CN112001042A - 一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法及硬件系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,根据变压器检测机器人的壳体形状,考虑机器人内部的相关部件的规格尺寸和配置参数,设计出机器人的硬件组成模块;将上述硬件组成模块按照系统设计需求和所要实现的功能进行组合,设计出机器人的主控电路结构;结合机器人的壳体和硬件组成模块的安装位置,设计出机器人的硬件系统的各模块电路结构;将设计出的主控电路结构和各模块电路结构,安装至机器人的机械壳体内部,对包含有微处理器的主控电路结构烧录系统控制程序模块,连接各硬件组成模块组成完整的用于油浸式变压器检测机器人的硬件系统。本发明提供的方法能满足油浸式检测机器人的硬件系统设计,具有很强的适应性和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域,具体涉及一种用于输电站油浸式变压器内部检测机器人的硬件系统设计方法及硬件系统,配备有图像探测装置、控制单元和通信设备,可以检测变压器内部的连接线路和工作状态。
背景技术
大型电力变压器在电力系统运行过程中,承担着电压变换、电能分配和传输等功能,由于设备面临周期性停电检验和固件损坏情况下的故障诊断等问题,检修前为了准确判断故障类型、故障位置,经常需要放干变压器中的绝缘油,再安排专业的检测员经变压器上设置的人孔进入到变压器内部检测故障进行维修。上述检测方法不仅维护成本非常高,容易将污染带入变压器内部,而且对维护人员带来健康隐患。
鉴于此,为了保障电力变压器的正常稳定工作,迫切需要油浸式变压器检测机器人可以代替人力在不排油的情况下,进入变压器内部进行周期巡检和故障诊断。油浸式变压器检测机器人需要定期进入变压器内部进行巡检和故障诊断,为了使变压器检测机器人工作状态稳定可靠,亟需可靠及稳定的硬件系统在变压器检测机器人中运行。
发明内容
本发明的目的在于针对输电站变压器内部人为进行故障巡检和维修时,技术成本高、容易污染原油环境和存在安全隐患等问题,提供一种性能稳定的变压器检测机器人的硬件系统设计方法及硬件系统。本发明所采用的技术方案如下:
一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,包括如下步骤:
S1、根据变压器检测机器人的壳体形状,考虑机器人内部相关部件的规格尺寸和配置参数,设计硬件系统的硬件组成模块;
S2、根据步骤S1中的硬件组成模块,将上述硬件组成模块按照系统设计需求和所要实现的功能进行组合,设计硬件系统的主控电路结构;
S3、根据步骤S2中设计的主控电路结构,结合机器人的壳体形状和各硬件组成模块的安装位置,设计硬件系统的各模块电路结构;
S4、将步骤S2和S3中设计出的主控电路结构和各模块电路结构,安装至机器人的壳体内部,在包含有微处理器的主控电路结构中烧录硬件系统的控制程序模块,连接各硬件组成模块形成完整的用于油浸式变压器检测机器人的硬件系统。
利用上述方法和步骤,设计实现机器人的各硬件组成模块之间的数据通信和协调控制,实现机器人在变压器内部进行多自由度运动和稳定可靠的实时图像采集、并回传变压器内部的检测图像信息。
一种变压器检测机器人的硬件系统,包括:第一电池、第二电池、第三电池,所述的第二电池依次与第二继电器、24V转5V电压转换模块、树莓派、单片机电连接;所述的树莓派分别与无线通信模块、摄像头组件电连接,所述的单片机分别与水平推进装置、补光灯、姿态传感器、光电限位开关电连接;所述的第一电池经第一继电器与深度传感器电连接,所述的第三电池经第三继电器与直流伺服电机电连接。
本发明的有益效果:
相比现有技术,本发明提供的方法能满足油浸式检测机器人的硬件系统设计,具有很强的适应性和鲁棒性。
本发明综合考虑了油浸机器人的控制、推进、无线通信、光学摄像和电源控制等多个因素,设计了适合于油浸式机器人的硬件系统。
本发明采用多系统处理技术,单片机STM32控制机器人的推进,树莓派RaspberryPi 3则完成光学图像压缩,再加上无线通信传输、光源调节,设计出的机器人的硬件系统可靠、稳定。
附图说明
为了清楚的说明本发明专利中的技术方案,下面将对本发明中所需要的附图做简单的介绍。显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。
图1是本发明实施例的设计方法的流程图;
图2是本发明实施例的主控电路结构的示意图;
图3是本发明实施例的电源电路结构示意图;
图4是本发明实施例的无线通信模块的电路结构示意图;
图5是本发明实施例的FLASH储存模块的电路结构示意图;
图6是本发明实施例的硬件系统整体结构与原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细的说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明实施例中,以机器人的壳体为圆柱形密封机械壳体为例进行说明。如图1所示,为本发明实施例的设计方法的流程图。一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,包括如下步骤:
S1、根据变压器内部的油浸环境和机器人的设计需求,搭建机器人的圆柱形密封机械壳体;通过在圆柱形密封机械壳体内部布置机器人的硬件组成模块、在圆柱形密封机械壳体的外侧面设置辅助部件,组成完整的用于油浸式变压器检测的机器人。
根据机器人的圆柱形密封机械壳体,考虑机器人内部的相关部件的规格尺寸和配置参数,设计出油浸式变压器检测机器人的硬件系统的硬件组成模块;包括:电源模块、系统通信模块、传感器驱动模块、运动控制模块、图像检测模块。
所述的图像检测模块包括:摄像头组件、补光灯组件和图像实时采集传输模块;所述的运动控制模块包括:水平推进装置、垂直推进装置、传感器检测模块;所述的系统通信模块包括串口通信模块和无线通信模块。
其中,电源模块要考虑大容量锂电池电源到传感器驱动模块、运动控制模块、系统通信模块、图像检测模块的降压与分配,传感器驱动模块与运动控制模块根据传感器、水平推进装置的推进器的适配方式和控制需求选取合适的单片机(下位机)作为微处理器,系统通信模块与图像检测模块考虑网络、串口通信的匹配规则和图像检测传输的需求选用合适的树莓派(上位机)作为中央处理器。
S2、根据步骤S1中的硬件组成模块,将上述硬件组成模块按照系统设计需求和所要实现的功能进行组合,设计出机器人的硬件系统的主控电路结构。
如图2所示,是本发明实施例的主控电路结构的示意图。该主控电路主要由STM32F103系列芯片组成,包括稳压电路、时钟电路、复位电路、调试电路等组成部分。其中稳压电路是由LM1117-3V3芯片提供STM32芯片的电源;时钟电路由主晶振、实时时钟晶振与阻抗匹配构成,复位电路由轻触开关与上拉电阻组成;调试电路主要将STM32F102的JTAG/SWD调试端口引出。该主控电路主要作用为硬件系统控制的核心电路,负责关联硬件系统的各模块电路结构、各个硬件组成模块间的连接,协调硬件系统的整体控制。
S3、根据步骤S2中设计的硬件系统的主控电路结构,结合机器人的圆柱形密封机械壳体和各硬件组成模块的安装位置,设计出硬件系统的各模块电路结构(电源电路结构、无线通信模块电路结构、FLASH储存模块电路结构)。
如图3所示,是本发明实施例的电源电路结构示意图,电源电路主要完成机器人运动控制和供电稳压电路的电源分配。电池组输入12V电压,经过LM2940-5V稳压芯片,稳压5V输出,5V电源经过LM1117-3V3芯片、稳压3.3V输出。该电路主要负责为单片机、树莓派以及各个电路模块供给电能。
所述电源电路包括锂电池电源分电电路和供电稳压电路,其中电源分电电路通过转接实现对机器人的水平推进器组、摄像头组、垂直推进装置的电源电压分电,供电稳压电路通过稳压芯片和电源转换模块实现大电压向小电压的转换,以实现对包含微处理器的电路部分和传感器模块供电。
如图4所示,是本发明实施例的无线通信模块的电路结构示意图。无线通讯模块电路,用于接受外部输入端的控制信号和指令。该电路主要负责连接无线通信模块和主控制电路间的接口。无线通信模块电路采用NRF2401无线模块接口连接电路。
如图5所示,是本发明实施例的FLASH储存模块的电路结构示意图,该电路主要负责储存机器人参数数据。FLASH储存电路,该电路由FLASH储存芯片W25Q16以及外围电路构成。该芯片通过SPI串口与主控制电路连接,主要用于机器人的设定配置参数的保存。
S4、将步骤S2和S3中设计出的主控电路结构和各模块电路结构,根据电路原理和连接示意完成硬件PCB电路图设计,焊接制作模拟电路板,并将模拟电路板安装在机器人壳体中。在包含有微处理器的主控电路结构中烧录硬件系统的控制程序模块,连接各硬件组成模块组成完整的用于油浸式变压器检测机器人的硬件系统。通过电路结构和导线连接构成机器人的硬件系统;通过编写中央处理器(上位机)和微处理器(下位机)的控制和通信程序完成对机器人的硬件控制系统的开发。将系统通信模块和图像检测模块连接上位机,结合各个传感器驱动模块和运动控制模块协调控制,实现机器人在变压器内部进行多自由度运动和稳定可靠实时采集图像、并回传变压器内部连接线路的检测状态。
如图6所示,是本发明实施例的硬件系统整体结构与原理示意图。整个油浸式机器人的硬件控制系统由两部分组成,即:远端控制部分和机器人内部硬件控制。远端控制部分的主体是PC机(电脑),它作为信息交换和信息显示的载体,连接着遥控器并通过无线WIFI发送遥控控制信息和接收机器人回传的检测图像信息。其中,远端控制部分一方面将操作员的控制指令发送给油浸式机器人的硬件组成模块,作用于水平推进装置的推进器和垂直推进装置,控制机器人通过水平和垂直行走巡检整个变压器的内部环境;另一方面,可通过图像检测模块(摄像头组,补光灯组,树莓派)实时采集和回传变压器的内部图像信息,利用PC机(电脑)进行数据分析和故障诊断。
机器人内部的硬件系统是机器人进行整个变压器检测的执行机构,包含内部供电、线路连接、控制响应、图像检测等多个组成部分。一种变压器检测机器人的硬件系统,包括:第一电池A_12V、第二电池B_24V、第三电池B_24V,所述的第二电池B_24V依次与第二继电器KM2、电压转换模块(24V转5V)、树莓派、单片机电连接,构成硬件系统的主控制部分;所述的树莓派分别与无线通信模块、摄像头组件电连接,用于控制无线通信和图像采集与发送;所述的单片机分别与水平推进器组、补光灯、姿态传感器、光电限位开关电连接,用于接收控制指令、控制机器人的水平运动和图像采集时的补光;所述的第一电池A_12V经第一继电器KM1与深度传感器电连接、采集机器人的深度位置;所述的第三电池B_24V经第三继电器KM3与直流伺服电机电连接,控制机器人上浮/下潜。图6中的水平推进器组即水平推进装置,图6中的光电限位开关、直流伺服电机是垂直推进装置的组成部件、用于控制垂直推进装置中的活塞限位和活塞运动实现机器人的上浮/下潜。
该机器人硬件系统自身携带有充电口和电压转换模块,以适用各个线路连接的供电需求。树莓派(Raspberry Pi 3)作为上位机,连接着摄像头组件和无线通信模块为无线通信和图像检测提供保障;单片机电路通过同步时钟串口与USART串行总线分别连接姿态传感器、深度传感器、垂直推进装置的光电限位开关、补光灯、垂直推进装置的直流伺服电机和水平推进装置的推进器,为整个机器人硬件系统的运动控制和执行检测提供支持。这部分电路主要作用为引出主控STM32F103单片机的串口端口,方便与对应的外部设备相连接。该电路主要是传感器接口电路,负责连接传感器与核心主控电路之间的线路连接。
本发明的变压器检测机器人的硬件系统,可以在不排空变压器内部原油的情况下,能够满足变压器内部电路检测的需求,有多自由度游动能力,而且图像检测装置能够实时回传内部检测图像以供检测员在线进行故障诊断,对实现变压器内部无人自动检测有重要的研究意义。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改,等同于替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、根据变压器检测机器人的壳体形状,考虑机器人内部相关部件的规格尺寸和配置参数,设计硬件系统的硬件组成模块;
S2、根据步骤S1中的硬件组成模块,将上述硬件组成模块按照系统设计需求和所要实现的功能进行组合,设计硬件系统的主控电路结构;
S3、根据步骤S2中设计的主控电路结构,结合机器人的壳体形状和各硬件组成模块的安装位置,设计硬件系统的各模块电路结构;
S4、将步骤S2和S3中设计出的主控电路结构和各模块电路结构,安装至机器人的壳体内部,在包含有微处理器的主控电路结构中烧录硬件系统的控制程序模块,连接各硬件组成模块形成完整的用于油浸式变压器检测机器人的硬件系统。
2.根据权利要求1所述的一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,步骤S1中,机器人的硬件组成模块包括:电源模块、系统通信模块、传感器驱动模块、运动控制模块、图像检测模块。
3.根据权利要求2所述的一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,所述的图像检测模块包括:摄像头组件、补光灯组件和图像实时采集传输模块;所述的运动控制模块包括:水平推进装置、垂直推进装置、传感器检测模块;所述的系统通信模块包括串口通信模块和无线通信模块。
4.根据权利要求3所述的一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,电源模块考虑大容量锂电池电源到传感器驱动模块、运动控制模块、系统通信模块、图像检测模块的降压与分配,传感器驱动模块与运动控制模块根据传感器、推进器的适配方式和控制需求、选取单片机作为微处理器,系统通信模块与图像检测模块考虑网络、串口通信的匹配和图像检测传输的需求、选用树莓派作为中央处理器。
5.根据权利要求1所述的一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,步骤S2中,主控电路结构由STM32F103系列芯片组成,包括稳压电路、时钟电路、复位电路、调试电路。
6.根据权利要求5所述的一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,稳压电路由LM1117-3V3芯片提供STM32芯片的电源,时钟电路由主晶振、实时时钟晶振与阻抗匹配构成,复位电路由轻触开关与上拉电阻组成,调试电路将STM32F102的JTAG/SWD调试端口引出。
7.根据权利要求1所述的一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,步骤S3中,硬件系统的各模块电路结构包括:电源电路结构、无线通信模块电路结构、FLASH储存模块电路结构。
8.根据权利要求7所述的一种变压器检测机器人的硬件系统设计方法,其特征在于,电源电路结构包括锂电池电源分电电路和供电稳压电路;无线通讯模块电路结构用于接受外部输入端的控制信号和指令,采用NRF2401无线模块接口连接电路;FLASH储存模块电路结构负责储存机器人参数数据,由FLASH储存芯片W25Q16以及外围电路构成。
9.一种变压器检测机器人的硬件系统,其特征在于,应用如权利要求1-8任一项所述的设计方法,包括:第一电池、第二电池、第三电池,所述的第二电池依次与第二继电器、24V转5V电压转换模块、树莓派、单片机电连接;所述的树莓派分别与无线通信模块、摄像头组件电连接,所述的单片机分别与水平推进装置、补光灯、姿态传感器、光电限位开关电连接;所述的第一电池经第一继电器与深度传感器电连接,所述的第三电池经第三继电器与直流伺服电机电连接。
10.根据权利要求9所述的一种变压器检测机器人的硬件系统,其特征在于,还包括远端控制部分,所述的远端控制部分的主体是PC机,所述的PC机连接遥控器、并通过无线WIFI发送遥控控制信息和接收机器人回传的检测图像信息。
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