作者：郑晓敏
目前高压绝缘子故障的检测方法（比如紫外成像法、超声波检测法、电场测量法、泄露电流法）存在工作任务繁重，高危险性，准确率达不到要求等问题．爬行机器人的应用为这些问题的解决提供了新的思路和有效途径。介绍的机器人具备电阻检测、电场测量和可见光检测功能，但是体积大，检测速度慢．效率不高．并且只适用于水平和悬垂布置的瓷绝缘子串。本文研制一种基于WiFi无线通信远程控制的绝缘子电阻检测机器人，而且通过实际工程的试验，表明了该机器人体积小．检测速度快，可以大大提高现场检测绝缘子电阻的效率，并且适用于不同角度布置的瓷绝缘子串。
1 系统整体结构
基于WiFi无线通信远程控制的绝缘子电阻检测机器人采用模块化思想设计而成，包含3个模块，分别为上位机的平板电脑、检测终端和机器人控制受端。上位机的平板电脑与检测终端之间的数据传送采用的是WiFi无线通信．而检测终端与机器人控制受端采用的是RS485有线通信．系统连接图如图1所示。
2上位机的平板电脑
上位机加载采用Labview软件编写的操作平台，操作平台有输入区域、输出显示区域以及控制按钮，如图2所示．输入区域在整个操作平台界而的左边，包括界面配置和参数输入2部分．其中界面配置中的WiFi IP地址与检测终端的WiFi模块地址一致，设置为固定值。参数输入中有铁塔编号、绝缘子串编号、单串绝缘子片数、绝缘电阻阀值、异常片数阀值等输入控件，以及“确定输入”按钮。输出显示区域位于操作平台界面的中间，用来显示绝缘子串每片绝缘子的电阻值一控制按钮位于操作平台界面的右边，包括界面控制的存储按钮，机器人控制按钮（预夹紧、夹紧、启动、松开、暂停）。当机器人启动工作时，平板电脑无线网络自动连接到检测终端WiFi模块所产生的网络域名上，界面配置中WiFi IP地址右侧指示灯亮，表示界面已经正常连接到检测终端建立的网络，可以工作。此时，需要人为地在参数输入区域内设置相应的参数，参数输入完成后．按下“确定输入”按钮，参数输入区域右侧所有指示灯亮表明输入正确，否则需重新输入参数并按下“确定输入”按钮。紧接着，进行机器人控制操作，依次为预夹紧一夹紧一启动，这时机器人正常工作，从上往下行走。暂停按钮控制机器人暂停，松开按钮控制机器人松开爪子，方便操作人员从绝缘子串上取下机器人。整个操作平台界面的流程如图3所示。
3检测终端
检测终端利用高压变压器将24 V的电压升压到2 500 V,通过高压线盘绕在机器人的2个抓钩上．机器人启动时2个抓钩夹在绝缘子上，从而使得高压加载在绝缘子两端产生电流，电流通过采样电阻转换成采样电压，采样电压经3个不同倍率的放大器处理产生3个电压信号，单片机A/D通道采集这3个电压信号，经过采样算法处理得到精确的3个电压信号。单片机程序根据放大器的非线性特性从3个采样电压信号中选择最准确的电压信号作为电流信号，而单片机A/D通道中的另一个通道采集2 500 V降低1 000倍后的电压信号。单片机程序经过处理得出电阻值，该电阻值数据通过串口UARTO、WiFi模块传送到平板电脑显示。另外，检测终端作为数据中转站，从串口UARTO接收上位机发送的命令字符串并解析．经过程序处理产生相应的控制命令字符串，然后通过串口UART1发送，经RS485总线传送到机器人控制受端。
3.1 检测终端的软件实现
检测终端软件的任务是配合硬件电路实现绝缘子电阻的测量、传送以及控制命令的中转。主要解决3个技术问题：
(1)检测终端与上位机的无线通信协议：通信系统参数设置：波特率：9 600 bit/s;数据位：
8位：停止位：1位：奇偶校验：无。数据的读出和写入依靠串口的巾断。一条完整的指令包含起始地址、地址字符、指令字符、数据区、CRC校验位和结束字符．通信数据帧格式如表1所示。
表1巾数据区中的数据有可能与起始字符和结束字符发生冲突．因此对该区域的数据进行移位处理。假设数据区有3个字节x、y、z，1个字节有8位，位数不够的补空位，x、y、z字节格式如表2所示。
对x、y、。进行如下移位处理：
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储为4个字节，排列如表3所示。
(2) A/D采集通道数据处理：根据Nyquist定理规定：为了不让信号高频部分出现损失，信号的采样频率至少是信号频率的2倍．最小需要的采样频率称为Nyquist频率，即fnyquist>2xfsignal。
而为了尽可能地重现信号．扩大精度．过采样算法需要大量的采样．即每增加l位精度，信号的采样频率必须过采样4倍。考虑到ATmega64片内AD精度已经达到10位以及要采集的信号，增加l位精度就可以满足实际要求，因此过采样频率和采集信号频率的关系为：foversampling=4xfnyquit。
信号通过过采样软件算法处理，再经过算术平均算法：连续采样20次，去掉一个最高值和最低值．再求取平均值。通过上述的处理，精度大大提高．从而提高了整个系统测量的准确性。
(3)检测终端与机器人控制受端的有线通信协议：通信协议采用的是工业控制的Modbus协议，检测终端作为主机，机器人控制受端作为从机。主机检测终端接收到上位机的控制命令立即发送相应的控制命令到从机一机器人控制受端，从机接收到命令进行校验，执行相应动作并发送Modbus响应到主机。主机接收响应，如果是异常响应，重新发送控制命令。
3.2 检测终端的硬件实现
检测终端硬件包括稳压电路、高压发生电路、MCU以及WiFi电路。稳压电路采用LM2576开关型降压稳压器．将24 V的外部电源降低到5 V,作为整个检测终端系统的工作电源。高压发生电路将5V的电压升高到2 500 V。MCU采用的是高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATmega64。ATmega64速度等级0～16 MHz，可设置为16 MHz保证控制的实时性。片内可编程Flash达64 KB．保证了程序和数据有足够的存储空间。8路10位精度ADC（8路可选的单端输入通道、7路差分输入通道、2路差分输入通道带有可选的lOx和200x的差分通道）保证有足够的通道且准确地采集数据。2个可编程的串行USART: USARTO实现WiFi无线的通信：USART1实现RS485的通信。以MCU为核心的系统如图4所示。目前短距离无线通信中技术较成熟的主要有蓝牙、WiFi、IrDA技术、UWB技术、紫峰(ZigBee)技术以及RF无线射频技术。考虑到现场检测的使用要求：(1)通信传输稳定，速率快，且不受现场强电磁环境的干扰；(2)传输距离大于100 m．能实现杆塔顶和地面的通信．本文选用WiFi无线通信技术，
其产生的无线电波覆盖范围广，半径可到100 m以上，传输速度非常快，其中IEEE 802.llb最高为11 MbiUs,IEEE 802.lla为54 Mbit/s, IEEE 802.llg也是54 Mbit/s,并且WiFi无线通信可以与支持WLAN的平板电脑连接，通用性好。
4机器人控制受端
机器人是整个系统的执行机构，它接收来自于上位机经检测终端转发的控制命令，并做出相应的动作。实际操作时，首先打开工作电源，开启复位键，这时机器人进入工作状态。操作员将机器人放置在绝缘子串的第1片上，按下平板电腑的“预夹紧、夹紧”按钮，此时机器人2个抓钩（设为A、B编号）紧紧抱在绝缘子串上，处于持重状态。接着操作员可以远程控制，打开“启动”按钮．机器人接收到命令，抓钩A在摆动电机驱动下摆出．受角度传感器限制摆至90。处停止转动．此时触发上下电机启动运行．抓钩A循瓶沿导轨往下行走，受距离传感器限制行走到下一片绝缘子时停止行走．此时触发拉紧电机启动运行．抓钩A往里收缩．受压力传感器限制收缩到一定程度后停止收缩．此时2个抓钩正好夹在一片绝缘子上，且带有高压电，进而开始检测绝缘子的电阻，数据经检测终端采集处理发送到平板电脑显示。第1片绝缘子电阻检测完毕，抓钩B在摆动电机驱动下摆出．按照上述抓钩A的运行方式往下行走。就这样机器人从上往下行走到最后一片．再从下往上行走到第1片。每片绝缘子都经过“正检”和“反检”2次检测。
5调试结果
本产品在国家电网特高压交直流试验基地模拟现场220 kV的工作环境进行试验．试验数据如表4所示。表4中实际值是由精度为2%的高精度、高电阻检测仪检测得到的数据，误差是由本产品测得的数据与实际值之差再除以实际值得到的。从表中可知，测得的绝缘子电阻值与实际值误差在允许的范围内(5%)，满足现场测量的精度要求。机器人在模拟现场稳定安全地运行，达到了设计的要求。
6结语
本文介绍了基于WiFi的无线通信远程控制的绝缘子电阻检测机器人的工作原理和软硬件结构．硬件上采用平板电脑、检测终端集成电路以及机器人，通过WiFi无线、RS485总线将三者有序地连接起来，便于远程控制机器人运行。软件上设计了WiFi的通信协议、RS485总线的通信协议以及相应的控制算法。考虑到系统实际运行于现场面临复杂的电磁环境巾，对整体控制系统进行了较完备的电磁兼容试验．试验结果表明了该系统能够稳定运行，且可靠性高，满足了现场高压带电检测的要求。适用于电压等级500 kV及以下系统绝缘子串的绝缘子电阻检测，可节省大量劳动力，提高检测效率和准确度。
7摘 要：目前绝缘子电阻的检测方式主要是人工检测，而人工检测效率低，危险性高，作业强度大。结合实际工程项目，完成了基于WiFi无线通信远程控制的绝缘子电阻检测机器人的研制。该机器人可以用来停（带）电检测架空线路瓷绝缘子串的每片绝缘子电阻，适用于不同角度布置的瓷绝缘子串。检测机器人整个系统由3部分组成，分别为上位机的平板电脑、检测终端和机器人控制受端。工程实践试验表明了机器人性能安全稳定，检测速度快，可以大大提高现场检测绝缘子电阻的效率。
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