變電所軌道式巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于景，周國平

（南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037）

0 引言

變電所是電力系統(tǒng)中電能傳輸?shù)闹匾獦屑~，起著橋梁的重要作用[1]。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推廣與應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的運(yùn)維方式面臨著新的挑戰(zhàn)，如何進(jìn)一步適應(yīng)新形勢下的電網(wǎng)運(yùn)行，成為今后面臨的主要問題之一[2]。

目前，變電所仍主要采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式[3]，綜合運(yùn)用感官和一些檢測儀器對變電所設(shè)備進(jìn)行簡單的檢查[4]。該方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，且存在一定的安全隱患[5]。利用機(jī)器人進(jìn)行變電所設(shè)備巡檢，通過自動(dòng)化的作業(yè)手段滿足變電所新形勢下的需求[6]，為解決人工巡檢缺陷提供了一種有效的方案。

然而，巡檢機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中存在巡檢效率不高、導(dǎo)航靈活性較差和避障不及時(shí)等問題[7]。為此，本文研制出一種軌道式巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能較為完善，在軟件上對導(dǎo)航、定位、剎車和避障算法做了優(yōu)化，在監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控下，使機(jī)器人可以安全高效作業(yè)，代替人工巡檢，為相關(guān)領(lǐng)域提供了良好的參考價(jià)值。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，分別為主控層、通信層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。主控層是監(jiān)控中心，通過上位機(jī)軟件監(jiān)控機(jī)器人，并對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和展示；通信層是局域網(wǎng)，是主控層和數(shù)據(jù)層信息交互的橋梁；數(shù)據(jù)層是機(jī)器人，應(yīng)用控制系統(tǒng)對室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行巡檢。

圖1 巡檢機(jī)器照明人系統(tǒng)架構(gòu)圖103-2

巡檢機(jī)器人整體外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含軌道、移動(dòng)平臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)、局放檢測盒和云臺(tái)。軌道是機(jī)器人移動(dòng)的基礎(chǔ)，為其提供移動(dòng)路線；移動(dòng)平臺(tái)是機(jī)器人的主體，內(nèi)含多個(gè)功能模塊；升降機(jī)構(gòu)控制局放檢測盒和云臺(tái)升降；局放檢測盒用于放置局放檢測儀和固定云臺(tái)；云臺(tái)包含可見光攝像機(jī)、紅外攝像儀和拾音器，擁有360°全景視角。

圖2 巡檢機(jī)器人整體外形結(jié)構(gòu)圖

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)包含主控模塊、電源模塊、軌道模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、散熱模塊、聲光報(bào)警模塊和照明模塊。主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心；電源模塊采用滑線取電方式為機(jī)器人全天候供電；軌道模塊由“工”字型導(dǎo)軌、齒條、固定樁和滑觸線等組成；通信模塊由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電力載波模塊和網(wǎng)線等組成，機(jī)器人應(yīng)用電力載波技術(shù)接入局域網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集模塊包含可見光攝像機(jī)、紅外攝像儀、局放檢測儀和拾音器；運(yùn)動(dòng)控制模塊由避障雷達(dá)、水平移動(dòng)模塊和垂直升降模塊組成，每個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊主要包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)、編碼器、限位傳感器；散熱模塊、聲光報(bào)警模塊和照明模塊起到散熱、報(bào)警和照明的作用。

圖3 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控芯片資源分布框圖如圖4所示。主控模塊以微控制器STM32F103RBT6為核心，其他外圍電路均是使用該芯片的外設(shè)進(jìn)行拓展；程序通過SWD接口燒錄到微控制器；I2C總線連接外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，具有掉電數(shù)據(jù)不丟失的功能；滴答定時(shí)器實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)，并定時(shí)上傳位置、速度信息到監(jiān)控中心；看門狗防止程序跑飛，自動(dòng)復(fù)位；TIM1輸出PWM信號控制機(jī)器人移動(dòng)；TIM2和TIM3采用編碼器模式分別獲取水平和垂直兩個(gè)方向上的編碼器數(shù)據(jù)；SPI總線連接硬件TCP/IP協(xié)議棧芯片W5500，再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A與外界進(jìn)行以太網(wǎng)通信；USART1、USART2和USART3經(jīng)RS485電路分別與避障雷達(dá)模塊、局放檢測儀和激光雷達(dá)傳感器相連。

圖4 巡檢機(jī)器人主控芯片資源分布框圖

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將交流220V引入交流220V端子排，給電力載波模塊、照明燈、聲光報(bào)警器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、單相交流電機(jī)和開關(guān)電源供電；交流220V經(jīng)雙路可調(diào)輸出開關(guān)電源輸出直流24V和5V到指定端子排；直流24V端子排給HBS57驅(qū)動(dòng)器、避障雷達(dá)模塊、散熱風(fēng)扇、局放檢測儀、云臺(tái)供電；直流5V端子排給主控電路板、光電開關(guān)、增量式編碼器和激光雷達(dá)傳感器供電。

2.3 運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示，由一種新型的電機(jī)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)結(jié)構(gòu)組成。移動(dòng)平臺(tái)采用齒輪與齒條嚙合的傳動(dòng)方式，步進(jìn)電機(jī)和水平編碼器分別與聯(lián)軸器、齒輪相連，再和軌道上的齒條嚙合。同時(shí)，前后導(dǎo)向輪均設(shè)計(jì)有限位輪對其進(jìn)行左右限位，防止車體結(jié)構(gòu)掉落。

圖5 巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

在升降機(jī)構(gòu)上，電機(jī)、繞線輪和垂直編碼器通過聯(lián)軸器同軸連接。相較于傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿減速器，不僅避免蝸輪蝸桿發(fā)熱量大的缺點(diǎn)，還簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的空間排布，使安裝調(diào)試更為簡便。

2.3.2 硬件設(shè)計(jì)

在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)上，水平移動(dòng)模塊采用步進(jìn)電機(jī)和HBS57驅(qū)動(dòng)器作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，垂直升降模塊采用帶剎車功能的單相交流電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)反饋上，兩者均采用增量式編碼器。在限位檢測上，軌道始末裝有擋板，通過機(jī)身前后的光電開關(guān)進(jìn)行水平限位，通過機(jī)身下方的激光雷達(dá)傳感器照射局放盒上層板進(jìn)行垂直限位。

而且，機(jī)器人周身裝有避障雷達(dá)，由多個(gè)傳感器組成測距模組。該模組應(yīng)用超聲波技術(shù)對物體障礙物進(jìn)行距離探測，由控制盒和多個(gè)傳感器組成，通過RS485接口與主控模塊進(jìn)行通信，機(jī)器人通過獲取測距信息來判斷周身有無障礙。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)軟件基于MDK開發(fā)環(huán)境，使用C語言設(shè)計(jì)，包含主程序、子程序和中斷服務(wù)程序三個(gè)部分[8]。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖6所示。首先，初始化外設(shè)和寄存器，并配置和開啟中斷；接著，芯片從外部存儲(chǔ)器中讀取一些初始化參數(shù)，例如：運(yùn)行速度、限位距離等；然后，芯片一直等待監(jiān)控中心的命令，若命令有效，則進(jìn)行命令解析，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，執(zhí)行完后繼續(xù)等待下一次命令；若命令無效，則繼續(xù)等待命令。

圖6 巡檢機(jī)器人主程序流程圖

3.2 運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制程序分為基本運(yùn)動(dòng)程序、預(yù)置位調(diào)用程序和輔助運(yùn)動(dòng)程序。基本運(yùn)動(dòng)程序用于控制機(jī)器人的啟停；預(yù)置位調(diào)用程序用于控制機(jī)器人到達(dá)預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)位；輔助程序用于輔助機(jī)器人運(yùn)行，包含初始位校正、故障檢測、限位檢測和避障等。

3.2.1 設(shè)計(jì)思想

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，先檢測云臺(tái)是否在垂直上限位處，若不在，則先收縮至上限位位置，再進(jìn)行水平方向移動(dòng)；若在，則直接進(jìn)行水平方向移動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人平滑運(yùn)行，具有明顯的加減速過程，防止機(jī)身出現(xiàn)大幅震蕩，且具有較高的定位精度。除此之外，運(yùn)行過程中，要對周圍障礙物進(jìn)行檢測，若遇障礙物，則立即制動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警。

3.2.2 脈沖計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換方法

編碼器輸出A相和B相脈沖，根據(jù)脈沖特性進(jìn)行中斷計(jì)數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，需要一個(gè)固定的周期進(jìn)行采樣和調(diào)整機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)香農(nóng)采樣定理和系統(tǒng)特性確定采樣周期Ts為20ms。

系統(tǒng)采用雙邊沿計(jì)數(shù)，1000線精度編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出4000個(gè)脈沖，機(jī)器人實(shí)際行走距離為12.8cm，由此可以算出當(dāng)脈沖數(shù)為cp時(shí)，對應(yīng)的機(jī)器人行走距離x（單位：cm）為：

系統(tǒng)根據(jù)M測速法對機(jī)器人運(yùn)行速度進(jìn)行測量，測量單位時(shí)間內(nèi)的脈數(shù)，但未換算成頻率，直接將連續(xù)50次測量的單位時(shí)間內(nèi)脈數(shù)進(jìn)行累加，換算成1s內(nèi)的脈沖數(shù)和，然后計(jì)算得出機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行速度v（單位：cm/s）為：

3.2.3 位置速度雙環(huán)串級調(diào)控

通過編碼器的反饋數(shù)據(jù)，將機(jī)器人的實(shí)時(shí)速度和位置與目標(biāo)值進(jìn)行比較，再將比較的結(jié)果施加于系統(tǒng)進(jìn)行控制，避免系統(tǒng)偏離預(yù)定目標(biāo)，形成一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋控制系統(tǒng)[9]。

在控制系統(tǒng)中，位置環(huán)為外環(huán)，速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，其控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。先設(shè)定機(jī)器人位置和速度的目標(biāo)值，作為PID控制器的期望值；接著傳入編碼器的機(jī)器人位置作為實(shí)際值進(jìn)行PID位置環(huán)計(jì)算，此時(shí)得到位置環(huán)增量，將其作為速度環(huán)的輸入，并限制位置環(huán)的輸出不超過速度環(huán)目標(biāo)值；然后，將傳入編碼器的機(jī)器人速度作為實(shí)際值進(jìn)行PID速度環(huán)計(jì)算；最后，將速度環(huán)的輸出進(jìn)行換算，以PWM形式控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖7 位置速度雙環(huán)串級調(diào)控框圖

增量式PID控制是通過對控制量的增量進(jìn)行PID控制的一種控制算法[10]，其算法公式為：

控制量的增量Δuk為連續(xù)兩個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值uk和uk-1之差，系統(tǒng)采用恒定采樣周期20ms進(jìn)行增量式PID計(jì)算，在確定比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD后，根據(jù)前后三次測量的偏差ek、ek-1和ek-2，便可計(jì)算出控制增量。根據(jù)增量的大小和方向，便可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人位置和速度的控制。

應(yīng)用Ziegler-Nichols方法進(jìn)行PID參數(shù)的整定，先構(gòu)建閉環(huán)控制回路，確定穩(wěn)定極限，再根據(jù)公式計(jì)算控制器參數(shù)[11]。PID參數(shù)整定結(jié)果：位置環(huán)PID參數(shù)整定為KP=0.010，KI=0，KD=0；速度環(huán)PID參數(shù)整定為KP=0.035，KI=0.005，KD=0。

根據(jù)整定結(jié)果，設(shè)置機(jī)器人目標(biāo)速度分別在10、20、30和40cm/s時(shí)的響應(yīng)曲線如圖8所示。由圖形可知，機(jī)器人經(jīng)歷了啟動(dòng)——加速——?jiǎng)蛩佟獪p速——制動(dòng)五個(gè)過程，加速和減速過程用時(shí)約為4s；勻速時(shí)，實(shí)際速度始終在目標(biāo)速度下方波動(dòng)，且波動(dòng)大小與目標(biāo)速度呈正相關(guān)。同時(shí)，經(jīng)多次誤差統(tǒng)計(jì)，機(jī)器人制動(dòng)位置與目標(biāo)位置誤差極小，僅個(gè)位脈沖數(shù)誤差，可忽略不計(jì)。

圖8 巡檢機(jī)器人響應(yīng)曲線

3.3 導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)

導(dǎo)航程序用于機(jī)器人自主巡檢，即機(jī)器人按照一定順序頻繁調(diào)用預(yù)置位調(diào)用程序到達(dá)預(yù)先設(shè)置的各個(gè)點(diǎn)位，完成室內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。優(yōu)化預(yù)置位調(diào)用順序，將巡檢總耗時(shí)盡可能降低，是導(dǎo)航的關(guān)鍵。

綜合考慮待巡檢點(diǎn)位數(shù)量、裕度和存儲(chǔ)器容量，預(yù)置位總數(shù)量不得超過100。預(yù)置位信息包含機(jī)器人在水平和垂直兩方向的位置數(shù)據(jù)，將其按照設(shè)置順序分別存放于數(shù)組中，并將設(shè)置順序作為預(yù)置位的唯一身份ID。

假設(shè)某次自主巡檢前，共設(shè)置了n（1≤n≤100）個(gè)預(yù)置位，水平和垂直兩方向的位置數(shù)據(jù)分別存于數(shù)組X[n]和Y[n]中，預(yù)置位ID存于數(shù)組ID[n]中。

為了不影響原始數(shù)據(jù)，復(fù)制數(shù)組X[n]和Y[n]到數(shù)組A[n]和B[n]，分別為：

將A[n]設(shè)為主數(shù)組，B[n]設(shè)為次數(shù)組。首先，應(yīng)用冒泡排序法對主數(shù)組A[n]進(jìn)行升序排列，排序過程如下：

1）第1輪排序：遍歷A[0]～A[n-1]內(nèi)元素，依次比較相鄰元素xk和xk+1（0≤k≤n-2）的大小，若xk大于xk+1，則交換兩者位置，并互換兩者身份ID；否則不變。本輪結(jié)束后，xn-1為數(shù)組A[n]內(nèi)元素的最大值。

2）第2輪排序：遍歷A[0]～A[n-2]內(nèi)元素，依次比較相鄰元素xk和xk+1（0≤k≤n-3）的大小，若xk大于xk+1，則交換兩者位置，并互換兩者身份ID；否則不變。本輪結(jié)束后，xn-2為A[0]～A[n-2]內(nèi)元素的最大值。

3）第n-1輪排序：比較A[0]和A[1]的大小，若A[0]大于A[1]，則交換兩者位置，并互換兩者身份ID；否則不變。本輪結(jié)束后，便完成了數(shù)組A[n]內(nèi)元素的升序排列，并得到了與之對應(yīng)的新ID數(shù)組ID[n]。

接著，對次數(shù)組B[n]進(jìn)行排列。將次數(shù)組B[n]按照新ID數(shù)組ID[n]進(jìn)行排列，保證B[n]內(nèi)元素與A[n]內(nèi)元素對應(yīng)。遍歷數(shù)組A[n]，若出現(xiàn)連續(xù)相等的元素，則將相等元素對應(yīng)的數(shù)組B[n]元素按照冒泡排序法進(jìn)行升序排列；否則，數(shù)組B[n]對應(yīng)元素不變。這樣，便完成了數(shù)組B[n]的排列。

最終，機(jī)器人按照排列完成后的數(shù)組和進(jìn)行自主巡檢，使巡檢總耗時(shí)大幅降低。

4 應(yīng)用分析

在變電所的實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件為操作人員提供了一個(gè)友好的人機(jī)交互界面，如圖9所示。從圖形界面來看，該軟件主要包含參數(shù)配置、機(jī)器人控制、可見光攝像機(jī)拍攝畫面實(shí)時(shí)顯示和紅外攝像儀熱成像畫面實(shí)時(shí)顯示等，操作人員通過人機(jī)交互界面對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。軌道式巡檢機(jī)器人實(shí)物如圖10所示，應(yīng)用該控制系統(tǒng)進(jìn)行遙控或自主巡檢時(shí)，運(yùn)行十分平滑，未出現(xiàn)大幅震蕩，能夠精準(zhǔn)地到達(dá)指定位置，并且多次運(yùn)行無累計(jì)誤差。在進(jìn)行障礙物測試時(shí)，機(jī)器人總能及時(shí)制動(dòng)并發(fā)出報(bào)警。巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，極大程度上減輕了人工巡檢的壓力，提高了變電所的自動(dòng)化水平。

圖9 上位機(jī)軟件界面

圖10 巡檢機(jī)器人實(shí)物圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種變電所軌道式巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)，在討論了其系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組成和軟件設(shè)計(jì)后，通過在變電所的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。巡檢機(jī)器人應(yīng)用該系統(tǒng)，配合上位機(jī)軟件，能出色地完成對變電所室內(nèi)設(shè)備的遙控或自主巡檢，切實(shí)提高了巡檢效率和質(zhì)量，是智能電網(wǎng)未來發(fā)展的重要方向。