CN107520850A - 一种变电站巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站巡检机器人，包括车体，所述车体的上方设置有升降支撑台，所述车体的上表面设置有天线，所述车体的前后两端设置有防碰撞橡胶板支撑架，所述车体的左右两侧设置有车轮挡板，所述车体的下方设置有车轮，所述升降支撑台的上方设置有升降台，所述升降台的上方设置有云台；在云台的下方设计了一个升降支撑台，可以通过对升降支撑台进行高度调节，有效消除因为高度问题而产生的视野盲区；在车体的前后两端增加了防碰撞橡胶板，从而有效的保护巡检机器人的表面以及内部电路结构；在车体的下方增加了无线充电，因为没有电路外露，所以不会产生火花，解决了插头等接触部位会发生老化的问题。

Description

一种变电站巡检机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种变电站巡检机器人。

背景技术

机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动；它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处。

然而传统的变电站巡检机器人在使用过程中，由于巡检机器人自身的高度缺陷，会对高空的一些设备形成视觉死角，另外传统的巡检机器人采用的是接触式充电，长时间充电过后，插头等接触部位会发生老化，很容易产生火花，存在安全隐患；另外传统的巡检机器人在使用过程中如果不小心撞到，会对其表面以及内部电路结构产生损坏，减少了变电站巡检机器人的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变电站巡检机器人，以解决上述背景技术中提出的由于巡检机器人自身的高度缺陷，会对高空的一些设备形成视觉死角，另外传统的巡检机器人采用的是接触式充电，长时间充电过后，插头等接触部位会发生老化，很容易产生火花，存在安全隐患；另外传统的巡检机器人在使用过程中如果不小心撞到，会对其表面以及内部电路结构产生损坏，减少了变电站巡检机器人的使用寿命的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种变电站巡检机器人，包括车体，所述车体的上方设置有升降支撑台，所述车体的上表面设置有天线，所述车体的前后两端设置有防碰撞橡胶板支撑架，所述车体的左右两侧设置有车轮挡板，所述车体的下方设置有车轮，所述升降支撑台的上方设置有升降台，所述升降台的上方设置有云台，所述云台的左侧设置有高清摄像头，所述云台的右侧设置有红外热成像仪，所述高清摄像头的下方设置有补光灯，所述防碰撞橡胶板支撑架上远离车体的一端设置有防碰撞橡胶板，所述升降支撑台的上表面设置有升降限位槽，所述升降支撑台的内部设置有电机，所述电机的右侧设置有卷线轮，所述升降支撑台与升降台的连接处设置有弹簧，所述升降台的下方设置有升降拉线，所述车体的内部设置有减震弹簧支架，所述减震弹簧支架的上方设置有减震弹簧，所述减震弹簧的上方设置有中央处理器，所述中央处理器的下方设置有电池，所述电池的下方设置有电磁辐射屏蔽层，所述电磁辐射屏蔽层的下方设置有高效接收线圈，所述补光灯与中央处理器电连接，所述高清摄像头与中央处理器电连接，所述云台与中央处理器电连接，所述红外热成像仪与中央处理器电连接，所述天线与中央处理器电连接，所述电机与中央处理器电连接，所述中央处理器与电池电连接，所述高效接收线圈与电池电连接。

优选的，所述智能循迹系统包括电源模块、单片机控制模块、跑道信息采集模块、拨码开关调速模块、舵机控制模块和电机驱动模块，所述跑道信息采集模块包括比较器LM339以及相配合的红外发射管和红外接收管，所述比较器的同相输入端连接红外接收管且与地之间连接有分压电阻R3，比较器LM339的反相输入端连接可调电阻器，所述可调变阻器串联在供电电源与地之间，所述红外发射管串联在供电电源与地之间并且串联有限流电阻R2，比较器LM339的输出端输出逻辑电平信号，限流电阻R2与分压电阻R3阻值都选为1KΩ。

优选的，所述车轮挡板共设置有两个，且两个车轮挡板分别安装在车体的左右两侧。

优选的，所述防碰撞橡胶板与车体通过防碰撞橡胶板支撑架固定连接。

优选的，所述天线共设置有两个，且两个天线安装在车体的上表面。

优选的，所述补光灯共设置有两个，且两个补光灯分别安装在云台的左右两侧。

优选的，所述防碰撞橡胶板支撑架共设置有两个，且两个防碰撞橡胶板支撑架分别安装在车体的前后两端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.在云台的下方设计了一个升降支撑台，当受限于巡检机器人的高度而产生视野盲区的时候，可以通过对升降支撑台进行高度调节，而使云台的高度产生变化，有效消除因为高度问题而产生的视野盲区。

2.在车体的前后两端增加了防碰撞橡胶板，当巡检机器人意外发生碰撞的时候，防碰撞橡胶板可以将一部分能量转化为势能，减小了巡检机器人受到的冲击，从而有效的保护巡检机器人的表面以及内部电路结构。

3.在车体的下方增加了无线充电，当巡检机器人巡检完毕回到初始位置后，高效接收线圈就可以对电池进行充电，因为没有电路外露以及接触，所以不会产生火花，也解决了长时间充电过后，插头等接触部位会发生老化的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明对应的升降台结构剖视图；

图3为本发明对应的无线充电结构剖视图；

图4为本发明对应的防碰撞结构侧视图；

图5为本发明的结构框图。

图6为跑道信息采集模块的电路图。

图中：1-防碰撞橡胶板、2-车体、3-升降支撑台、4-补光灯、5-高清摄像头、6-云台、7-红外热成像仪、8-升降台、9-天线、10-车轮挡板、11-车轮、12-防碰撞橡胶板支撑架、13-电机、14-弹簧、15-升降限位槽、16-升降拉线、17-卷线轮、18-中央处理器、19-减震弹簧、20-减震弹簧支架、21-高效接收线圈、22-电池、23-电磁辐射屏蔽层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图6，本发明提供一种技术方案：一种变电站巡检机器人，包括车体2，车体2设置有智能循迹系统，车体2的上方设置有升降支撑台3，车体2的上表面设置有天线9，车体2的前后两端设置有防碰撞橡胶板支撑架12，车体2的左右两侧设置有车轮挡板10，车体2的下方设置有车轮11，升降支撑台3的上方设置有升降台8，升降台8的上方设置有云台6，云台6的左侧设置有高清摄像头5，云台6的右侧设置有红外热成像仪7，高清摄像头5的下方设置有补光灯4，防碰撞橡胶板支撑架12上远离车体2的一端设置有防碰撞橡胶板1，升降支撑台3的上表面设置有升降限位槽15，升降支撑台3的内部设置有电机13，电机13的右侧设置有卷线轮17，升降支撑台3与升降台8的连接处设置有弹簧14，升降台8的下方设置有升降拉线16，车体2的内部设置有减震弹簧支架20，减震弹簧支架20的上方设置有减震弹簧19，减震弹簧19的上方设置有中央处理器18，中央处理器18的下方设置有电池22，电池22的下方设置有电磁辐射屏蔽层23，电磁辐射屏蔽层23的下方设置有高效接收线圈21，补光灯4与中央处理器18电连接，高清摄像头5与中央处理器18电连接，云台6与中央处理器18电连接，红外热成像仪7与中央处理器18电连接，天线9与中央处理器18电连接，电机13与中央处理器18电连接，中央处理器18与电池22电连接，高效接收线圈21与电池22电连接。

智能循迹系统包括电源模块、单片机控制模块、跑道信息采集模块、拨码开关调速模块、舵机控制模块和电机驱动模块，

电源管理模块：主要为系统各模块正常工作分别提供所需要的电源。稳定、高效的电源模块是系统正常工作的基础。

单片机控制模块：本系统采用由ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为系统的控制核心，它负责控制各个模块间的协调工作，主要接收来自跑道信息采集模块和拨码开关调速模块的控制信号，通过对这些信号进行恰当的处理，形成合适的控制量对舵机与驱动电机进行控制。

跑道信息采集模块：该模块相当于智能循迹系统的“眼睛”，主要负责采集小车所处位置当前或前面的赛道信息，输出相应的信号供主控芯片处理。

舵机控制模块：该部分主要作为循迹系统方向控制执行机构，根据主控芯片输出的控制信号执行相应的转角要求。

电机驱动模块：驱动电路是整个系统的重要组成部分，也是高效的算法得以实现的硬件基础。它主要作为控制电机转速的执行机构，要求能有很好加速和制动性能。

根据设计要求，智能循迹系统所循迹的道路为白色道路上铺设50mm宽的黑色引导线，黑白分明，因此也就有多种传感器供选择。方案如下：

方案一：采用CCD传感器来采集道路信息

使用CCD传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用CCD传感器也有其不足之处。首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现循迹系统视觉为目的，实现起来工作量较大，相当繁琐。

方案二：使用红外光电传感器来采集路面信息

使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测范围有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源、器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其产生干扰。

方案三：使用激光光电传感器来采集路面信息

使用激光传感器的优点是采集到的信息稳定，受外界光线影响较小，干扰小，免去了复杂的软件滤波处理，照射距离远，便于提前反应道路状况，做出预判。缺点是成本较高，安装过程较为复杂，激光管寿命不一且易损。

在本次设计要求中，跑道只有黑白两种颜色，循迹系统只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。经过综合考虑，在本项目中采用红外光电传感器制作道路信息控制模块。

跑道信息采集模块包括比较器LM339以及相配合的红外发射管和红外接收管，所述比较器的同相输入端连接红外接收管且与地之间连接有分压电阻R3，比较器LM339的反相输入端连接可调电阻器，所述可调变阻器串联在供电电源与地之间，所述红外发射管串联在供电电源与地之间并且串联有限流电阻R2，比较器LM339的输出端输出逻辑电平信号，限流电阻R2与分压电阻R3阻值都选为1KΩ。跑道信息采集模块通过红外探测法来完成，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，由于黑色吸光，当红外发射管发出的光照射在上面后反射的部分就较小，接收管接收到的红外线也就较少，表现为电阻比较大。同理，当红外光照射在白色表面时发生反射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻就比较小，再与LM339比较器的基准电压相比较，并输出1或0逻辑电平，即传输检测到黑线与否的信息，最后单片机接收到高低电平，发出相应的控制指令。R2为限流电阻，不同大小的限流电阻决定了红外发射管的发射功率，R2越小，红外发射管的功率就越大，多个并联后小车的能耗也就大幅增加，但是同时增加了光电管的探测距离。R3为分压电阻，R3的选择和采用红外接收管的内阻有关，由于R3和红外接收管构成分压电路，因此R3的大小和接收管的电压变化有关。若电路工作正常，光电管在黑线和白纸上移动，则在图中R3的上端也就是LM339的反向输入端应该有明显的电压变化，良好的情况下电压变化可以达到3-4V，根据实际测试情况，设计中限流电阻R2与分压电阻R3阻值都选为1K。图中比较器的同向输入端接的滑动变阻器，为比较器提供参考电压，根据R3上端的电压变化范围1.7~4.7V，具体参考电压选为3V。

设计中使用的比较器LM339类似于增益不可调的运算放大器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。我们为同向输入端提供3V的参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态。从而确保LM339的输出端输出“0”或“1”的逻辑电平。

电机驱动电路是整个系统的重要组成部分，也是高效的算法得以实现的硬件基础。要获得一个良好的加速性能以及入弯时的及时制动能力，选择一个性能优异的驱动电路时不可或缺的。

方案一：自己搭建H桥电机驱动电路

根据设计需要分析，可用功率三极管或者CMOS管来搭建，这样有助于提高我们的动手能力和知识融会贯通的能力。桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。由于H 桥电路可以很方便的实现电机正反转的驱动，因此应用广泛。但在实际制作中必须选用参数尽量完全一致的管子才行，而这些元件的制造工艺只能保障在一定的范围内一致，这样，给调试带来不少的麻烦，而且抗外界干扰能力差，复杂化了电路的设计。

方案二：采用H桥集成电路芯片L298N

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

控制器采用AT89S52作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以更好的存储程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。采用Atmel 公司的AT89S52 单片机作为主控制器。它是一个低功耗，高性能的8 位单片机，片内含32k 空间的可反复擦写100,000 次Flash 只读存储器，具有4K 的随机存取数据存储器（RAM），32个 I/O口，2个8位可编程定时计数器，且可在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。设计中采用外部时钟，晶振频率为12MHZ并采用手动复位。

为了使巡检机器人在运动过程中更加稳定，本实施例中，优选的，车轮挡板10共设置有两个，且两个车轮挡板10分别安装在车体2的左右两侧。

为了使防碰撞橡胶板1更好的固定，本实施例中，优选的，防碰撞橡胶板1与车体2通过防碰撞橡胶板支撑架12固定连接。

为了使巡检机器人的信号传输更好，本实施例中，优选的，天线9共设置有两个，且两个天线9安装在车体2的上表面。

为了使巡检机器人在弱光情况下的补光更好，本实施例中，优选的，补光灯4共设置有两个，且两个补光灯4分别安装在云台6的左右两侧。

为了使巡检机器人的防碰撞性能更好，本实施例中，优选的，防碰撞橡胶板支撑架12共设置有两个，且两个防碰撞橡胶板支撑架12分别安装在车体2的前后两端。

本发明中的中央处理器18其具体型号为ATMEL AT91SAM9263。

本发明的工作原理及使用流程：本发明安装好过后，通过给电机13供电使电机13运转带动轮子11转动，从而使车体2移动，红外热成像仪7以及高清摄像头5可以将巡检机器人前方的视野进行数据转化，转化后的数据通过天线9传出；

当由于巡检机器人自身的高度而产生视野盲区时，可以通过给电机13供电，使电机13运转带动卷线轮17转动，从而使升降拉线16的长度变长，使升降台8在弹簧14的支撑下进行升高；

当巡检机器人由于意外而发生碰撞时，由于防碰撞橡胶板1在车体2的两端，可以率先接触到碰撞物体，防碰撞橡胶板1可以将碰撞所产生的能量的一部分转化为势能，从而减少巡检机器人所受到的碰撞冲击，有效保护其表面以及内部的电路结构；

巡检完毕后，巡检机器人回到初始位置，车体2底部的高效接收线圈21就可以对电池22进行充电。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种变电站巡检机器人，包括车体（2），其特征在于：所述车体（2）设置有智能循迹系统，车体（2）的上方设置有升降支撑台（3），所述车体（2）的上表面设置有天线（9），所述车体（2）的前后两端设置有防碰撞橡胶板支撑架（12），所述车体（2）的左右两侧设置有车轮挡板（10），所述车体（2）的下方设置有车轮（11），所述升降支撑台（3）的上方设置有升降台（8），所述升降台（8）的上方设置有云台（6），所述云台（6）的左侧设置有高清摄像头（5），所述云台（6）的右侧设置有红外热成像仪（7），所述高清摄像头（5）的下方设置有补光灯（4），所述防碰撞橡胶板支撑架（12）上远离车体（2）的一端设置有防碰撞橡胶板（1），所述升降支撑台（3）的上表面设置有升降限位槽（15），所述升降支撑台（3）的内部设置有电机（13），所述电机（13）的右侧设置有卷线轮（17），所述升降支撑台（3）与升降台（8）的连接处设置有弹簧（14），所述升降台（8）的下方设置有升降拉线（16），所述车体（2）的内部设置有减震弹簧支架（20），所述减震弹簧支架（20）的上方设置有减震弹簧（19），所述减震弹簧（19）的上方设置有中央处理器（18），所述中央处理器（18）的下方设置有电池（22），所述电池（22）的下方设置有电磁辐射屏蔽层（23），所述电磁辐射屏蔽层（23）的下方设置有高效接收线圈（21），-所述补光灯（4）与中央处理器（18）电连接，所述高清摄像头（5）与中央处理器（18）电连接，所述云台（6）与中央处理器（18）电连接，所述红外热成像仪（7）与中央处理器（18）电连接，所述天线（9）与中央处理器（18）电连接，所述电机（13）与中央处理器（18）电连接，所述中央处理器（18）与电池（22）电连接，所述高效接收线圈（21）与电池（22）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种变电站巡检机器人，其特征在于：所述智能循迹系统包括电源模块、单片机控制模块、跑道信息采集模块、拨码开关调速模块、舵机控制模块和电机驱动模块，所述跑道信息采集模块包括比较器LM339以及相配合的红外发射管和红外接收管，所述比较器的同相输入端连接红外接收管且与地之间连接有分压电阻R3，比较器LM339的反相输入端连接可调电阻器，所述可调变阻器串联在供电电源与地之间，所述红外发射管串联在供电电源与地之间并且串联有限流电阻R2，比较器LM339的输出端输出逻辑电平信号，限流电阻R2与分压电阻R3阻值都选为1KΩ。

3.根据权利要求1所述的一种变电站巡检机器人，其特征在于：所述车轮挡板（10）共设置有两个，且两个车轮挡板（10）分别安装在车体（2）的左右两侧。

4.根据权利要求1所述的一种变电站巡检机器人，其特征在于：所述防碰撞橡胶板（1）与车体（2）通过防碰撞橡胶板支撑架（12）固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种变电站巡检机器人，其特征在于：所述天线（9）共设置有两个，且两个天线（9）安装在车体（2）的上表面。

6.根据权利要求1所述的一种变电站巡检机器人，其特征在于：所述补光灯（4）共设置有两个，且两个补光灯（4）分别安装在云台（6）的左右两侧。

7.根据权利要求1所述的一种变电站巡检机器人，其特征在于：所述防碰撞橡胶板支撑架（12）共设置有两个，且两个防碰撞橡胶板支撑架（12）分别安装在车体（2）的前后两端。