的开发环境，如VB和C语言使用英文字母编写代码相比，LabVIEW使用的是易于理解的图形化的开发语言，使用灵活、工作效率高。本系统上位机设计界面如图9所示。

图9 上位机监控主界面

根据图9可知，主界面包括视频显示区域、车速显示面板、3D车体姿态显示区域、避障雷达显示模块、传感器数据显示区域和控制按键区域。

视频显示区域位于界面正中央，用于实时显示摄像头监控的现场视频数据。

传感器数据显示区域位于界面的左上方，以图形的方式显示经过换算后的温度、有毒气体浓度和电压值。通过对温度、有毒气体浓度和电压值上限及下限的设计，在超出指定范围时，单片机会发出警报，并且指示灯会闪烁。

3D车体姿态显示区域位于界面左下方，用于显示车体的实时姿态，整个3D图片先用SoildWorks软件进行绘制生成vhrl文件[11]，然后直接用LabVIEW调用。

避障雷达显示模块位于界面右上方，用于显示障碍物位置。本设计运用超声波传感器和舵机模拟雷达探测器的功能。单片机接收超声波数据，然后通过串口把角度和超声波数据传给电脑终端。在电脑终端上直接调用相位图显示，用绿色圆点代表障碍物，从而达到机器人避障作用。

车速显示面板位于界面右下方，用于显示机器人实时车速。

控制按键区位于界面正下方，通过按键可以调整舵机转动角度、启动视频的录制和保存图片。

4 系统测试

系统开发完成后，为了验证机器人的整体设计性能，通过对软硬件性能指标进行全方位检测与调试。各性能评价指标值如表1所示。

表1 系统性能评价指标值

机器人实物样机如图10所示。经过多次测试实验，并结合表1和图10可知：系统采用全金属履带式底盘和2个直流电机驱动，移动性能稳定、操控灵敏、移动速度快、移动范围广且适应多种地形；采用高清网络摄像头，视频像素高、回传信号清晰且响应速度较快；满足搜救机器人视频监控和远程控制的需求。

图10 机器人实物样机

5 结束语

从软硬件结合的角度出发，设计了一种多功能变电站搜救机器人，选择性价比高、性能稳定的STC12C5A60S2单片机作为主控制器搭建硬件平台，选择无线Wi-Fi技术作为通信方案，利用LabVIEW制作了上位机监控平台。系统完成后经过测试表明，本设计既可以实时获取摄像头监控图像、显示各个传感器采集的参数，也可以对机器人进行远程控制。

与传统的搜救机器人相比，本文设计的变电站搜救机器人结合了多传感器信息融合技术、无线通信技术和上位机技术，系统结构简单、功能齐全、智能化程度高且性能稳定可靠，为变电站事故灾后救援工作提供了一种快速有效的辅助手段。