基于ARM—STM32F030x4的變電站日常巡視機器人研究

呂劍+羅天宇+葉宣廷

摘要：根據變電站巡視要求，提出一套機器人巡視的框架。文章著重討論各個模塊的算法，并根據各個算法，找到合適的硬件實現每個功能，以解決巡視中可能出現的問題，提高巡視效率和可靠性。處理器反面采用了最新的ARM-STM32F030x4，以保障各個功能的實現，方便添加新增功能。

關鍵詞：變電站；巡檢機器人；STM32F030x4；柵格化算法；自動充電 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2016）29-0015-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.007

今時今日，自動控制技術、傳感器技術、電子通訊技術以及人工智能等多種學科發展已具備相當規模，機器人技術在各個領域的運用已日漸成熟。

在智能機器人代替成本日益上升的人工作業的大背景下，變電站自動化的探索日益緊迫。這就是本次變電站日常巡視機器人研究的初衷。

1 變電站巡視要求

變電站巡視包括巡視區域、巡視路線、巡視重要點和巡視設備。巡視區域設定在變電站內部，當區域較大時可以根據設備運行情況將巡視區域分為幾個小塊。巡視路線根據當地區縣相關人員巡視規定和實際路線情況進行編制。巡視重要點是指巡視路線中需要停靠的點，需要注意停靠時間和攝像頭角度。巡視設備是巡視的基本對象，包括變壓器、開關、避雷器、母線等。

2 機器人內部硬件架構

變電站巡檢機器人內部硬件架構分為驅動電機、微控制器、傳感器、無線傳輸器這四個部分組成。

2.1 驅動電機

采用的是永磁式步進電機，分別位于機器人的左側和右側。電機的驅動芯片為BA6845FS，與系統通過電池的輸出電壓直接連接。

2.2 微控制器

采用的是ARM-STM32F030x4。該芯片由德國ST公司開發，64組管腳定義可實現包括WIFI傳輸控制、電機運動控制、電池電量檢測、傳感器控制等一系列功能。調試器使用的是ST-Link（v2 SWD模式）芯片晶振采用16M/32M/48M晶振，可實現納秒級別的精確計算，以做到驅動控制的準確無誤；閃存上可實現32bits，速度基本凌駕于市面上CPU處理器，在智能機器人的控制方面更為適合；內核溫度可承受150℃，除去自身發熱源，可承載環境溫度120℃，安全級別達到了汽車安全級別，保證了機器人的安全穩定運行；芯片設有施密德觸發特效，能有效保障機器人在變電站這種高頻的電磁波以及大電流這些EMC的干擾較大的場合中穩定運行。為了確保長期穩定運行，CPU安全級別以及驅動回路的抗干擾性將是我們在選擇設計時必須重點考慮的事項，而ARM-STM32F030x4將施密特性集成于微控制器內部要比在芯片外面施加保護來得更加安全。除此之外，微控制處理器ARM-STM32F030x4采用雙向CAN，可以實現一路為傳感器讀寫CAN，一路為檢修CAN，為區分可以稱為FCAN以及PCAN，FCAN可以實時與傳感器交互數據，我們利用PCAN可以對CPU運行數據實時監測以及備份。

2.3 傳感器

紅外傳感器共四個，1號、4號位于機器人左前方和右前方，2號、3號位于前端。型號是IRM8601S。傳感器內部集成自動增益控制電路、輸出驅動電路、解碼電路及帶通濾波電路。該接頭最為有效的紅外線信號的載波頻率為38kHz。當它檢測到有效紅外線信號時輸出低電平，未檢測到則輸出高電平。

2.4 無線傳輸器

WIFI通信的硬件方面使用的是TPLINK無線網卡和全向天線，并使用TRF6903芯片處理收發信息。架構如圖1所示：

3 機器人運行軟件模塊

3.1 路線以及環境模塊

在確定好巡視路線的情況下，就要建立環境模型并且優化機器人巡視路徑。

在眾多環境建模方法中，我們選擇了柵格法進行建模。其優點為計算量較小，容易加入更新的內容，符合變電站環境搜索的各類要求。

柵格法（Cell Modeling Method）的基本原理是地圖建模的一種方法，柵格法實質上是將工作環境進行單元分割，將其用大小相等的方塊表示出來。

將變電站進行柵格化建模后，就要建立機器人的“記憶庫”進行路徑的制定。為了把上下左右四個方向參數類型轉換為微型控制器能夠識別的符號，我們將向上的方向定義為0、向右為1、向下為2、向左為3，如圖2所示：

機器人頭部傳感器的位置和方向相對于機器人是不動的。而相對于變電站的環境來說，它們的方向是在改變的，這就涉及到“絕對方向”和“相對方向”問題。

相對方向：以機器人當前行走方向為參照的方向。

絕對方向：以變電站絕對坐標平面為參照的方向。

這樣就會涉及到相對方向和絕對方向的互換的問題。在本文中采取了以變量Dir記錄機器人前進方向上的絕對方向值，即前方的絕對方向值始終設為Dir，這樣機器人的相對方向轉換成絕對方向。如表1所示：

轉換為坐標顯示，初始點為（0，0）機器人會將走過的路線坐標進行儲存。如表2所示：

以臨海市110kV鏡都變為例，圖4為實景模擬圖，黑色部分為根據相關規定設計的機器人巡視路線。如圖3所示：

3.2 避障模塊

當機器人在變電站自動巡檢時，可能會出現計劃外的障礙物擋在原來設定的路線上，這就需要設定機器人自動避障模塊以減少操作人員的操作。其原理如下：機器人在O點探測到靜態障礙物，考慮靜態障礙物相對于機器人的方向（在O點，將方向歸為四類：右方、上方、左方、下方，在其余點，方向仍然分為八類）。設機器人在O處的位置為（xo，yo），局部子目標Pgoal位置為（xp，yp）。

（1）障礙物在右方：如果yp≥yo，機器人做逆時針運動；如果yp