變電站巡檢機器人云臺控制系統

付 淵,賈 龍,田月煒

（1．貴陽供電局，貴州貴陽，550000；2．北京方智科技有限公司，北京，100000）

0 引言

變電站人工巡檢方式存在勞動強度大，工作效率低，主觀因素多，巡檢不到位難以監控，檢測質量難以控制，巡檢結果數字化不便等問題。變電站巡檢機器人攜帶紅外熱像儀、可見光攝像機、拾音器等檢測設備對電力設備進行檢測，在一定程度上解決了上述問題。機器人巡檢部分替代人工巡檢已經成為一種趨勢。巡檢機器人對電力設備進行檢測的工作流程為：機器人按照規劃路線運行至設備檢測位置（檢測點）后，調用云臺預置位，使檢測設備對準待檢電力設備。然后將采集到的電力設備圖片及狀態數據通過無線網絡上傳至監控后臺，進行圖像處理和數據分析。整個檢測過程中，云臺處于承上啟下的位置，其性能直接影響巡檢機器人完成巡檢任務的質量。

市場常見云臺并不能完全滿足變電站巡檢機器人的應用要求，主要體現在：

1）變電站內待檢電力設備數量多，檢測點多，要求云臺預置位在1000個以上。但市場現有的云臺標準化產品預置位最多為256個。

2）預置位坐標保存在板卡本地，數據安全性不高，更換云臺時復用坐標不便。

3）不支持坐標調用，不便于進行二次開發和高級應用。

針對上述不足，本文在分析變電站巡檢機器人應用要求的基礎上，研究了云臺控制系統。重點論述系統結構及特點，電機選型，驅動控制電路，軟件設計等關鍵技術。

1 系統結構及特點

為使機器人長期可靠、快速準確地獲取設備圖片和狀態數據，要求云臺具有控制靈活、響應迅速、位置精度高、預置位數量多、可靠性高、防護能力強、便于集成及二次開發等特點。本文所述云臺專門針對變電站巡檢機器人室外全天候、強電磁、強震動的應用場合設計，防護等級達到IP66，符合國家車載設備標準，具備高電磁兼容度。通過軟硬件協同設計，解決了引言所述市場常見云臺在變電站巡檢機器人應用中存在的問題。

工控機根據監控后臺規劃的巡檢任務及當前位置信息，通過485接口給云臺控制板下發控制指令，包括預置位調用、自檢、參數查詢等。云臺控制板驅動步進電機實現云臺橫轉、俯仰。通過槽型光電開關的反饋信號確定云臺的原點位置。橫轉方向電氣連接采用滑環，不受機械位置限制。垂直方向±90°設置有機械限位。本文所述云臺的主要運行參數包括：角度：水平：0~360°；垂直 ：-90°（±2°）~+90°（±2°）。勻速階段速度 ：水平 ：9° /s～36°/s；垂直：9°/s～36°/s。控制定位精度：0.02°。預置位數量：本地1000個，監控后臺可存預置位數量視存儲空間而定。

2 電機選型

2.1 電機類型

本文采用兩相混合式步進電機。步進電機能夠在開環條件下對速度和位置進行精確控制，控制簡單，精度較高，性價比高。混合式步進電機既具有反應式步進電機步距小的特點，又具有永磁式步進電機的輸出力矩大、繞組電感小的優點。混合式步進電機轉子是永磁體。定子激磁只需提供變化的磁場即可，所以效率高、電流小、發熱低、定位準確、穩定可靠。二相系統結構簡單、成本低、步進頻率高、反應速度快，是最常用的混合式步進電機之一。

2.2 承載能力計算

根據應用要求，確定云臺的最大負載，選擇具備承載能力的電機，對保證云臺穩定可靠運行非常重要。本文所述云臺搭載可見光攝像機及紅外熱像儀，最大負載約為1kg。采用雙側載結構，搭載設備的重心到云臺回轉中心的距離為25mm。垂直方向旋轉的最大角度為90°。云臺承載能力計算以回轉中心為基準。云臺輸出轉矩T必須大于最大負載轉矩，預留40%裕量，計算如式1所示：

其中，m為載荷質量，重力系數g取9.8 N/kg，計算得：T＞0.41N.m。垂直方向是云臺的主要承載方向，水平方向受到的負載壓力小于垂直方向。根據設計經驗，并考慮采購及庫存管理的便利性，水平方向與垂直方向選用的電機一致。綜上所述，本文中云臺采用兩相混合式步進電機，額定電壓12V，額定電流1A，靜力矩0.53N.m，步距角0.3°。

3 驅動控制電路

歩進電機分辨率受機械結構限制，直接控制精度不高。步進電機在低速運轉時會產生較大的振動和噪音，頻率突變過大會造成失步或者過沖的現象，這些都會影響步進電機的定位精度和使用壽命。為克服上述缺陷，本文采用微步控制技術，使電機步進角度減小，低頻振動減小，分辨率提高，達到可靠運行、精確定位的目的。

步進電機微步控制一般由單片機進行線圈通電順序編碼，控制相對復雜。本文采用內置1/32微步分度器的驅動芯片DRV8824驅動兩相混合式步進電機。無需編碼，內置分度器即可產生步進電機運動所需的所有波形。云臺步進電機驅動控制電路如圖2所示（以單個電機為例，云臺兩個電機控制原理一致）。DIR引腳控制電機旋轉方向。PWM信號經STEP引腳，控制步進電機的速度和位置。通過nENBL、nRESET和SLEEP引腳設置驅動芯片工作狀態。通過MODE2:0引腳設置驅動微步細分數。本文中MODE2:0=4，將整步細分為16個微步。通過ISENA和ISENB引腳連接采樣電阻，實時監測電機繞組電流，防止過流。

其中，RISENSE為采樣電阻值（R24、R25阻值）和VREFX為參考電壓（引腳AVREF，BVREF電壓）。經計算，本文中電機繞組電流控制為小于1.1A。

4 軟件開發

4.1 系統流程

本文所述云臺控制系統軟件采用基于命令觸發的系統架構，執行工控機的控制命令，并反饋執行狀態。其它隨機事件由中斷進程處理。系統核心功能是云臺電機的速度和位置控制。

4.2 通信協議

本文所述云臺采用485接口與工控機通訊，支持通用的PELCO_D協議，另外為了便于上傳預置位坐標數據到監控后臺，支持坐標調用，方便調試，自行制定了一套私有協議，格式如圖1所示。

圖1 云臺控制私有協議

私有協議幀長度為9個字節，其中：SYN為幀頭同步字節；ADR為地址字節；C1和C2為命令字節，表明云臺所要執行的命令；D1到D4為數據字節，為命令所需的標志或參數；CHK為校驗字節。

系統根據功能需要設置的命令包括：版本號查詢、系統重啟、自檢、姿態控制、當前位置坐標讀取、指定預置位坐標讀取、預置位設置、運動狀態反饋等。使云臺位置坐標的讀取、上傳、存儲、調用、復用更加方便、安全。與位置坐標對應的預置位數量理論上擴充為無窮。

4.3 速度控制

實際運行過程中，由于巡檢任務的特殊性，要求云臺電機能夠快速啟動、高速運轉、立即停止。歩進電機速度與控制脈沖頻率有關。啟動頻率過高會使步進電機發生堵轉、失歩（步進電機的啟動頻率必須小于最大牽入頻率）。停止頻率過低會使步進電機發生過沖現象。本文采用的啟動頻率和停止頻率均為500Hz。即啟動時，控制脈沖頻率為500Hz，然后逐漸提高至目標頻率。停止時，控制脈沖頻率先逐漸降低至500Hz，然后停止輸出控制脈沖。為防止運行速度過快，停止沖擊過大，本文中將控制脈沖頻率設定為不大于2KHz。

本文所述云臺以單片機ATmega128為控制核心，采用相頻修正PWM模式控制步進電機的速度和位置。為使步進電機從起始速度平穩加速至目標速度，需要周期性均勻的改變當前速度。本文中使用兩個定時器。一個是速度定時器，用于產生精確的PWM脈沖，控制每秒步進SPS（step per second），即步進電機速度。另一個是加速度定時器，用于周期性地改變速度定時器。速度定時器TOP數值SPS_timer_register計算如式3所示：

本文中采用的晶振為14.7456M，分頻系數為256。經過計算，SPS_timer_register = 14745600/(2*256*SPS) = 28800/ SPS

改變速度定時器TOP數值即可改變電機速度。考慮到速度定時器的位數限制，且加減速過快影響云臺運行穩定性等因素，本文設置ATmega128的定時器0為加速度定時器，工作在普通模式。需要調整云臺速度時，加速度定時器每10ms中斷一次，使速度定時器TOP數值增加或減少4個LSB（Least Significant Bit）。

4.4 位置控制

速度定時器工作在相頻修正PWM模式時，其OCRnx寄存器通過雙緩沖方式得到更新的同一個時鐘周期里溢出標志TOVn置位。根據溢出中斷進行脈沖計數，可以確定步進電機的相對步進數。根據原點位置和相對步進數即可確定絕對位置。步進電機斷電后，位置可能發生變化，所以每次上電后都要進行自檢。通過凹槽型光電開關的反饋信號確定步進電機的原點位置。

當需要執行某個目標步進數時（目標步進數執行完畢，立即停止電機），為保護云臺電機，必須不斷對比當前步進數與目標步進數，控制加減速過程。一般將步進總數的20%用于電機加速，60%用于電機恒速，其余20%用于減速。本文考慮程序運行速度，將算法簡化。位置控制時，當已執行步進數executed steps與目標步進數number of steps差值小于設定值時，即開始減速，逐漸將控制脈沖頻率降低至500Hz。當已執行步進數executed steps等于目標步進數number of steps-1時，停止輸出控制脈沖。

5 結束語

巡檢機器人為提高變電站的數字化程度和全方位監控的自動化水平，確保設備安全穩定運行發揮了重要作用。云臺作為主要功能部件，在機器人執行巡檢任務過程中起到關鍵作用。本文在分析變電站巡檢機器人應用要求的基礎上，研究了云臺控制系統。

基于內置分度器的驅動芯片，細分控制二相混合式步進電機，實現云臺橫轉、俯仰，控制相對簡單、控制精度高、穩定性好。通過支持絕對坐標調用，并將位置坐標上傳至監控后臺，增加預置位數量，提高坐標數據的安全性和易用性。便于進行二次開發和高級應用，也便于更換云臺時復用預置位。綜上所述，本文研究的巡檢機器人云臺控制系統，較好地解決了常見云臺在巡檢機器人應用中存在的一些問題，經工程應用驗證，效果良好。