基于狀態(tài)機的巡線(xiàn)機器人控制系統設計

1． 引言[1]

1．1 巡線(xiàn)機器人

高壓輸電線(xiàn)路作為電力輸送的主要方式，是國民經(jīng)濟的大動(dòng)脈，其安全可靠的運行是社會(huì )生產(chǎn)和人民生活的重要保障。由于高壓輸電線(xiàn)路特殊的工作環(huán)境，輸電線(xiàn)路上的各種設施容易損壞，因而定期進(jìn)行高壓輸電線(xiàn)路的巡檢是保證可靠的電力輸送的重要基礎。當前，輸電線(xiàn)路的巡檢方式以人工為主。但是由于輸電線(xiàn)路多架設在崇山峻嶺之間，加之野外環(huán)境比較惡劣，采用人工巡檢的方式受到諸多的限制，這在很大程度上影響了對輸電線(xiàn)路的及時(shí)維護，給電能的可靠輸送埋下了安全隱患。機器人技術(shù)的發(fā)展為輸電線(xiàn)路的自動(dòng)巡檢帶來(lái)了可能。巡線(xiàn)機器人就是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)應用于輸電線(xiàn)路巡檢的機器人。輸電線(xiàn)路巡檢的主要任務(wù)是檢查桿塔、導線(xiàn)、避雷線(xiàn)、絕緣子和金具的狀態(tài)。這要求機器人能夠在輸電線(xiàn)路上自主的運行，能夠自主的識別并跨越障礙物。為了滿(mǎn)足越障行為對機器人機械結構的要求，同時(shí)為了最大程度上適應輸電線(xiàn)路這種柔性的環(huán)境，巡線(xiàn)機器人被設計成兩臂懸掛式機器人采用兩個(gè)具有夾持功能的機械手臂作為行走機構。正常巡檢時(shí)，依靠安裝在兩個(gè)手臂上的行走電機驅動(dòng)機器人，當需要越障時(shí)，其中一只手臂上的卡爪夾住輸電線(xiàn)路，由機械臂的回轉機構驅動(dòng)機器人轉身繞過(guò)障礙物。當一臂繞過(guò)障礙物后，根據視覺(jué)傳感器提供的機械手和輸電線(xiàn)的相對位置，通過(guò)安裝在手臂上的擺臂機構實(shí)現夾手和輸電線(xiàn)路的精確對準。不難發(fā)現，兩臂懸掛式機器人在越障過(guò)程中主要需要解決的問(wèn)題是穩定性和抓線(xiàn)的定位問(wèn)題。為了實(shí)現可靠的越障，巡線(xiàn)機器人機械手臂被設計成雙關(guān)節形式：機械臂底部有一個(gè)旋轉關(guān)節，可帶動(dòng)機器人做180度旋轉，機械手中間位置有一個(gè)擺動(dòng)關(guān)節，可帶動(dòng)機械手做向左向右的擺動(dòng)。之所以設計成上述結構，主要是方便機械手脫線(xiàn)和抓線(xiàn)時(shí)的姿態(tài)調整。

1．2 巡線(xiàn)機器人運動(dòng)控制系統

從上面的敘述可以看出，兩臂懸掛式巡線(xiàn)機器人越障行為過(guò)程比較復雜，這給運動(dòng)控制系統的設計帶來(lái)了極大的困難。巡線(xiàn)機器人的運動(dòng)控制系統主要完成兩大任務(wù)：第一，控制電機完成相應的運動(dòng)過(guò)程，達到需要的動(dòng)態(tài)特性和穩定性要求。第二，運動(dòng)過(guò)程中的保護及定位。本文主要討論運動(dòng)控制系統的保護及定位功能的設計與實(shí)現。通常而言，運動(dòng)控制系統的上面兩個(gè)功能主要有兩種實(shí)現方法：基于軟件的實(shí)現和基于硬件的實(shí)現?；谲浖膶?shí)現方法靈活性高，可以實(shí)現較為復雜的算法，因而，運動(dòng)控制系統的第一個(gè)功能一般由軟件實(shí)現。但是基于軟件的實(shí)現方法存在最大的缺點(diǎn)是可靠性不夠高，響應速度較慢。而巡線(xiàn)機器人運動(dòng)控制系統的第二個(gè)功能即各種限位保護，意外處理，過(guò)流過(guò)載保護，零位調整等都需要較高的可靠性，用軟件實(shí)現上述功能時(shí)，一旦軟件出現諸如程序跑飛，死機等故障時(shí)，必然會(huì )對驅動(dòng)電機和機器人機構造成很大的損壞。另一方面，機器人機構對運動(dòng)控制系統的響應速度有較高的要求，當出現意外情況時(shí)，控制系統必須以最短的延時(shí)給出驅動(dòng)電機相應的控制信號，以保護電機和機構。雖然基于實(shí)時(shí)操作系統的軟件在實(shí)時(shí)性上有較大的提高，但是這在很大程度上取決于系統運行的任務(wù)數量，當任務(wù)數量較多時(shí)也存在響應速度慢的問(wèn)題。與基于軟件的實(shí)現方法相比較，基于硬件的實(shí)現方法可靠性高，響應速度快，但最大的缺點(diǎn)是靈活性不高，實(shí)現過(guò)程較為復雜。故不宜采用硬件去實(shí)現較為復雜的控制算法。

對運動(dòng)控制系統中的第二個(gè)主要任務(wù)，比較適合采用硬件的方法實(shí)現。這主要是考慮到第二個(gè)功能要求較高的可靠性和響應速度，同時(shí)不需要復雜的運算，屬于邏輯控制功能，比較適宜于采用硬件實(shí)現。

1．3 運動(dòng)控制問(wèn)題描述

就巡線(xiàn)機器人的運動(dòng)控制系統中的保護及定位系統而言，其本質(zhì)是根據傳感器信號給出相應的電機控制信號。也就是說(shuō)，電機保護及定位系統完成控制輸入（傳感器信號）到控制輸出（電機控制信號）間的映射。電機保護及定位系統的特點(diǎn)決定了其非常適合于采用有限狀態(tài)機進(jìn)行設計。

前面的敘述已經(jīng)大致描述了運動(dòng)保護及定位系統需要完成的功能。具體的說(shuō)就是，當運動(dòng)機構運動(dòng)至左側和右側限位位置時(shí)，傳感器均給出相應的限位信號，運動(dòng)控制系統據此停止電機，且限制機構在這兩個(gè)位置的運動(dòng)。即：若機構順時(shí)針擺動(dòng)至限位點(diǎn)，則限位后機構只可逆時(shí)針運動(dòng)，順時(shí)針?lè )较虻倪\動(dòng)被限制，反之亦然。巡線(xiàn)機器人運動(dòng)控制系統中的一個(gè)較為復雜的功能是對兩個(gè)機械臂的定位，機械臂定位要求是，無(wú)論機械手從何方靠近中間的零位位置，總需要機械手自動(dòng)停止在一個(gè)位置－此位置為機械手與機體垂直的位置。由于我們采用的位置傳感器是霍爾效應傳感器，傳感器探頭與磁鋼的距離小于某一閾值時(shí)傳感器便給出有效信號。因此，當磁鋼從不同方向接近傳感器探頭時(shí)，傳感器給出限位信號的位置不同。經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，當磁鋼進(jìn)入某一個(gè)區域時(shí)，傳感器即刻給出有效的信號，此區域寬度大約為1厘米。因此，倘若均以進(jìn)入該區域即認為機械手歸零到位，顯然，當機械手從不同方向歸零時(shí)并不能保證機械手都垂直于機體。事實(shí)上，由于傳感器安裝的位置的影響，加之整個(gè)機械手較長(cháng)，當從不同方向歸零時(shí)，機械手姿態(tài)差別很大。為了保證無(wú)論從何方歸零，機械手總能停止在同一位置，要求控制器只能采用傳感器的同一邊沿信號作為歸零到位信號。比如：當機械手順時(shí)針歸零時(shí)，若檢測到傳感器信號的下降沿即停止電機，認為歸零到位；當機械手逆時(shí)針歸零時(shí)，需檢測到傳感器信號的上升沿（也就是順時(shí)針時(shí)的下降沿，即同一邊沿信號）時(shí)，方可認為歸零到位。

在我們設計的運動(dòng)控制系統中，對任一電機，控制系統僅給出三個(gè)控制信號：兩個(gè)方向信號和速度信號（dira,dirb和pwm），其中的兩個(gè)方向信號控制電機的轉向和開(kāi)停，dira和dirb不同時(shí)，電機方可運動(dòng)，相同時(shí)電機停止。pwm信號也可控制電機的運行，pwm為高電機可運行，反之停止。機械手的定位調整系統需要設置三個(gè)傳感器：左限位傳感器（sensor_l），中間零位傳感器（sensor_m），右限位傳感器（sensor_r）。對不需要歸零的運動(dòng)機構則不設置中間零位傳感器。

2．有限狀態(tài)機設計

2.1 運動(dòng)控制系統的有限狀態(tài)機設計

運動(dòng)控制系統中的運動(dòng)保護及定位系統的典型時(shí)序如下圖示：

圖1 運動(dòng)保護及定位系統時(shí)序與框圖

從上面的是時(shí)序圖可以看出，運動(dòng)控制系統的時(shí)序顯著(zhù)的分為四段：第一段L1：為運動(dòng)機構的左限位階段。即當運動(dòng)至左限位點(diǎn)時(shí)，控制系統應該停止電機并限制此方向運動(dòng)。第二段L2：僅有機械手臂具有此段時(shí)序特征。當機械手以順時(shí)針?lè )较驍[向垂直位置時(shí)，若到達垂直位置（sensor_m由高變低）則控制系統停止電機。但與限位不同，此時(shí)控制系統不可限制機構任意方向的運動(dòng)。為了使得機械手到達垂直位置后仍可向左或向右運動(dòng)，在我們的設計中引入另一控制量：電機的速度信號pwm。第三段L3：與第二段相同，也為機械手特有。當機械手以逆時(shí)針向垂直位置運動(dòng)時(shí)，與順時(shí)針時(shí)不同，它需要在傳感器信號由低變高時(shí)方可停止電機，當然也不能限制機構任意方向的運動(dòng)。第四段L4：為運動(dòng)機構的右限位階段，與第一段相似，當機構運動(dòng)至右限位點(diǎn)時(shí)，控制系統需要自動(dòng)停止電機并限制此方向的運動(dòng)。

根據運動(dòng)控制系統的典型時(shí)序特征，可以制定出相應的狀態(tài)和狀態(tài)轉換條件：首先，設置初始化狀態(tài)s0，系統上電或者復位后都自動(dòng)進(jìn)入該狀態(tài)。上電時(shí)，在此狀態(tài)對內部信號和輸出進(jìn)初始化。此狀態(tài)也是系統默認的電機停止狀態(tài)。正常運動(dòng)的情況下，機構順時(shí)針和逆時(shí)針?lè )謩e對應兩個(gè)狀態(tài)s1和s2。當機構順時(shí)針歸零后，與限位不同，由于此時(shí)不可限制機構任意方向的運動(dòng)，因而當pwm信號拉低后狀態(tài)機需要進(jìn)入狀態(tài)s3,s3其實(shí)為一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)，通過(guò)s3,狀態(tài)機可根據此時(shí)微處理器給出的控制信號進(jìn)入s1和s2運行。同樣，當機構逆時(shí)針歸零時(shí)，與順時(shí)針歸零不同，它需要檢測到中間位置傳感器拉高后才能停止電機。所以當逆時(shí)針運動(dòng)時(shí)，一旦檢測到sensor_m變低，狀態(tài)機即進(jìn)入過(guò)渡狀態(tài)s5,在此狀態(tài)，若sensor_m變高，即意味著(zhù)機構已經(jīng)離開(kāi)傳感器區域，到達垂直位置，此時(shí)狀態(tài)機進(jìn)入狀態(tài)s6。從上面的分析可以看出：對于順時(shí)針和逆時(shí)針兩種不同的狀態(tài)下機構歸零，我們分別設置了兩個(gè)特殊的過(guò)渡狀態(tài)集{s3,s4}和{s5,s6}。這主要是由于歸零操作不同于限位。歸零后，控制系統不能限制機構任何方向的運動(dòng)，因而需要一個(gè)額外的控制輸入作為歸零后狀態(tài)機狀態(tài)轉換的觸發(fā)信號。根據上面的分析，可以得到狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖如下：

圖2有限狀態(tài)機狀態(tài)轉換圖

2.2設計仿真與實(shí)現

2.2.1設計仿真

本設計在ISE8.2i+Modelsim XE III 6.0d平臺上綜合，布局布線(xiàn)和仿真。其布局布線(xiàn)后仿真的時(shí)序圖如下：

圖3 時(shí)序仿真圖

從上面的后仿真時(shí)序可以看出，當sensor_l變低時(shí)，dira和dirb同時(shí)變低，只有當方向信號dir改變時(shí)，dira和dirb才隨之改變。sensor_r的變化同sensor_l相似。仿真時(shí)序中比較關(guān)鍵的一段是sensor_m兩次變低的情況，分別代表順時(shí)針和逆時(shí)針歸零的兩種情況。從上圖可以看出，所設計的狀態(tài)機很好的實(shí)現了對傳感器同一邊沿信號的識別，同時(shí)在加入了控制信號pwm后，使得機構歸零后還可以進(jìn)行任意方向的運動(dòng)，滿(mǎn)足了設計要求。

2.2.2設計實(shí)現

將設計的狀態(tài)機采用VHDL語(yǔ)言編碼并在xilinx公司的CPLD器件XC9572上實(shí)現，經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，所設計的狀態(tài)機是安全可靠的。

3．結論

機器人控制系統的實(shí)現主要有兩種方法?；谲浖膶?shí)現方法在各種苛刻的實(shí)際應用中顯示出了種種不足?？删幊唐骷陌l(fā)展為控制系統的實(shí)現提供了一種全新的模式?；诳删幊唐骷目刂葡到y實(shí)現，可靠性好，實(shí)現簡(jiǎn)單，靈活性好，相對于傳統的軟件實(shí)現和由分離元件實(shí)現的控制系統，基于可編程器件的控制系統有著(zhù)諸多無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)。本文根據控制對象對控制器時(shí)序要求，抽象出控制系統的行為級描述，并據此設計了有限狀態(tài)機的狀態(tài)。并采用EDA軟件進(jìn)行了綜合，布局布線(xiàn)和仿真，最終在CPLD上實(shí)現了所設計的運動(dòng)控制系統，為控制系統的數字化設計提供了一種行之有效的方法。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是將有限狀態(tài)機應用于機器人控制系統的硬件設計，并在可編程器件上實(shí)現了所做設計。這是對常見(jiàn)的基于軟件的控制系統實(shí)現方法和由分離元件構造的基于硬件的控制系統實(shí)現方法的極大改善，大大提高了控制系統的可靠性，抗干擾性和實(shí)時(shí)性。

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