一种变电站巡检机器人控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及智能机器人设备技术领域，尤其涉及一种变电站巡检机器人控制系统。


背景技术：

2.随着我国经济的快速发展，人民的生活水平有了显著地提升，在家中，大量的电气设备被广泛的使用，这使得电力需求越来越大。因而对电力系统的发展也产生了迫切的需求。迫使电力系统向着高智能化、高功率、高可靠性等方向发展，对日常变电站的运维提出了更高的要求，也带来了更多的困难。到目前为止，国内绝大多数的变电站均采用人工巡检的方式对变电站可能发生的故障进行检修，这种方式在现代社会生活中存在很大的弊端：较高的劳动强度、巡检效率低、存在安全隐患、巡检质量受工作人员情绪和体力影响、天气因素对巡检质量影响较大，单纯依赖工作人员的经验和感官判断，很难做到客观、准确的判断，这就会给设施留下诸多的安全隐患。检修的质量很大程度上将取决于变电站工人的主观判断，其数据缺乏权威性。同时，由于气候、环境等诸多因素，对变电站工人的人身安全也具有一定的威胁。因而，研制一款在一定程度上可以取代变电站工人的变电站智能巡检机器人成为了最近电力行业的一大热点问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种主要用于户外变电站的变电站巡检机器人智能控制系统，其携带多种环境传感器和摄像头，可以对变电站内部现场设备和周围环境进行监测，减少了运维人员来到现场处理故障时的人身风险。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为，一种变电站巡检机器人控制系统，包括地面站系统、移动站系统、运动控制系统和无线通讯系统，所述移动站系统通过所述无线通讯系统与所述地面站系统进行数据交互，所述移动站系统连接所述运动控制系统，所述地面站系统用于实现在地面端对移动端的远程监测以及通过地面站系统向所述移动站系统发送控制指令，所述移动站系统用于检测巡检机器人周围环境并获取环境信息传送到所述地面站系统，所述运动控制系统用于控制巡检机器人的运动状态。
5.作为本实用新型的一种改进，所述地面站系统采用计算机，所述无线通讯系统采用无线wi
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fi通信模块，所述移动站系统包括电源模块、msp432主控板、传感器模块、摄像头、串口、i2c通信模块、a/d转换模块，所述运动控制系统包括机械臂模块、电机、电机驱动器、舵机，所述计算机连接无线wi
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fi通信模块，所述电源模块为无线通讯系统、移动站系统和运动控制系统供电，所述传感器模块依次通过a/d转换模块或i2c通信模块连接msp432主控板，所述摄像头连接无线wi
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fi通信模块，所述无线wi
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fi通信模块通过串口连接msp432主控板，所述电机通过电机驱动器连接msp432主控板，所述舵机连接msp432主控板，所述舵机传动连接机械臂模块并带动机械臂模块运动。
6.作为本实用新型的一种改进， 所述传感器模块包括但不限于环境光传感器、温湿
度计传感器、气压传感器、红外非接触式温度传感器、超声波测距传感器和酒精检测传感器。
7.作为本实用新型的一种改进， 所述环境光传感器采用opt3001器件，所述温湿度计传感器采用所述hdc1080，气压传感器采用bmp280，所述红外非接触式温度传感器采用tmp006，所述酒精检测传感器采用mq
‑
3。
8.作为本实用新型的一种改进， 所述msp432主控板采用msp
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exp432p401r微控制器设计实现，所述无线wi
‑
fi通信模块采用cc3200网络处理器设计实现。
9.作为本实用新型的一种改进，所述电源模块采用电池供电板，所述电池供电板上设有板载电池盒、锂电池、电池充放电控制芯片、充电输入端和对外供电线，所述锂电池安装在板载电池盒中，锂电池、充电输入端和对外供电线均连接电池充放电控制芯片。
10.作为本实用新型的一种改进， 所述电池充放电控制芯片采用bq24133芯片设计实现。
11.作为本实用新型的一种改进，所述电源模块还包括稳压电路，所述稳压电路采用开关电压调节器lm2596设计实现。
12.作为本实用新型的一种改进，所述舵机包括舵机驱动器和五路数字舵机，所有数字舵机通过舵机驱动器连接所述msp432主控板，所述电机的数量为两个，分别为速度电机和方向电机，两个电机均采用直流减速电机。
13.作为本实用新型的一种改进， 所述电机驱动器采用drv8848芯片设计实现。
14.相对于现有技术，本实用新型的系统整体结构设计巧妙，易于实现，制作成本低，利用该系统的巡检机器人可通过前端的高清彩色摄像头对前方环境进行拍摄，生成图像通过无线的方式传输回计算机；所述msp432主控板采用msp
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exp432p401r微控制器设计实现，所述msp432主控板使用msp
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exp432p401r微控制器作为主控芯片，控制电机、机械臂舵机和各类传感器；所述无线wi
‑
fi通信模块采用cc3200网络处理器设计实现，使用cc3200无线mcu实现无线wi
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fi通讯功能，通过此款芯片实现与计算机之间的通讯，从而将移动站数据传输到地面站。同时也具有多种环境传感器，对周围环境可以进行准确的监测，也可以规避前方障碍物，增加巡检工作的安全性和可靠性，促进实现智能化、无人化变电站的推广和应用，显著提高变电站设备状态检测的准确性，实时性和可靠性。
附图说明
15.图1为本实用新型所提出的变电站巡检机器人智能控制系统的结构框图；
16.图2为本实用新型所提出的系统中msp432主控板的msp
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exp432p401r主控芯片的最小系统原理图；
17.图3为本实用新型所提出的系统中传感器模块与msp432主控板之间的通讯接线图；
18.图4为本实用新型所提出的系统中传感器模块的传感器opt3001电路原理图；
19.图5为本实用新型所提出的系统中传感器模块的传感器hdc1080电路原理图；
20.图6为本实用新型所提出的系统中传感器模块的传感器bmp280电路原理图；
21.图7为本实用新型所提出的系统中传感器模块的传感器tmp006电路原理图；
22.图8为本实用新型所提出的系统中传感器模块的传感器mq
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3电路原理图；
23.图9为本实用新型所提出的系统中电机驱动器的主控芯片drv8848应用电路图。
具体实施方式
24.为了加深对本实用新型的理解和认识，下面结合附图对本实用新型作进一步描述和介绍。
25.随着我国电力行业中变电站的检测工作向着自动化的方向发展以及移动机器人技术的飞速发展，在变电站中使用巡检机器人全面替代人工或部分替代人工来完成巡检工作，必定成为今后自动化变电站现场巡检的发展趋势。
26.如图1所示，一种变电站巡检机器人控制系统，包括地面站系统、移动站系统、运动控制系统和无线通讯系统，所述移动站系统通过所述无线通讯系统与所述地面站系统进行数据交互，地面站系统上可显示机器人传输回来的状态信息和图像信息，实现在地面端对移动端的远程监测，同时通过地面站系统向移动站发送指令，对移动站在一定程度上进行控制。所述移动站系统连接所述运动控制系统，所述移动站系统用于检测巡检机器人周围环境并获取环境信息传送到所述地面站系统，所述运动控制系统用于控制巡检机器人的运动状态，智能巡检机器人的直线行走和转弯等不同的运动状态是通过运动控制系统实现的。
27.其中，所述地面站系统采用计算机，所述无线通讯系统采用无线wi
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fi通信模块，所述移动站系统包括电源模块、msp432主控板、传感器模块、摄像头、串口、i2c通信模块、a/d转换模块，所述运动控制系统包括机械臂模块、电机、电机驱动器、舵机。所述计算机连接无线wi
‑
fi通信模块，所述电源模块为无线通讯系统、移动站系统和运动控制系统供电，所述电源模块采用12v直流电压输入，对电压进行稳压和滤波，对整个系统提供3.3v和5v直流电压以及对电机提供9v直流电压。所述传感器模块依次通过a/d转换模块或i2c通信模块连接msp432主控板，a/d转换模块通过接收传输模拟量的传感器数据，并转化为数字信号供msp432主控板处理。所述摄像头连接无线wi
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fi通信模块，所述摄像头设置在机器人的前部顶端，用于捕获机器人周围环境的可视信息。所述无线wi
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fi通信模块通过串口连接msp432主控板，所述电机通过电机驱动器连接msp432主控板，所述舵机连接msp432主控板，所述舵机传动连接机械臂模块并带动机械臂模块运动，机械臂具有六方向运动特点，可实现对指定方向目标的操作。msp432主控板可对电机以及机械臂的舵机进行驱动控制，从而完成各种动作。
28.所述msp432主控板采用msp
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exp432p401r微控制器设计实现，所述msp432主控板使用msp
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exp432p401r微控制器作为主控芯片，控制电机、机械臂的舵机和各类传感器；所述无线wi
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fi通信模块采用cc3200网络处理器设计实现，使用cc3200无线mcu实现无线wi
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fi通讯功能，通过此款芯片实现与计算机之间的通讯，从而将移动站数据传输到地面站。并通过控制舵机实现对机械臂模块的操控。
29.如图2所示，所述msp432主控板由msp
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exp432p401r主控芯片的最小系统以及必要的外围电路组成，能够完成对电机和舵机的驱动，以及对各个传感器数据读取的功能。
30.所述无线wi
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fi通信模块由cc3200
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launchxl芯片和s
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flash及必要外围电路构成，实现摄像头图像的采集、机器人与计算机之间通讯等功能。cc3200是一款集成了运行频率为80mhz的高性能的arm cortex
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m4 mcu的无线wi
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fi模块，此器件还包含了多种外设：快
速并行摄像头接口、i2c、sd/mmc、uart等。此外，cc3200网络处理器的子系统内还包含了一个额外的专用mcu，此mcu的作用是可以完全免除应用mcu的运行负担。这个子系统包含802.11 b/g/n射频、基带和具有强大加密引擎的mac，以实现256位加密的安全互联网连接。cc3200器件支持基站、访问点和wi
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fi直接模式。此器件还支持wpa2个人和企业安全性以及wps2.0。wi
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fi片上互联网包括嵌入式tcp/ip和tls/ssl堆栈，http服务器和多个互联网协议。
31.所述传感器模块集成环境光传感器、气压传感器、温湿度传感器、红外非接触式温度传感器、超声波测距传感器、酒精检测传感器于一体。传感器模块与主控芯片之间采用i2c总线通讯协议。i2c总线是phlips公司在20世纪80年代推出的一种串行总线。具有引脚少，硬件实现简单、可扩展性强、支持多主控等优点。i2c通过两条数据线与多个从机进行通讯，在这两天数据线分别为sda和scl，串行数据线sda和串行时钟线scl都是双向i/o数据线，接口电路为开漏输出模式。需要通过上拉电阻接电源vcc。总线上任何能够进行发送/接收数据的设备都可以占领总线。通讯协议可以分为两层：物理层和协议层。物理层是数据在物理媒介传输的保障；协议层主要是规定通讯逻辑，同一收发双方的数据打包、解包标准。传感器模块与msp432主控板的主控芯片之间的通讯接线图如图3所示。
32.优选的，所述环境光传感器采用opt3001器件，opt3001是一款可如人眼般测量光强的单芯片照度计。opt3001器件兼具精密的频谱响应和较强的ir阻隔功能，因此能够如人眼般准确谢亮光强不受光源影响。传感器opt3001电路原理图如图4所示。
33.所述温湿度计传感器采用所述hdc1080，hdc1080是一款具有集成温度传感器的数字湿度传感器，其能够以超低功耗提供出色的测量精度，同时支持较宽的工作电压范围。传感器hdc1080电路原理图如图5所示。
34.气压传感器采用bmp280，bmp280是一种专为移动应用设计的绝对气压传感器。具有高精度和线性度，以及长期稳定性和很高的emc稳健性。传感器bmp280电路原理图如图6所示。
35.所述红外非接触式温度传感器采用tmp006，tmp006是ti推出的世界上第一款单片数字无线红外mems温度传感器，主要应用在便携式消费电子产品中实现非接触式温度测量。传感器tmp006电路原理图如图7所示。
36.所述酒精检测传感器采用mq
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3。mq
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3是一种检测酒精蒸汽气体的传感器，可检测浓度范围为0.04至4mg/l酒精。传感器mq
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3电路原理图如图8所示。
37.所述电源模块采用电池供电板，采用三节18650锂电池串联供电，电池供电电压总计11.1v。所述电池供电板上设有板载电池盒、锂电池、电池充放电控制芯片、充电输入端和对外供电线，所述锂电池安装在板载电池盒中，锂电池、充电输入端和对外供电线均连接电池充放电控制芯片。
38.优选的，所述电池充放电控制芯片采用bq24133芯片设计实现。bq24133是一款高度集成的独立锂离子和锂聚合物开关模式电池充电器，带有两个集成的n沟道功率mosfet，可以对输入电流、充电电流和充电电压进行好精度的调节。
39.另外，所述电源模块还包括稳压电路，所述稳压电路采用开关电压调节器lm2596设计实现。lm2596最大可以输出3a驱动电流，同时也具有良好的线性特性和负载调节特性，可输出3.3v、5v、12v等，最大可输出高达37v的电压。
40.所述舵机包括舵机驱动器和五路数字舵机，所有数字舵机通过舵机驱动器连接所述msp432主控板，机械臂模块采用了四个数字舵机组成，拥有四个自由度，四个数字舵机均采用金属齿轮，力矩大，可完成对一般物体的抓取操作。摄像头采用至少200w像素的摄像头，可以实现局域网内的网络摄像头功能，受一个数字舵机控制可以实现仰俯运动。所述电机的数量为两个，分别为速度电机和方向电机，两个电机均采用直流减速电机，在低速运行的时候可以保持稳定，并且有一定的过负载能力。
41.如图9所示，所述电机驱动器采用drv8848芯片设计实现，对两个直流减速电机进行速度控制、方向控制。drv8848芯片是一款双h桥电机驱动，可用来驱动一个或两个直流电机、一个双极性步进电机，仅仅利用一个pwm接口便可以轻松的连接到控制器电路。
42.依赖本技术所提出的智能控制系统的变电站智能巡检机器人可通过前端的高清彩色摄像头对前方环境进行拍摄，生成图像通过无线的方式传输回计算机；同时，机器人前端的机械臂可以对发生的简单故障进行处理，可以大幅度缩短故障发生的时间。此款机器人也具有多种传感器，对周围环境可以进行准确的监测，也可以规避前方障碍物，增加巡检工作的安全性和可靠性，促进实现智能化、无人化变电站的推广和应用，显著提高变电站设备状态检测的准确性，实时性和可靠性。
43.本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。