变电站轮式消防机器人运动系统及防碰撞系统设计研究

0 引言

随着社会经济的发展,大量变电站的投用,变电站消防问题也渐渐凸显出来。变电站内存在的高电压、大电流生产设备,随着设备服役年限的增加易因设备故障、绝缘老化、过载过流、自燃或外界因素等引发火灾,轻则损毁设备,重则导致电力供应中断,对社会生产、生活造成负面影响。目前,变电站的消防设施主要有火灾自动报警系统、排油注氮灭火系统、细水雾灭火系统、防火封堵及少量的移动式消防系统等,少数极重要的功能区则配置有自动灭火装置及视频监控系统,但是这些消防设施主要在重要的功能分区才安装,现有的移动式消防系统均存在承载能力弱,反应、移动速度慢,自身安防系统不到位等情况。为此,本文针对变电站内工作场所,设计一种承载能力强、反应速度快、运动稳定且带防碰撞系统的移动式消防机器人来提高变电站对早期火灾的防控水平,

1 系统总体设计

系统包括主控计算机、运动系统、灭火装置、视频导航装置及防碰撞系统,图1为系统结构组成原理图,图2为系统结构示意图。主控计算机采用嵌入式工业控制计算机,经通信网络与变电站监控中心互传数据,通过数据采集线和控制线与运动系统、灭火装置、视频导航装置及防碰撞系统相连接,集中控制各装置动作。运动系统包括底盘和安装在底盘上的4个车轮、驱动电机、机械自锁装置等,接收主控计算机控制指合进行动作。灭火装置包括视频导引探头、灭火喷枪、干粉灭火器和三维机械臂。三维机械臂由电机驱动,具有3个自由度,电机接收主控计算机控制指合。当主控计算机接收到明火报警且机器人移动到着火点附近后,主控计算机根据视频导引探头采集的图像信息确定着火点,并控制电机驱动三维机械臂将灭火喷嘴对准着火点;三维机械臂动作到位后,主控计算机控制电磁阀开启,释放干粉灭火器内的灭火剂;灭火剂经导管由灭火喷枪喷出,对着火点进行快速灭火,控制初期火灾蔓延,为救援工作赢得时间。视频导航装置包括视频导航探头和RFID读卡器,采用基于RFID定位的视觉导航方法,利用视频导航探头摄取前进方向的地面图像信息,通过图像处理算法提取图像中的条带状路径引导线,由主控计算机控制运动系统按照引导线路径行驶;同时,用RFID读卡器读取路径引导线附近的射频卡上预存的位置信息,获取机器人当前运动位置,实现机器人导航定位。防碰撞系统包括多个红外传感器,红外传感器分别安装在机器人前、后、左、右侧面,探测周围的障碍物并转换为电信号后发送到主控计算机中进行信号处理;做出动态运动规划,向底盘控制器发出运动命合,控制驱动电机做出避开障碍物的运动。

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2 运动系统及防碰撞系统设计

2.1 运动系统设计

图3为运动系统控制原理图,图4为运动系统结构示意图。系统包括底盘和安装在底盘上的4个车轮、驱动电机、机械自锁装置、电机减速器、电机驱动器、底盘控制器、嵌入式运动控制器。每个车轮都有独立的驱动电机、电机减速器、电机驱动器,在驱动电机和电机减速器之间设置有机械自锁装置,嵌入式运动控制器发送运动命合给底盘控制器,底盘控制器发送运动控制命合给电机驱动器并发送自锁解锁命合给机械自锁装置。电机驱动器为驱动电机提供驱动电源,驱动电机通过电机减速器驱动车轮转动。底盘控制器采集电机驱动器的运动状态数据,并将运行状态数据发送给嵌入式运动控制器。
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2.2 防碰撞系统设计

防碰撞系统由多个红外传感器组成红外传感器阵列,分别安装在机器人运动装置的前、后、左、右侧面,控制原理如图5所示,结构示意如图6所示。红外传感器的信号接口与嵌入式运动控制器的输入/输出端口相连。红外传感器探测周围的障碍物,转换为电信号后发送到嵌入式运动控制器。嵌入式运动控制器对接收的红外传感器信号进行处理,做出动态运动规划,并向底盘控制器发出运动命合,由底盘控制器控制驱动电机做出避开障碍物的运动。
变电站轮式消防机器人运动系统及防碰撞系统设计研究
红外传感器采用博光E18-DSONK型,为红外线发射与接收功能的一体化光电传感器,最大有效检测距离为80cm,是一种有效的接近觉传感器,具有角度分辨率高、反映灵敏、结构简单等优点。在有效检测距离内没有障碍物时,红外传感器的信号接口输出为低电平;当机器人运动装置在运动中遇到静止或移动的障碍物时,相应位置的红外传感器的信号接口输出为高电平。嵌入式运动控制器检测到红外传感器信号接口的电平变化后,根据所有输出为高电平的红外传感器的分布信息进行动态决策,判断周固障碍物的位置,对移动机器人下一周期的动作进行规划,并将运动命合发送给机器人运动装置的底盘控制器。底盘控制器对嵌入式运动控制器发送的运动命合进行解析,将其分解为四路驱动轮的运动速度和方向信息,再由控制机器人运动装置做出相应的动作避开障碍物,达到防碰撞的效果。

3 结语

在实际工况下模拟火灾,消防机器人通过巡检、发现火灾、迅速移动到火场附近、快速灭火等程序,实现了高效灭火。基于导航装置进行自动巡检的机器人,承载能力强、移动速度快、调整迅速、运动稳定、能源利用率高;采用灭火装置对突发火灾进行快速灭火,控制初期火灾蔓延,为救援工作赢得了时间。该系统加强了早期火灾防范和扑救,更有效地改善了变电站的消防安全状况。

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