基于PC104的巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了高壓輸電線巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高壓輸電線巡線機(jī)器人的越障、線路檢測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有良好的可靠性和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵字：PC104；檢測(cè)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；高壓輸電線

1.引言

高壓輸電線及桿塔附件長(zhǎng)期暴露在野外，因受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時(shí)修復(fù)更換，原本微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，電力公司需要定期對(duì)線路設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷并加以評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果安排必要的維護(hù)和修復(fù)，從而確保供電的安全可靠性。傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對(duì)于山區(qū)和大江大河等的輸電線路巡檢存在很大困難，甚至一些巡檢項(xiàng)目靠常規(guī)方法都難以完成。因此，采用機(jī)器人自動(dòng)巡線成為保障高壓輸電線安全運(yùn)行的一種必要手段。

高壓輸電線路巡線機(jī)器人屬于特種機(jī)器人的研究范疇，主要完成高壓供電線纜的無(wú)損探傷、懸垂絕緣子絕緣特性檢測(cè)、輸電線附件輸電性能測(cè)試、機(jī)械連接牢固性檢查、線纜異物清除等高空作業(yè)。國(guó)外在巡線機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較早，研究水平較高，1988年，日本東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線巡檢移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人可以沿地線爬行，遇到障礙物時(shí)，可以通過(guò)弧形手臂輔助跨越。加拿大魁北克水電研究院的Montambault等人于2000年研制成功了輸電線遙控機(jī)器人，該遙控機(jī)器人可以消除電力傳輸線上的積冰，并可以用來(lái)線路巡檢平臺(tái)。國(guó)內(nèi)關(guān)于輸電線路巡線機(jī)器人的研究還處于起步階段，只有武漢水利大學(xué)、山東大學(xué)、中科院等作過(guò)一些研究。

2.機(jī)器人概述

由于高壓輸電線的線纜附件種類多、形狀復(fù)雜，因此，越障成為巡線機(jī)器人要具備的首要功能。本文所述的機(jī)器人采用3個(gè)自由擺動(dòng)的吊臂跨越線纜附件，當(dāng)遇到障礙物時(shí)擺動(dòng)3個(gè)吊臂，使3個(gè)吊臂依次通過(guò)障礙物。機(jī)器人本體如圖1所示，該機(jī)器人可以在四分裂、二分裂、單股等高壓輸電線纜上爬行，可自主跨越懸垂絕緣子、隔離棒、防振錘、線夾等線纜附件，具有輸電線纜的檢測(cè)功能。機(jī)器人綜合性能指標(biāo)如下：1)本體外形：850300700mm；2)本體重量45Kg；3)纜徑適應(yīng)性Ф10~Ф25mm；4)移動(dòng)速度0~25m/min；5)爬升角度0~30；6)控制方式：自主運(yùn)行和主從遙控操作；7）故障處理：手動(dòng)/自動(dòng)。

3.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)分本體控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，如圖2 所示。本體控制系統(tǒng)用來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，確保機(jī)器人可靠快速的越過(guò)障礙物，并實(shí)現(xiàn)與地面基站的命令、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸；地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的手動(dòng)/自動(dòng)控制，并監(jiān)控機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。為機(jī)器人設(shè)計(jì)自動(dòng)和手動(dòng)兩套控制系統(tǒng)的增加了機(jī)器人的靈活性與可靠性，當(dāng)其中一套系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可啟動(dòng)另一套控制系統(tǒng)，另外在某些特殊的場(chǎng)合可只用手動(dòng)系統(tǒng)，降低了機(jī)器人野外作業(yè)的難度，增加了機(jī)器人的應(yīng)用性。

3.1機(jī)器人本體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)以嵌入式PC104工控機(jī)為核心,并配有輸入輸出擴(kuò)展板HT-750和A/D采集擴(kuò)展板PM-516。采用PC104 作為核心模塊, 可將主要精力放在軟件和接口的設(shè)計(jì)上, 而且PC104 的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和擴(kuò)展都非常方便。PC104與通用PC和PC/AT標(biāo)準(zhǔn)(IEEE P996) 完全兼容, 可以很快掌握其軟、硬件的使用, 并且具備嵌入式控制的特殊要求,為嵌入式應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)平臺(tái)^[1]。

3.1.1故障檢測(cè)

輸電線纜附件種類多，形狀復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人判斷障礙物類型帶來(lái)了極大的困難。因此有必要攜帶多種傳感器，將多種線路故障檢測(cè)器集成到巡線機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上，運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)，以便提高故障探測(cè)的效率、精度和準(zhǔn)確度。主要的傳感器有CCD視覺(jué)模塊、紅外溫度傳感器、超聲波傳感器等。

視覺(jué)檢測(cè)CCD模塊使用PC104上的COM2串口，用于識(shí)別高壓輸電線各類附件，從原始圖像中找到目標(biāo)（防振錘、絕緣子、連接金具、隔離棒等附件）所在區(qū)域，利用圖像處理技術(shù)，提取障礙物特征尺寸，自動(dòng)判斷輸電線路上的障礙物類型、距離，并向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制單元提供越障信息^[2]，形成下一步的越障策略。另外，視覺(jué)檢查一般能發(fā)現(xiàn)架空線表面故障現(xiàn)象，如輸電線表面損傷，連接金具松脫等；紅外溫度傳感器則利用高壓輸電線在故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生異常溫升的特點(diǎn)，檢測(cè)線纜的異常溫升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳感器來(lái)檢測(cè)線纜的異常溫升，以達(dá)到檢測(cè)線纜故障的目的。

3.1.2運(yùn)動(dòng)控制

由于機(jī)器人的動(dòng)作較復(fù)雜，多數(shù)吊臂式巡線機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，即用6個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)吊臂與行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方案機(jī)器人較為靈活，但多電機(jī)增加了機(jī)器人的重量，不利于機(jī)器人自身平衡。本文用2個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)需要的動(dòng)作，通過(guò)3個(gè)電磁離合器與圖2中的電機(jī)1配合控制三個(gè)吊臂的擺動(dòng)，用電機(jī)2控制機(jī)器人行走。為了增加檢測(cè)的靈活性，在機(jī)器人上增加了兩個(gè)可升降的傳感器支架，分別用電機(jī)3和電機(jī)4帶動(dòng)。驅(qū)動(dòng)框圖如圖3所示，用Silicon Lab公司的高性能單片機(jī)C8051F047和H橋組件LMD18200T來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。LMD18200T是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）推出運(yùn)動(dòng)控制專用H橋組件,內(nèi)部集成了CMOS控制電路和DMOS驅(qū)動(dòng)電路，峰值輸出電流高達(dá)6A,連續(xù)輸出電流3A，工作電壓高達(dá)55V，具有溫度報(bào)警和過(guò)熱與短路保護(hù)功能。本文所選電機(jī)的連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流在3A左右，因此選用LMD18200T芯片可以滿足使用要求。

電機(jī)1與電機(jī)2使用數(shù)字PID算法調(diào)速。數(shù)字PID算法是一種常用的控制算法，由等間隔時(shí)間光電編碼器的數(shù)值與給定的速度值進(jìn)行比較，通過(guò)PID算法，改變C8051F047的PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，即：

（1）

（1）其中 為比例系數(shù)， 為積分系數(shù)， 為微分系數(shù)， 為采樣周期^[3]。電機(jī)3和電機(jī)4只用來(lái)控制支架升降，對(duì)速度無(wú)具體要求，因此只需采集編碼器脈沖數(shù)。

3.1.3數(shù)據(jù)傳輸

機(jī)器人爬行時(shí)，要將自身狀態(tài)信息、采集到的數(shù)據(jù)、抓拍的圖片等信息發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)；而在特殊情況下，監(jiān)控系統(tǒng)也要向機(jī)器人發(fā)送指令，這就需要在兩者之間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)傳輸距離2Km,本文使用一對(duì)無(wú)線數(shù)傳模塊SRWF-108完成此功能。機(jī)器人本體的SRWF-108占用PC104上的COM1端口^[4]，波特率9600bps，8位數(shù)據(jù)位，共有狀態(tài)幀、指令幀和文件幀三種格式。

3.1.4 電源設(shè)計(jì)

巡線機(jī)器人在高空作業(yè)，只能使用自備電源。本文使用4節(jié)12V鉛酸蓄電池，由B1205S、B1212S、LM2678等電源轉(zhuǎn)換芯片得到系統(tǒng)需要的+12V, 5V等電平。為了保證機(jī)器人有充足的能源，有必要監(jiān)控電池電量，本文使用DS2438Z芯片，DS2438Z芯片是DALLAS 公司推出的新一代智能電池監(jiān)測(cè)芯片，具有功能強(qiáng)大、體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并且用1-Wire總線傳輸數(shù)據(jù)，硬件接線簡(jiǎn)單，可用來(lái)檢測(cè)電池溫度，電壓剩余電量等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池電量不足時(shí)，機(jī)器人本體會(huì)向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提示更換電池。

3.1.5控制系統(tǒng)的軟件

PC104控制系統(tǒng)的軟件用C語(yǔ)言編程，開(kāi)發(fā)周期短，效率高。程序需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、串行通訊、動(dòng)作輸出、故障處理、異常情況處理、電源監(jiān)測(cè)等功能，其程序流程圖如圖4所示。與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以采用查詢或中斷方式，查詢方式的優(yōu)點(diǎn)是編程容易，但會(huì)占用較多的系統(tǒng)資源，中斷方式則與之相反。機(jī)器人除了要進(jìn)行串口通訊還要完成電機(jī)控制、故障處理等功能，因此查詢方式不宜使用，本文使用中斷方式。初始化COM1和COM1中斷處理程序[5]如下：

void InitCOM() /* 初始化COM1串口，設(shè)置串口參數(shù)*/

{ outportb(0x3fb,0x80); /*將設(shè)置波特率*/

outportb(0x3f8,0x0c); /*波特率9600*/

outportb(0x3f9,0x00);

outportb(0x3fb,0x03); /*8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)*/

outportb(0x3fc,0x08|0x0b);/*設(shè)置MCR*/

outportb(0x3f9,0x01); /*開(kāi)中斷*/ }

void interrupt far asyncint()

{ char ch;

ch=inportb(0x3f8);/*ch 為接收到的字符數(shù)據(jù)*/

…… ……}

3.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)用Visual Basic 6.0軟件開(kāi)發(fā)，VB具有面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計(jì)工具、事件驅(qū)動(dòng)編程機(jī)制、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)操縱功能、Active技術(shù)以及應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的要求，采用模塊化思想開(kāi)發(fā)了較完善的監(jiān)控系統(tǒng)，其可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有電池電量監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、線纜故障數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、手動(dòng)自動(dòng)切換等功能。能將輸電線的故障信息保存在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)故障類型、時(shí)間進(jìn)行查詢。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種以PC104模塊為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)，解決了機(jī)器人的自主越障問(wèn)題，并能識(shí)別部分線纜附件，進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,檢查線纜狀況等,為高壓輸電線的自動(dòng)檢測(cè)提供了便利。

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