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基于嵌入式PC104工控機(jī)和C8051F047單片機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計

2020-6-30 來源：-- 作者：-

1.引言

高壓輸電線及桿塔附件長期暴露在野外，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線路設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷并加以評估，根據(jù)評估結(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，甚至一些巡檢項目靠常規(guī)方法都難以完成。因此，采用機(jī)器人自動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損探傷、懸垂絕緣子絕緣特性檢測、輸電線附件輸電性能測試、機(jī)械連接牢固性檢查、線纜異物清除等高空作業(yè)。國外在巡線機(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機(jī)器人，該機(jī)器人可以沿地線爬行，遇到障礙物時，可以通過弧形手臂輔助跨越。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，并可以用來線路巡檢平臺。國內(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個自由擺動的吊臂跨越線纜附件，當(dāng)遇到障礙物時擺動3個吊臂，使3個吊臂依次通過障礙物。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功能。機(jī)器人綜合性能指標(biāo)如下：1）本體外形：850×300×700mm；2）本體重量45Kg；3）纜徑適應(yīng)性Ф10～Ф25mm；4）移動速度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/自動。

基于嵌入式PC104工控機(jī)和C8051F047單片機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計

圖1 機(jī)器人本體示意圖

3.控制系統(tǒng)的設(shè)計

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)用來規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，控制機(jī)器人運(yùn)動構(gòu)件，確保機(jī)器人可靠快速的越過障礙物，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/自動控制，并監(jiān)控機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。為機(jī)器人設(shè)計自動和手動兩套控制系統(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)生故障時可啟動另一套控制系統(tǒng)，另外在某些特殊的場合可只用手動系統(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

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)計上，而且PC104 的開發(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。

3.1.1故障檢測

輸電線纜附件種類多，形狀復(fù)雜，對機(jī)器人判斷障礙物類型帶來了極大的困難。因此有必要攜帶多種傳感器，將多種線路故障檢測器集成到巡線機(jī)器人移動平臺上，運(yùn)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(zhǔn)確度。主要的傳感器有CCD視覺模塊、紅外溫度傳感器、超聲波傳感器等。

視覺檢測CCD模塊使用PC104上的COM2串口，用于識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，自動判斷輸電線路上的障礙物類型、距離，并向機(jī)器人運(yùn)動控制單元提供越障信息，形成下一步的越障策略。另外，視覺檢查一般能發(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)會產(chǎn)生異常溫升的特點(diǎn)，檢測線纜的異常溫升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳感器來檢測線纜的異常溫升，以達(dá)到檢測線纜故障的目的。

3.1.2運(yùn)動控制

由于機(jī)器人的動作較復(fù)雜，多數(shù)吊臂式巡線機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動方案，即用6個電機(jī)實(shí)現(xiàn)擺動吊臂與行走輪轉(zhuǎn)動。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個電機(jī)實(shí)現(xiàn)需要的動作，通過3個電磁離合器與圖2中的電機(jī)1配合控制三個吊臂的擺動，用電機(jī)2控制機(jī)器人行走。為了增加檢測的靈活性，在機(jī)器人上增加了兩個可升降的傳感器支架，分別用電機(jī)3和電機(jī)4帶動。驅(qū)動框圖如圖3所示，用Silicon Lab公司的高性能單片機(jī)C8051F047和H橋組件LMD18200T來驅(qū)動電機(jī)。LMD18200T是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出運(yùn)動控制專用H橋組件，內(nèi)部集成了CMOS控制電路和DMOS驅(qū)動電路，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，具有溫度報警和過熱與短路保護(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，由等間隔時間光電編碼器的數(shù)值與給定的速度值進(jìn)行比較，通過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）其中Kp為比例系數(shù)， Ki為積分系數(shù)， Kd為微分系數(shù)， T為采樣周期。電機(jī)3和電機(jī)4只用來控制支架升降，對速度無具體要求，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，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)計傳輸距離《2Km，本文使用一對無線數(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，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

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)測芯片，具有功能強(qiáng)大、體積小、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并且用1-Wire總線傳輸數(shù)據(jù)，硬件接線簡單，可用來檢測電池溫度，電壓剩余電量等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池電量不足時，機(jī)器人本體會向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警，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語言編程，開發(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、串行通訊、動作輸出、故障處理、異常情況處理、電源監(jiān)測等功能，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個數(shù)據(jù)位，1個停止位、無奇偶校驗＊/

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

outportb（0x3f9，0x01）; /＊開中斷＊/ ｝

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

監(jiān)控系統(tǒng)用Visual Basic 6.0軟件開發(fā)，VB具有面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計工具、事件驅(qū)動編程機(jī)制、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫操縱功能、Active技術(shù)以及應(yīng)用程序集成開發(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、運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測、線纜故障數(shù)據(jù)庫查詢、手動自動切換等功能。能將輸電線的故障信息保存在Access數(shù)據(jù)庫中，并對故障類型、時間進(jìn)行查詢。

4.結(jié)束語

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)器人的自主越障問題，并能識別部分線纜附件，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，檢查線纜狀況等，為高壓輸電線的自動檢測提供了便利。

（來源：電子發(fā)燒友）

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