基于變電站智能巡檢機器人的遙控模塊功能設計與應用

王冠

摘? 要：目前常見的變電站巡檢機器人遙控模塊主要分為兩類，一類是通過無線遙控器與機器人的主控計算機直接通信，主控機再將遙控信號下發至下位控制板，從而控制各電機并實現機器人遙控運動，此結構在主控機與下位控制板間存在通信故障時，遙控模塊失去作用;另一類是將遙控模塊接收端與電機連接，通過PWM信號控制電機運動以實現機器人運動，這種結構難以實現復雜的控制功能。針對上述問題，文章設計了一種可編程的遙控結構，通過遙控模塊直接與機器人下位控制板通信，經試驗驗證，該方案在可靠性更高的前提下，也能夠實現各種復雜的機器人控制操作。

關鍵詞：遙控模塊;可編程;變電站巡檢機器人

中圖分類號：TP242.6? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0090-03

Abstract： At present， the common remote control modules of substation inspection robot are mainly divided into two categories： One is to communicate directly with the robot's master computer through the wireless remote controller， and then the master computer sends the remote control signal to the control board， so as to control each motor and realize the robot's remote control movement. When there is communication failure between the master computer and the lower control board， the remote control module loses its function. The other is to connect the receiving end of the remote control module with the motor， and control the motor movement by PWM signal to realize the robot movement. This structure is difficult to achieve complex control functions. Aiming at the above problems， this paper designs a programmable remote control structure， which communicates with the robot's lower control board directly through the remote control module. The experiment shows that the scheme can also realize various complex robot control operations on the premise of higher reliability.

Keywords： remote control modules; programmable; substation inspection robot

1 需求分析

本文以一種四轉四驅的變電站輪式巡檢機器人為例，分析該機器人對于無線遙控模塊的需求。首先，考慮變電站內部環境的復雜性及其對于可靠性的要求[1]，無線遙控模塊應選用方便現場操作的手持式遙控器;其次，考慮機器人為四轉四驅的輪式機器人，遙控模塊應能夠實現機器人可實現的所有操作模式[2]，包括阿克曼運動模式、原地轉向模式、平移運動模式、緊急制動模式等，且應當支持定速巡航、定速原地轉向等可能用到的自定義功能;第三，考慮機器人安全運行等需求，遙控模塊應當能夠一定程度上反饋機器人本體的異常狀態信息;最后，基于遙控模塊本身的可靠性要求，該模塊應當能夠反饋自身剩余電量等狀態信息，且針對傳統控制器的模擬信號發生環節，例如壓感按鍵、搖桿等，可能出現的零位漂移現象應能具有可靠的校準功能。

基于以上分析，本文選用一種可充電、可編程的手持式控制器，配合2.4G無線通信模塊，實現變電站智能巡檢機器人的遙控操作，本文所選2.4G無線通信模塊為支持AT指令控制的JDY-40無線透傳模塊，電池為標稱電壓3.7V的聚合物鋰電池。

2 功能設計

JDY-40無線透傳模塊可通過UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發傳輸器）串口直接與行走系統控制板及手持式控制器連接，配對完成后即可實現遙控通信。

由于遙控模塊核心為可編程MCU（Microcontroller Unit，微控制單元），因此考慮將所有控制邏輯在遙控模塊內部完成處理，再將處理后的控制量，通過無線通信模塊發送至機器人下位控制板。

在完成MCU的初始化過程后，對程序主體環節進行循環直到關閉遙控模塊電源。程序首先判斷電池電量是否小于給定的低電量閾值，通過查閱相關文獻[3]，所選電池電壓降至3.68V時，剩余電量約為10%，因此將低電量閾值定位3.68V。如果當前電壓小于3.68V，使LED燈閃爍，即激活低電量報警。

接下來進行鍵盤按鍵值及搖桿X、Y軸位置值檢測，根據按鍵值以及進行事件處理并根據搖桿位置值發送相應事件的控制指令。

最后檢測串口是否有數據輸入，讀取數據并進行相應處理，本文設計遙控模塊獲取的數據為機器人本體異常信息，當獲取到指定數據幀，機器人本體異常，此時遙控模塊控制蜂鳴器發出蜂鳴告警，具體異常狀態將上傳至機器人后臺。

2.1 初始化過程

為了實現遠程通信功能與模擬信號的零位校準功能，應在初始化過程中添加相關環節，包括通信波特率設置、JDY-40芯片無線透傳功能喚醒、AT指令控制關閉、LED指示燈激活以及模擬信號零位偏移量讀取等。

通信波特率及JDY-40管腳電平根據手冊按需配置即可，遙控模塊搖桿的偏移量受到搖桿當前位置影響，因此初次開機時，默認中心位置，讀取此時讀數，即為搖桿偏移量，為了避免開機時使用人員不小心碰觸到搖桿，因此該過程僅在初次開機時進行，然后將獲取到的偏移量存入EEPROM（Electrically Erasable Programmable read only memory，帶電可擦可編程只讀存儲器），每次開機時，直接從EEPROM中獲取該值即可。

2.2 按鍵事件處理過程

為實現機器人的多種功能，遙控模塊鍵盤應有足夠多的按鍵或按鍵組合，并根據不同功能，分別將搖桿X、Y軸位置值解析為不同作用，如圖1所示。

根據一般習慣，采用右手坐標系，如圖2所示，機器人在阿克曼運動時的線速度、機器人轉向角（機器人轉向角一般選擇轉向時轉向中心側轉向輪的偏轉角度）與遙控模塊搖桿有如下關系：

機器人定速巡航功能的實現，是在上述幾種運動模式過程中，增設“定速”按鍵，當激活定速阿克曼運動與定速平移運動時，遙控模塊采集搖桿位置值，僅用于調整？茲與？茲t，定速原地轉向運動時，不再采集搖桿值。

3 樣機測試

分別在主控機連續下發控制指令和主控機斷開連接的情況下進行測試，通過遙控模塊控制，使機器人按照遙控指令正常實現多種運動模式，確保不會受到其他干擾。

首先測試主控機連續下發指令，如圖3（a）所示，此時遙控模塊下發指令及機器人接收指令如圖3（b）（c）（d）所示。

折線圖起始部分，遙控模塊處于關閉狀態，此時機器人接收數據為主控機下發數據，當遙控模塊打開時，完全接管機器人控制權，此時機器人能夠按照遙控指令正確動作，不會受到主控機指令干擾。

然后將主控機與機器人下位控制板間連接斷開，使用遙控模塊對機器人進行控制，機器人依然能夠按照遙控模塊指令正常執行工作，因此該遙控模塊可在主控機出現異常時，用于機器人應急控制。

4 結束語

本文設計的基于變電站智能巡檢機器人的遙控模塊，具有以下特點：

（1）直接與機器人行走系統的底層控制板進行通信，

具有最高的控制權限以及更高的可靠性。

（2）遙控模塊可編程，因此可以實現各種復雜的機器人控制操作。

（3）通過搖桿零位的自動/手動校正算法，避免了傳統手柄可能出現的零點漂移現象。

經試驗證明，本文設計的遙控模塊能夠流暢控制機器人進行各種運動，可在緊急情況下用于接管機器人控制權，同時可在機器人性能測試及功能驗證中發揮較大作用。

參考文獻：

[1]M. Eder and A. Knoll. Design of an experimental platform for an X-by-wire car with four-wheel steering. 2010 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering， Toronto，ON，2010，pp.656-661，doi：10.1109/COASE.2010.5584677.

[2]石世杰，丁慧.四輪全向移動機器人的運動控制分析[J].科技展望，2016，26（04）：145.

[3]劉霞，鄒彥艷，金梅，等.鋰電池電量的動態預測[J].大慶石油學院學報，2004（02）：83-85+135-136.