基于PC104的巡線(xiàn)機器人控制系統設計

摘要：本文介紹了高壓輸電線(xiàn)巡線(xiàn)機器人控制系統，實(shí)現了高壓輸電線(xiàn)巡線(xiàn)機器人的越障、線(xiàn)路檢測、實(shí)時(shí)監控等功能。實(shí)驗結果表明該系統運行良好，具有良好的可靠性和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵字：PC104；檢測機器人；控制系統；高壓輸電線(xiàn)

1.引言

高壓輸電線(xiàn)及桿塔附件長(cháng)期暴露在野外，因受到持續的機械張力、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)修復更換，原本微小的破損和缺陷就可能擴大，最終導致嚴重事故。因此，電力公司需要定期對線(xiàn)路設備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現早期損傷和缺陷并加以評估，根據評估結果安排必要的維護和修復，從而確保供電的安全可靠性。傳統的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對于山區和大江大河等的輸電線(xiàn)路巡檢存在很大困難，甚至一些巡檢項目靠常規方法都難以完成。因此，采用機器人自動(dòng)巡線(xiàn)成為保障高壓輸電線(xiàn)安全運行的一種必要手段。

高壓輸電線(xiàn)路巡線(xiàn)機器人屬于特種機器人的研究范疇，主要完成高壓供電線(xiàn)纜的無(wú)損探傷、懸垂絕緣子絕緣特性檢測、輸電線(xiàn)附件輸電性能測試、機械連接牢固性檢查、線(xiàn)纜異物清除等高空作業(yè)。國外在巡線(xiàn)機器人領(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等人研制了光纖復合架空地線(xiàn)巡檢移動(dòng)機器人，該機器人可以沿地線(xiàn)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(xiàn)遙控機器人，該遙控機器人可以消除電力傳輸線(xiàn)上的積冰，并可以用來(lái)線(xiàn)路巡檢平臺。國內關(guān)于輸電線(xiàn)路巡線(xiàn)機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.機器人概述

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

3.控制系統的設計

機器人的控制系統分本體控制系統和地面監控系統兩部分，如圖2 所示。本體控制系統用來(lái)規劃機器人的運動(dòng)軌跡，控制機器人運動(dòng)構件，確保機器人可靠快速的越過(guò)障礙物，并實(shí)現與地面基站的命令、數據的遠距離傳輸；地面監控系統實(shí)現機器人的手動(dòng)/自動(dòng)控制，并監控機器人的穩定運行。為機器人設計自動(dòng)和手動(dòng)兩套控制系統的增加了機器人的靈活性與可靠性，當其中一套系統發(fā)生故障時(shí)可啟動(dòng)另一套控制系統，另外在某些特殊的場(chǎng)合可只用手動(dòng)系統，降低了機器人野外作業(yè)的難度，增加了機器人的應用性。

3.1機器人本體控制系統的設計

機器人本體的控制系統以嵌入式PC104工控機為核心,并配有輸入輸出擴展板HT-750和A/D采集擴展板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計上, 而且PC104 的開(kāi)發(fā)、維護和擴展都非常方便。PC104與通用PC和PC/AT標準(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,為嵌入式應用提供了標準的系統平臺^[1]。

3.1.1故障檢測

輸電線(xiàn)纜附件種類(lèi)多，形狀復雜，對機器人判斷障礙物類(lèi)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(xiàn)路故障檢測器集成到巡線(xiàn)機器人移動(dòng)平臺上，運用多傳感器信息融合技術(shù)，以便提高故障探測的效率、精度和準確度。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CCD模塊使用PC104上的COM2串口，用于識別高壓輸電線(xiàn)各類(lèi)附件，從原始圖像中找到目標（防振錘、絕緣子、連接金具、隔離棒等附件）所在區域，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(xiàn)路上的障礙物類(lèi)型、距離，并向機器人運動(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)現架空線(xiàn)表面故障現象，如輸電線(xiàn)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(xiàn)在故障點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生異常溫升的特點(diǎn)，檢測線(xiàn)纜的異常溫升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳感器來(lái)檢測線(xiàn)纜的異常溫升，以達到檢測線(xiàn)纜故障的目的。

3.1.2運動(dòng)控制

由于機器人的動(dòng)作較復雜，多數吊臂式巡線(xiàn)機器人采用多電機驅動(dòng)方案，即用6個(gè)電機實(shí)現擺動(dòng)吊臂與行走輪轉動(dòng)。這種方案機器人較為靈活，但多電機增加了機器人的重量，不利于機器人自身平衡。本文用2個(gè)電機實(shí)現需要的動(dòng)作，通過(guò)3個(gè)電磁離合器與圖2中的電機1配合控制三個(gè)吊臂的擺動(dòng)，用電機2控制機器人行走。為了增加檢測的靈活性，在機器人上增加了兩個(gè)可升降的傳感器支架，分別用電機3和電機4帶動(dòng)。驅動(dòng)框圖如圖3所示，用Silicon Lab公司的高性能單片機C8051F047和H橋組件LMD18200T來(lái)驅動(dòng)電機。LMD18200T是美國國家半導體公司（NS）推出運動(dòng)控制專(zhuān)用H橋組件,內部集成了CMOS控制電路和DMOS驅動(dòng)電路，峰值輸出電流高達6A,連續輸出電流3A，工作電壓高達55V，具有溫度報警和過(guò)熱與短路保護功能。本文所選電機的連續堵轉電流在3A左右，因此選用LMD18200T芯片可以滿(mǎn)足使用要求。

電機1與電機2使用數字PID算法調速。數字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)現電機的閉環(huán)控制，即：

（1）

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

3.1.3數據傳輸

機器人爬行時(shí)，要將自身狀態(tài)信息、采集到的數據、抓拍的圖片等信息發(fā)送給監控系統；而在特殊情況下，監控系統也要向機器人發(fā)送指令，這就需要在兩者之間傳輸數據。設計傳輸距離2Km,本文使用一對無(wú)線(xiàn)數傳模塊SRWF-108完成此功能。機器人本體的SRWF-108占用PC104上的COM1端口^[4]，波特率9600bps，8位數據位，共有狀態(tài)幀、指令幀和文件幀三種格式。

3.1.4 電源設計

巡線(xiàn)機器人在高空作業(yè)，只能使用自備電源。本文使用4節12V鉛酸蓄電池，由B1205S、B1212S、LM2678等電源轉換芯片得到系統需要的+12V, 5V等電平。為了保證機器人有充足的能源，有必要監控電池電量，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測芯片，具有功能強大、體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并且用1-Wire總線(xiàn)傳輸數據，硬件接線(xiàn)簡(jiǎn)單，可用來(lái)檢測電池溫度，電壓剩余電量等參數。當發(fā)現電池電量不足時(shí)，機器人本體會(huì )向監控系統發(fā)出報警，提示更換電池。

3.1.5控制系統的軟件

PC104控制系統的軟件用C語(yǔ)言編程，開(kāi)發(fā)周期短，效率高。程序需實(shí)現數據采集、系統狀態(tài)檢測、串行通訊、動(dòng)作輸出、故障處理、異常情況處理、電源監測等功能，其程序流程圖如圖4所示。與監控系統的數據傳輸可以采用查詢(xún)或中斷方式，查詢(xún)方式的優(yōu)點(diǎn)是編程容易，但會(huì )占用較多的系統資源，中斷方式則與之相反。機器人除了要進(jìn)行串口通訊還要完成電機控制、故障處理等功能，因此查詢(xún)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，設置串口參數*/

{ outportb(0x3fb,0x80); /*將設置波特率*/

outportb(0x3f8,0x0c); /*波特率9600*/

outportb(0x3f9,0x00);

outportb(0x3fb,0x03); /*8個(gè)數據位，1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗*/

outportb(0x3fc,0x08|0x0b);/*設置MCR*/

outportb(0x3f9,0x01); /*開(kāi)中斷*/ }

void interrupt far asyncint()

{ char ch;

ch=inportb(0x3f8);/*ch 為接收到的字符數據*/

…… ……}

3.2監控系統的設計

監控系統用Visual Basic 6.0軟件開(kāi)發(fā)，VB具有面向對象的可視化設計工具、事件驅動(dòng)編程機制、強大的數據庫操縱功能、Active技術(shù)以及應用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。根據機器人系統的要求，采用模塊化思想開(kāi)發(fā)了較完善的監控系統，其可擴展性較強，具有電池電量監測、運動(dòng)狀態(tài)監測、線(xiàn)纜故障數據庫查詢(xún)、手動(dòng)自動(dòng)切換等功能。能將輸電線(xiàn)的故障信息保存在A(yíng)ccess數據庫中，并對故障類(lèi)型、時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)。

4.結束語(yǔ)

本文提出了一種以PC104模塊為核心的機器人控制系統，解決了機器人的自主越障問(wèn)題，并能識別部分線(xiàn)纜附件，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸,檢查線(xiàn)纜狀況等,為高壓輸電線(xiàn)的自動(dòng)檢測提供了便利。

參考文獻

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[3] 張秀麗, 鄭浩峻, 趙里遙. 一種小型管道檢測機器人[J].機器人, 2001,7:626-629.
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