CN111864608A - 一种用于野外集装配电系统的运检装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于野外集装配电系统的运检装置，包括布置于野外集装配电舱内的线性巡检轨道以及巡检机器人，线性巡检轨道铺设滑触线，巡检机器人上搭载的触头与滑触线之间保持滑动接触以实现巡检机器人的供电；巡检机器人的控制系统包括主控制器以及与主控制器连接的电机控制模块和导航定位模块；主控制器，用于获取导航定位模块的定位结果，根据定位结果生成控制指令，并将控制指令下发到电机控制模块；电机控制模块，用于根据主控制器下发的控制指令控制巡检机器人的各个电机轴的运动；导航定位模块，用于对巡检机器人的各个电机轴进行定位。本发明能够适用于集装变配电设备舱内运行，完成对野外集装配电系统中设备运行状态的智能巡检。

Description

一种用于野外集装配电系统的运检装置

技术领域

本发明涉及野外配电系统技术领域，尤其涉及一种用于野外集装配电系统的运检装置。

背景技术

伴随时代发展，电力设备应用遍布社会生产与人民生活的各个方面。其中变配电设备作为与终端负荷直接相连接的部分，亟需确保所属设备的安全、可靠运行，这就需要对设备进行有效监控，以便动态掌握设备的运行状况，目前在变配电设备运维过程中，存在工作量大、安全风险高、巡检质量不可控、巡检频次低等问题。为此，近年出现了专用于电力变配电的室外智能机器人，但对于特殊领域的野外集装式配电系统设备，由于其远离工区，且舱内空间相对狭小，工况复杂，在无人值守的情况下监护及时性得不到保障，常规机器人难以实现舱内运行状态的可靠不间断巡检。

因此，迫切需要一种更为先进、智能的舱内巡检装置，完成对设备运行状态的智能巡检，为野外集装配电系统远程管理与决策提供更加稳定可靠的技术实现方案。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种用于野外集装配电系统的运检装置，能够适用于集装变配电设备舱内运行，完成对设备运行状态的智能巡检，为野外集装配电设备远程管理与决策提供更加稳定可靠的依据。

本发明提供了一种用于野外集装配电系统的运检装置，包括布置于野外集装配电舱内的线性巡检轨道以及巡检机器人，所述线性巡检轨道铺设滑触线，所述巡检机器人上搭载的触头与所述滑触线之间保持滑动接触以实现所述巡检机器人的供电；

所述巡检机器人的控制系统包括主控制器以及与所述主控制器连接的电机控制模块和导航定位模块；

所述主控制器，用于获取所述导航定位模块的定位结果，根据所述定位结果生成控制指令，并将所述控制指令下发到所述电机控制模块；

所述电机控制模块，用于根据所述主控制器下发的所述控制指令控制所述巡检机器人的各个电机轴的运动；

所述导航定位模块，用于对所述巡检机器人的各个电机轴进行定位。

可选地，所述主控制器包括ADC接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括电源管理模块；

所述电源管理模块包括电压/电流采集电路、整流滤波电路以及电压转换电路，所述整流滤波电路的输入端与所述巡检机器人上搭载的触头连接，所述整流滤波电路的输出端分别与所述电压/电流采集电路、电压转换电路的输入端连接，所述电压/电流采集电路的输出端与所述ADC接口连接，所述电压转换电路的输出端用于为所述主控制器的各个模块供电。

可选地，所述主控制器包括MAC控制器；

所述巡检机器人的控制系统还包括通信模块，所述通信模块包括与所述 MAC控制器连接的物理接口收发器PHY，用于与后台管理软件建立通信连接。

可选地，所述导航定位模块包括里程计传感器和RFID定位设备，所述里程计传感器和RFID定位设备与所述主控制器连接，用于采集所述巡检机器人的位置信息，并上传到所述主控制器。

可选地，所述主控制器包括第一定时器、第二定时器、第三定时器和第一 GPIO接口；

电机控制模块包括与各个定时器对应设置的第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路以及控制电路，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路用于驱动所述巡检机器人的升降电机轴、链网伸缩电机轴和行走电机轴的运动，所述控制电路与所述第一GPIO接口连接，用于对各个驱动电路进行使能控制，或，控制所述巡检机器人的各个电机轴的方向。

可选地，所述主控制器包括第二GPIO接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括安全防护模块，所述安全防护模块包括红外雷达，所述红外雷达与所述第二GPIO接口连接，用于将监测信号上传到所述主控制器。

可选地，所述运检装置还包括配电系统；

所述配电系统包括电网供电模块、蓄电池供电模块、功率变换管理模块，所述功率变换管理模块，用于控制所述电网供电模块和所述蓄电池供电模块之间的供电切换。

可选地，所述功率变换管理模块包括MPPT控制器和两电平双向变换器，所述蓄电池供电模块包括置于所述野外集装配电舱顶部的太阳能板和储能电池；

所述MPPT控制器，用于实现所述太阳能板对所述储能电池的充放电控制；

所述两电平双向变换器，用于控制所述电网供电模块和所述蓄电池供电模块之间的供电切换。

可选地，所述主控制器还包括第一串口、第三GPIO接口以及SWD接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括调试模块、状态指示灯和程序烧录模块，所述调试模块与所述第一串口连接以实现对主控制器的程序调试，所述状态指示灯与所述第三GPIO接口连接，以根据所述主控制器的指令进行状态显示，所述程序烧录模块与所述SWD接口连接以实现主控制器的程序烧录。

本发明实施例提供的用于野外集装配电系统的运检装置，将常规轮式机器人改为置顶轨道式巡检机器人，能够适用于集装变配电设备舱内运行，在舱内狭小空间内自由移动，降低运动控制难度，增加运动控制可靠性和稳定性，巡检机器人可在上下垂直方向上自由伸缩，对两米以上的柜体可以从底到顶的视野全覆盖，无监视死区，完成对设备运行状态的智能巡检。而且巡检机器人供电方式由常规电池供电改为滑轨式供电，实现24小时不间断供电，不间断运行。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的巡检机器人的控制系统的结构框图；

图2为本发明另一实施例提供的巡检机器人的控制系统的结构框图；

图3为本发明实施例提供的配电系统的供电原理示意图；

图4为本发明实施例提供的野外集装配电系统的舱体布置示意图；

图5为本发明实施例提供的主控制器的应用资源分配图；

图6为本发明实施例的电源管理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供用于野外集装配电系统的运检装置，包括布置于野外集装配电舱内的线性巡检轨道以及巡检机器人，所述线性巡检轨道铺设滑触线，所述巡检机器人上搭载的触头与所述滑触线之间保持滑动接触以实现所述巡检机器人的供电。

本发明实施例中，在电力变配电系统领域通过将轮式巡检机器人改为挂轨式机器人，实现集装舱内狭小空间的自动巡检。机器人上下垂直方向利用网链可从顶到底自由伸缩，相对轮式机器人无视野范围死区。

进一步地，所述巡检机器人包括控制系统部分。图1为本发明实施例提供的巡检机器人的控制系统的结构框图。参见图1，所述巡检机器人的控制系统包括主控制器10以及与所述主控制器10连接的电机控制模块20和导航定位模块30；

所述主控制器10，用于获取所述导航定位模块30的定位结果，根据所述定位结果生成控制指令，并将所述控制指令下发到所述电机控制模块20；

所述电机控制模块20，用于根据所述主控制器10下发的所述控制指令控制所述巡检机器人的各个电机轴的运动；

所述导航定位模块30，用于对所述巡检机器人的各个电机轴进行定位。

图2为本发明另一实施例提供的巡检机器人的控制系统的结构框图。参见图2，所述巡检机器人的控制系统包括主控制器10以及与所述主控制器10连接的电机控制模块20、导航定位模块30、电源管理模块40、通信模块50以及安全防护模块60。

其中，所述运检装置还包括配电系统，所述配电系统包括电网供电模块70、蓄电池供电模块、功率变换管理模块90，所述功率变换管理模块90，用于控制所述电网供电模块70和所述蓄电池供电模块之间的供电切换。

进一步地，所述功率变换管理模块90包括MPPT控制器和两电平双向变换器，所述蓄电池供电模块包括置于所述野外集装配电舱顶部的太阳能板801和储能电池802；

所述MPPT控制器，用于实现所述太阳能板801对所述储能电池802的充放电控制；

所述两电平双向变换器，用于控制所述电网供电模块70和所述蓄电池供电模块(储能电池802)之间的供电切换。

本发明实施例中，配电系统的供电原理可参见图3，野外集装配电系统运行工况稳定性有限，为保证在市电出现异常情况下机器人能继续维持工作一段时间，配电系统专门设置了专用光补储能装置即蓄电池供电模块，功率变换管理模块通过双向逆变器实现光-电池-市电的双向变换，在此基础上连接专用开发的控制器。通过控制器控制双向逆变器实现电池间歇放电测试，保证电池在关键时刻的百分百可用性。

功率变换管理模块90主要包括MPPT和两电平双向变换器两部分，通过控制策略实现DC/DC降压以及DC/AC在整流和逆变模式下无缝切换，使储能可工作于输出功率状态和吸收功率状态。智能巡检机器人滑触轨接于动力装置直流母线上，使智能巡检机器人可靠工作于多路电源供电状态下。

本发明实施例中，舱内设有专为吊轨配套设计的舱体壁挂式光补储能变流装置，集装本电系统在市电异常整套配电主系统停运时，巡检机器人依然能利用储能系统提供的电能持续无间断运行。在此领域所独有。

本发明实施例中，通过双向有源逆变功率单元及专用控制器实现储能蓄电池间歇放电测试，实时监测电池健康度，提升了智能巡检机器人后备电源的可靠性，保证了市电异常时后备电源百分百可用性。在此领域所独有。

图4为本发明实施例提供的野外集装配电系统的舱体布置示意图。参见图4，在野外集装配电系统的舱体内布置有线性巡检轨道、巡检机器人以及两电平双向变换器、储能电池、电源柜、配电柜、综控柜。在野外集装配电系统的舱外顶，设置有组串的多个太阳能板。

本实施中，系统主控制器10硬件可以采用ST公司的STM32F103RB处理器的核心板+接口板形式实现，开发工具采用KELL MKD5.17，嵌入式操作系统采用国产开源RT-Thread实时操作系统。

针对本集装配电轨道式巡检机器人的需求，主控制器的外围电路设计较为简洁，主要在于小系统搭建和针对应用的外围资源分配及引出，其中针对应用的资源分配如图5所示。

主控制器芯片以太网MAC控制器用于网络通信，在主控芯片之外扩展 PHY芯片。

定时器1、定时器2、定时器3工作在PWM脉冲输出模式，在额外一些GPIO 的配合下，分别用于三个电机的驱动。

ADC1接口用于电源管理，实现多路电流电压的采集。

4个GPIO口用于安全防护输入，3个GPIO口用于0位校准输入，3个GPIO 用于状态指示灯。

SPI1接口连接RFID读卡器IC，用于位置校准。

UART1用于芯片IAP编程和调试使用，而SWD接口用于ISP编程。

UART2、3、4接口引出，以备以后装置升级用。

为了保证系统可靠运行，STM32F103RB小系统部分采取了一系列措施，包括针对每对电源引脚增加了0.1uF去耦电容；ADC模拟电源和参考电压采用了电容、磁珠组成的π型滤波电路，可有效抑制数字电路的高频噪声；采用外部有源晶振代替片内RC振荡器，以降低时钟温飘，提高时钟精确度和稳定性；复位电路增加RC电路吸收可能胡空间电磁场、电源噪声等带来的干扰，结合内部WDT看门狗计时器，可有效保证芯片的可靠运行。

在本发明一个具体实施例中，所述主控制器包括ADC接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括电源管理模块，图6为本发明实施例的电源管理模块的结构示意图，参见图6，所述电源管理模块包括电压/电流采集电路、整流滤波电路以及电压转换电路，所述整流滤波电路的输入端与所述巡检机器人上搭载的触头连接，所述整流滤波电路的输出端分别与所述电压/电流采集电路、电压转换电路的输入端连接，所述电压/电流采集电路的输出端与所述ADC接口连接，所述电压转换电路的输出端用于为所述主控制器的各个模块供电。

本发明实施例中，采用滑触线方式供电。该方式下需要沿轨道铺设滑触线，机器人与滑触线接触取电。巡检机器人行走过程中，搭载在机器人上的电刷和和滑触线之间保持滑动接触，从而本控制系统获得交流18V的输入电源，该电源通过控制系统电源管理模块进行处理转换后分配给后续各电路模块使用。对于各模块电源的电压转换，使用了LM2576-HV开关电源实现，而掉电管理则通过主控制器使能LM2576-HV控制引脚的方式实现。

在本发明一个具体实施例中，所述主控制器包括MAC控制器；

所述巡检机器人的控制系统还包括通信模块，所述通信模块包括与所述 MAC控制器连接的物理接口收发器PHY，用于与后台管理软件建立通信连接。

本发明实施例提供的轨道式巡检机器人的控制系统与后台管理软件通信，选用的WIFI的方式实现机器人控制系统通信。其适合本集装配电舱内的移动应用、带宽大的特点。其中电路部分主要由主控制器片内外设MAC控制器、物理层芯片PHY和网络变压器组成。

其中网络变压器用于信号隔离和信号阻抗转换。PHY则实现了以太网接口的物理层，用于数据收发和编解码等。MAC则实现了数据链路层，主要实现了数据缓存、流控等功能。MAC和PHY之间通过MII接口传输数据，通过 MDC/MDIO接口实现PHY的配置管理。在本控制系统中，PHY芯片选用了 TI公司的DP83848J。该芯片是单端口10/100M以太网收发器，完全满足 IEEE-802.3U标准，支持MII/RMII接口，支持2个LED指示连接状态和速度。而变电器则选用了和RJ45连接器集成的方案，便于降低系统体积。

在本发明一个具体实施例中，所述导航定位模块包括里程计传感器和RFID 定位设备，所述里程计传感器和RFID定位设备与所述主控制器连接，用于采集所述巡检机器人的位置信息，并上传到所述主控制器。本发明通过里程计 +RFID定位双机制，实现运动过程中毫米级定位。

本发明实施例中，由于设计为道式巡检机器人，运行在线性轨道上，只需要实现一维的定位即可，但为了后续的巡检传感准确，对精度有毫米级的较高要求，本发明采用里程计+RFID的定位方案。为了解决里程计数方式带来的积累误差，本发明提供的控制系统引入了RFID校准和零位校准两种误差清除方法，其中零位校准主要用于升降电机轴和链网伸缩电机轴，而RFID校准主要用于机器人行走电机轴。MFRC522通过SPI接口与主控制器连接，当MFRC522 读到有效卡内的位置信息后，可以通过IRQ引脚触发主控制器外部中断，在软件的配合下，主控制器通过SPI及时读取RFID内存储的位置信息，使得机器人在运动中及时完成位置校准。

在本发明一个具体实施例中，所述主控制器包括第一定时器、第二定时器、第三定时器和第一GPIO接口；

电机控制模块包括与各个定时器对应设置的第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路以及控制电路，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路用于驱动所述巡检机器人的升降电机轴、链网伸缩电机轴和行走电机轴的运动，所述控制电路与所述第一GPIO接口连接，用于对各个驱动电路进行使能控制，或，控制所述巡检机器人的各个电机轴的方向。

本发明实施例中，第一定时器1、第二定时器2、第三定时器3工作在PWM 脉冲输出模式，在额外第一GPIO接口的配合下，分别用于三个电机的驱动。

本发明实施例中，采用57型步进电机电机，并配套使用SANYO公司的 LV8727单片集成步进电机控制芯片驱动电机。脉冲由STM32F103RB CPU输出，脉冲的频率决定电机的转速，脉冲的数量决定电机转动的角度。为保证电机的运行稳定，并且在电机加减速、起停等阶段尽量减少对其他电路模块的影响，对电源部分加入了一大一小两个电容，以滤除高频噪声和瞬时供能。

在本发明一个具体实施例中，所述主控制器包括第二GPIO接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括安全防护模块，所述安全防护模块包括红外雷达，所述红外雷达与所述第二GPIO接口连接，用于将监测信号上传到所述主控制器。

在本发明一个具体实施例中，所述主控制器还包括第一串口、第三GPIO 接口以及SWD接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括调试模块、状态指示灯和程序烧录模块，所述调试模块与所述第一串口连接以实现对主控制器的程序调试，所述状态指示灯与所述第三GPIO接口连接，以根据所述主控制器的指令进行状态显示，所述程序烧录模块与所述SWD接口连接以实现主控制器的程序烧录。

本发明实施例提供的用于野外集装配电系统的运检装置，具有以下有益效果：

1、实现集装配电舱内的机器人自动巡检。能够在舱内狭小空间内自由移动。

2、将常规轮式机器人改为置顶轨道式巡检机器人，降低运动控制难度，增加运动控制可靠性和稳定性。

3、巡检机器人可在上下垂直方向上自由伸缩，对两米以上的柜体可以从底到顶的视野全覆盖，无监视死区。

4、通过里程计+RFID的导航定位方式实现毫米级定位控制，提升定位精度。

5、巡检机器人供电方式由常规电池供电改为滑轨式供电，实现24小时不间断供电，不间断运行。

6、对巡检机器人设置有专用光补储能装置，可实现市电异常情况下机器人继续持续稳定工作一段时间，同时专用的双向逆变控制器对电池健康度的实时监测，可保证电池在关键时刻的百分百可用性。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，包括布置于野外集装配电舱内的线性巡检轨道以及巡检机器人，所述线性巡检轨道铺设滑触线，所述巡检机器人上搭载的触头与所述滑触线之间保持滑动接触以实现所述巡检机器人的供电；

所述巡检机器人的控制系统包括主控制器以及与所述主控制器连接的电机控制模块和导航定位模块；

所述主控制器，用于获取所述导航定位模块的定位结果，根据所述定位结果生成控制指令，并将所述控制指令下发到所述电机控制模块；

所述电机控制模块，用于根据所述主控制器下发的所述控制指令控制所述巡检机器人的各个电机轴的运动；

所述导航定位模块，用于对所述巡检机器人的各个电机轴进行定位。

2.根据权利要求1所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述主控制器包括ADC接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括电源管理模块；

所述电源管理模块包括电压/电流采集电路、整流滤波电路以及电压转换电路，所述整流滤波电路的输入端与所述巡检机器人上搭载的触头连接，所述整流滤波电路的输出端分别与所述电压/电流采集电路、电压转换电路的输入端连接，所述电压/电流采集电路的输出端与所述ADC接口连接，所述电压转换电路的输出端用于为所述主控制器的各个模块供电。

3.根据权利要求1所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述主控制器包括MAC控制器；

所述巡检机器人的控制系统还包括通信模块，所述通信模块包括与所述MAC控制器连接的物理接口收发器PHY，用于与后台管理软件建立通信连接。

4.根据权利要求1所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述导航定位模块包括里程计传感器和RFID定位设备，所述里程计传感器和RFID定位设备与所述主控制器连接，用于采集所述巡检机器人的位置信息，并上传到所述主控制器。

5.根据权利要求1所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述主控制器包括第一定时器、第二定时器、第三定时器和第一GPIO接口；

电机控制模块包括与各个定时器对应设置的第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路以及控制电路，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路用于驱动所述巡检机器人的升降电机轴、链网伸缩电机轴和行走电机轴的运动，所述控制电路与所述第一GPIO接口连接，用于对各个驱动电路进行使能控制，或，控制所述巡检机器人的各个电机轴的方向。

6.根据权利要求1所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述主控制器包括第二GPIO接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括安全防护模块，所述安全防护模块包括红外雷达，所述红外雷达与所述第二GPIO接口连接，用于将监测信号上传到所述主控制器。

7.根据权利要求1所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述运检装置还包括配电系统；

所述配电系统包括电网供电模块、蓄电池供电模块、功率变换管理模块，所述功率变换管理模块，用于控制所述电网供电模块和所述蓄电池供电模块之间的供电切换。

8.根据权利要求7所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述功率变换管理模块包括MPPT控制器和两电平双向变换器，所述蓄电池供电模块包括置于所述野外集装配电舱顶部的太阳能板和储能电池；

所述MPPT控制器，用于实现所述太阳能板对所述储能电池的充放电控制；

所述两电平双向变换器，用于控制所述电网供电模块和所述蓄电池供电模块之间的供电切换。

9.根据权利要求1-8任一项所述的用于野外集装配电系统的运检装置，其特征在于，所述主控制器还包括第一串口、第三GPIO接口以及SWD接口；

所述巡检机器人的控制系统还包括调试模块、状态指示灯和程序烧录模块，所述调试模块与所述第一串口连接以实现对主控制器的程序调试，所述状态指示灯与所述第三GPIO接口连接，以根据所述主控制器的指令进行状态显示，所述程序烧录模块与所述SWD接口连接以实现主控制器的程序烧录。

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