一種基于WiFi通信的絕緣子電阻檢測新型機器人
作者：鄭曉敏
目前高壓絕緣子故障的檢測方法（比如紫外成像法、超聲波檢測法、電場測量法、泄露電流法）存在工作任務繁重，高危險性，準確率達不到要求等問題．爬行機器人的應用為這些問題的解決提供了新的思路和有效途徑。介紹的機器人具備電阻檢測、電場測量和可見光檢測功能，但是體積大，檢測速度慢．效率不高．并且只適用于水平和懸垂布置的瓷絕緣子串。本文研制一種基于WiFi無線通信遠程控制的絕緣子電阻檢測機器人，而且通過實際工程的試驗，表明了該機器人體積�。畽z測速度快，可以大大提高現場檢測絕緣子電阻的效率，并且適用于不同角度布置的瓷絕緣子串。
1 系統(tǒng)整體結構
基于WiFi無線通信遠程控制的絕緣子電阻檢測機器人采用模塊化思想設計而成，包含3個模塊，分別為上位機的平板電腦、檢測終端和機器人控制受端。上位機的平板電腦與檢測終端之間的數據傳送采用的是WiFi無線通信．而檢測終端與機器人控制受端采用的是RS485有線通信．系統(tǒng)連接圖如圖1所示。
2上位機的平板電腦
上位機加載采用Labview軟件編寫的操作平臺，操作平臺有輸入區(qū)域、輸出顯示區(qū)域以及控制按鈕，如圖2所示．輸入區(qū)域在整個操作平臺界而的左邊，包括界面配置和參數輸入2部分．其中界面配置中的WiFi IP地址與檢測終端的WiFi模塊地址一致，設置為固定值。參數輸入中有鐵塔編號、絕緣子串編號、單串絕緣子片數、絕緣電阻閥值、異常片數閥值等輸入控件，以及“確定輸入”按鈕。輸出顯示區(qū)域位于操作平臺界面的中間，用來顯示絕緣子串每片絕緣子的電阻值一控制按鈕位于操作平臺界面的右邊，包括界面控制的存儲按鈕，機器人控制按鈕（預夾緊、夾緊、啟動、松開、暫停）。當機器人啟動工作時，平板電腦無線網絡自動連接到檢測終端WiFi模塊所產生的網絡域名上，界面配置中WiFi IP地址右側指示燈亮，表示界面已經正常連接到檢測終端建立的網絡，可以工作。此時，需要人為地在參數輸入區(qū)域內設置相應的參數，參數輸入完成后．按下“確定輸入”按鈕，參數輸入區(qū)域右側所有指示燈亮表明輸入正確，否則需重新輸入參數并按下“確定輸入”按鈕。緊接著，進行機器人控制操作，依次為預夾緊一夾緊一啟動，這時機器人正常工作，從上往下行走。暫停按鈕控制機器人暫停，松開按鈕控制機器人松開爪子，方便操作人員從絕緣子串上取下機器人。整個操作平臺界面的流程如圖3所示。
3檢測終端
檢測終端利用高壓變壓器將24 V的電壓升壓到2 500 V,通過高壓線盤繞在機器人的2個抓鉤上．機器人啟動時2個抓鉤夾在絕緣子上，從而使得高壓加載在絕緣子兩端產生電流，電流通過采樣電阻轉換成采樣電壓，采樣電壓經3個不同倍率的放大器處理產生3個電壓信號，單片機A/D通道采集這3個電壓信號，經過采樣算法處理得到精確的3個電壓信號。單片機程序根據放大器的非線性特性從3個采樣電壓信號中選擇最準確的電壓信號作為電流信號，而單片機A/D通道中的另一個通道采集2 500 V降低1 000倍后的電壓信號。單片機程序經過處理得出電阻值，該電阻值數據通過串口UARTO、WiFi模塊傳送到平板電腦顯示。另外，檢測終端作為數據中轉站，從串口UARTO接收上位機發(fā)送的命令字符串并解析．經過程序處理產生相應的控制命令字符串，然后通過串口UART1發(fā)送，經RS485總線傳送到機器人控制受端。
3.1 檢測終端的軟件實現
檢測終端軟件的任務是配合硬件電路實現絕緣子電阻的測量、傳送以及控制命令的中轉。主要解決3個技術問題：
(1)檢測終端與上位機的無線通信協議：通信系統(tǒng)參數設置：波特率：9 600 bit/s;數據位：
8位：停止位：1位：奇偶校驗：無。數據的讀出和寫入依靠串口的巾斷。一條完整的指令包含起始地址、地址字符、指令字符、數據區(qū)、CRC校驗位和結束字符．通信數據幀格式如表1所示。
表1巾數據區(qū)中的數據有可能與起始字符和結束字符發(fā)生沖突．因此對該區(qū)域的數據進行移位處理。假設數據區(qū)有3個字節(jié)x、y、z，1個字節(jié)有8位，位數不夠的補空位，x、y、z字節(jié)格式如表2所示。
對x、y、。進行如下移位處理：
Ml=（x》2）；
M2=(((x&0x03)《4)|((y&0xF0))》4));
M3=(((y&0xoF)《2)I((z&0xC0)>》6);
M4= (z&Ox3F)。
按照以上方式移位后存儲為4個字節(jié)，排列如表3所示。
(2) A/D采集通道數據處理：根據Nyquist定理規(guī)定：為了不讓信號高頻部分出現損失，信號的采樣頻率至少是信號頻率的2倍．最小需要的采樣頻率稱為Nyquist頻率，即fnyquist>2xfsignal。
而為了盡可能地重現信號．擴大精度．過采樣算法需要大量的采樣．即每增加l位精度，信號的采樣頻率必須過采樣4倍�？紤]到ATmega64片內AD精度已經達到10位以及要采集的信號，增加l位精度就可以滿足實際要求，因此過采樣頻率和采集信號頻率的關系為：foversampling=4xfnyquit。
信號通過過采樣軟件算法處理，再經過算術平均算法：連續(xù)采樣20次，去掉一個最高值和最低值．再求取平均值。通過上述的處理，精度大大提高．從而提高了整個系統(tǒng)測量的準確性。
(3)檢測終端與機器人控制受端的有線通信協議：通信協議采用的是工業(yè)控制的Modbus協議，檢測終端作為主機，機器人控制受端作為從機。主機檢測終端接收到上位機的控制命令立即發(fā)送相應的控制命令到從機一機器人控制受端，從機接收到命令進行校驗，執(zhí)行相應動作并發(fā)送Modbus響應到主機。主機接收響應，如果是異常響應，重新發(fā)送控制命令。
3.2 檢測終端的硬件實現
檢測終端硬件包括穩(wěn)壓電路、高壓發(fā)生電路、MCU以及WiFi電路。穩(wěn)壓電路采用LM2576開關型降壓穩(wěn)壓器．將24 V的外部電源降低到5 V,作為整個檢測終端系統(tǒng)的工作電源。高壓發(fā)生電路將5V的電壓升高到2 500 V。MCU采用的是高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega64。ATmega64速度等級0～16 MHz，可設置為16 MHz保證控制的實時性。片內可編程Flash達64 KB．保證了程序和數據有足夠的存儲空間。8路10位精度ADC（8路可選的單端輸入通道、7路差分輸入通道、2路差分輸入通道帶有可選的lOx和200x的差分通道）保證有足夠的通道且準確地采集數據。2個可編程的串行USART: USARTO實現WiFi無線的通信：USART1實現RS485的通信。以MCU為核心的系統(tǒng)如圖4所示。目前短距離無線通信中技術較成熟的主要有藍牙、WiFi、IrDA技術、UWB技術、紫峰(ZigBee)技術以及RF無線射頻技術�？紤]到現場檢測的使用要求：(1)通信傳輸穩(wěn)定，速率快，且不受現場強電磁環(huán)境的干擾；(2)傳輸距離大于100 m．能實現桿塔頂和地面的通信．本文選用WiFi無線通信技術，
其產生的無線電波覆蓋范圍廣，半徑可到100 m以上，傳輸速度非�？�，其中IEEE 802.llb最高為11 MbiUs,IEEE 802.lla為54 Mbit/s, IEEE 802.llg也是54 Mbit/s,并且WiFi無線通信可以與支持WLAN的平板電腦連接，通用性好。
4機器人控制受端
機器人是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構，它接收來自于上位機經檢測終端轉發(fā)的控制命令，并做出相應的動作。實際操作時，首先打開工作電源，開啟復位鍵，這時機器人進入工作狀態(tài)。操作員將機器人放置在絕緣子串的第1片上，按下平板電腑的“預夾緊、夾緊”按鈕，此時機器人2個抓鉤（設為A、B編號）緊緊抱在絕緣子串上，處于持重狀態(tài)。接著操作員可以遠程控制，打開“啟動”按鈕．機器人接收到命令，抓鉤A在擺動電機驅動下擺出．受角度傳感器限制擺至90。處停止轉動．此時觸發(fā)上下電機啟動運行．抓鉤A循瓶沿導軌往下行走，受距離傳感器限制行走到下一片絕緣子時停止行走．此時觸發(fā)拉緊電機啟動運行．抓鉤A往里收縮．受壓力傳感器限制收縮到一定程度后停止收縮．此時2個抓鉤正好夾在一片絕緣子上，且?guī)в懈邏弘姡M而開始檢測絕緣子的電阻，數據經檢測終端采集處理發(fā)送到平板電腦顯示。第1片絕緣子電阻檢測完畢，抓鉤B在擺動電機驅動下擺出．按照上述抓鉤A的運行方式往下行走。就這樣機器人從上往下行走到最后一片．再從下往上行走到第1片。每片絕緣子都經過“正檢”和“反檢”2次檢測。
5調試結果
本產品在國家電網特高壓交直流試驗基地模擬現場220 kV的工作環(huán)境進行試驗．試驗數據如表4所示。表4中實際值是由精度為2%的高精度、高電阻檢測儀檢測得到的數據，誤差是由本產品測得的數據與實際值之差再除以實際值得到的。從表中可知，測得的絕緣子電阻值與實際值誤差在允許的范圍內(5%)，滿足現場測量的精度要求。機器人在模擬現場穩(wěn)定安全地運行，達到了設計的要求。
6結語
本文介紹了基于WiFi的無線通信遠程控制的絕緣子電阻檢測機器人的工作原理和軟硬件結構．硬件上采用平板電腦、檢測終端集成電路以及機器人，通過WiFi無線、RS485總線將三者有序地連接起來，便于遠程控制機器人運行。軟件上設計了WiFi的通信協議、RS485總線的通信協議以及相應的控制算法�？紤]到系統(tǒng)實際運行于現場面臨復雜的電磁環(huán)境巾，對整體控制系統(tǒng)進行了較完備的電磁兼容試驗．試驗結果表明了該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，且可靠性高，滿足了現場高壓帶電檢測的要求。適用于電壓等級500 kV及以下系統(tǒng)絕緣子串的絕緣子電阻檢測，可節(jié)省大量勞動力，提高檢測效率和準確度。
7摘 要：目前絕緣子電阻的檢測方式主要是人工檢測，而人工檢測效率低，危險性高，作業(yè)強度大。結合實際工程項目，完成了基于WiFi無線通信遠程控制的絕緣子電阻檢測機器人的研制。該機器人可以用來停（帶）電檢測架空線路瓷絕緣子串的每片絕緣子電阻，適用于不同角度布置的瓷絕緣子串。檢測機器人整個系統(tǒng)由3部分組成，分別為上位機的平板電腦、檢測終端和機器人控制受端。工程實踐試驗表明了機器人性能安全穩(wěn)定，檢測速度快，可以大大提高現場檢測絕緣子電阻的效率。
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