變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

朱興柯 葉 飛 李 斌 李雪松

(1.云南電網(wǎng)公司普洱供電局，云南 普洱 665000；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

朱興柯1葉 飛2李 斌1李雪松2

(1.云南電網(wǎng)公司普洱供電局，云南 普洱 665000；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

針對(duì)變電站特殊的應(yīng)用環(huán)境，為保證巡檢機(jī)器人的運(yùn)行可靠性和停車定位精度，研究設(shè)計(jì)了變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。重點(diǎn)論述其行走方式、引導(dǎo)與定位方式、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制算法等。通過磁軌跡引導(dǎo)與RFID定位，確定機(jī)器人本體姿態(tài)和位置，簡(jiǎn)單可靠，定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)。通過兩驅(qū)動(dòng)輪差速，兩萬向輪隨動(dòng)，跟蹤磁軌跡，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制指令，控制靈活，可靠性高。采用S曲線加減速、比例微分尋磁、分段補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)動(dòng)控制算法，運(yùn)動(dòng)沖擊小，控制誤差小。經(jīng)過工程驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠滿足變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用要求。

變電站；巡檢機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；算法

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求日益增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)自動(dòng)化要求日益提高。變電站人工巡檢方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、實(shí)時(shí)性差、管理難、數(shù)字化不便等缺陷，已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，也不符合技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。機(jī)器人巡檢逐步替代人工巡檢已經(jīng)成為電力系統(tǒng)自動(dòng)化的應(yīng)用重點(diǎn)[1-3]。

變電站智能巡檢機(jī)器人整合機(jī)器人技術(shù)、電力設(shè)備非接觸檢測(cè)技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)，采用自主或遙控方式對(duì)變電站室外一次設(shè)備進(jìn)行可見光、紅外、聲音等檢測(cè)，對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和趨勢(shì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的事故隱患和故障先兆，如異物、損傷、發(fā)熱、漏油等。能夠?qū)崿F(xiàn)變電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度及變電站運(yùn)維成本，提高正常巡檢作業(yè)和管理的自動(dòng)化和智能化水平，為智能變電站和無人值守變電站提供創(chuàng)新型的技術(shù)檢測(cè)手段和全方位的安全保障，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。變電站巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖1所示。

圖1 變電站巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)解決變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與追蹤的核心問題，其性能參數(shù)直接影響機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性和停車定位精度，進(jìn)而影響獲取電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最終影響檢測(cè)結(jié)果的可信度。目前已有的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要存在的問題在于可靠性較差、停車定位精度不高、不能完全滿足變電站設(shè)備巡檢的應(yīng)用要求。本文針對(duì)變電站特殊的應(yīng)用環(huán)境，研究設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。重點(diǎn)論述行走方式、引導(dǎo)與定位方式、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制算法等[4-5]。

1 行走方式

行走方式選擇關(guān)系到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略，是巡檢機(jī)器人在變電站路況環(huán)境下高速高精度穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。巡檢機(jī)器人的行走方式主要有輪式和履帶式。

1.1 輪式

輪式機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的行走方式之一。輪式機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)靈活、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械效率高、運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)。在相對(duì)平坦的地面上，輪式機(jī)構(gòu)具有突出優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行速度較高。但是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)越過壕溝、臺(tái)階的能力較低。由于與地面接觸面積小，其在比較柔軟、光滑的路面易發(fā)生沉陷或打滑現(xiàn)象。

1.2 履帶式

履帶式移動(dòng)機(jī)器人支撐面積大，接地比壓小，在松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，通過性能好。主要應(yīng)用于負(fù)載較重、地面崎嶇、需要越溝坎、爬樓梯的場(chǎng)合。履帶式移動(dòng)機(jī)器人的缺點(diǎn)主要有運(yùn)行速度相對(duì)較低、轉(zhuǎn)向不靈活、減振性能差、運(yùn)動(dòng)噪聲較大、功耗大，而且對(duì)地面有較大的剪切破壞作用，當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境惡劣時(shí)，履帶可能磨損甚至磨斷。履帶機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體重量大，行走功耗也相對(duì)較大。

通過對(duì)巡檢機(jī)器人行走方式的長(zhǎng)期跟蹤研究，從地形適應(yīng)能力、運(yùn)行速度、控制精度、功耗、技術(shù)成熟度和可靠性、生產(chǎn)加工便利性、設(shè)計(jì)難易程度等角度綜合分析，在變電站地面相對(duì)平坦的情況下，巡檢機(jī)器人行走系統(tǒng)適宜采用輪式結(jié)構(gòu)。本文采用兩輪差速驅(qū)動(dòng)，兩輪萬向隨動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、運(yùn)行速度較高等突出優(yōu)勢(shì)[6]。

2 引導(dǎo)與定位方式

在變電站巡檢任務(wù)中，機(jī)器人按照規(guī)劃路徑行駛，在指定位置?？?，進(jìn)行設(shè)備檢查。整個(gè)運(yùn)行過程完全自動(dòng)化，無需人工干預(yù)。運(yùn)行控制系統(tǒng)要保證機(jī)器人不偏離軌道，準(zhǔn)確?？浚仨氁揽枯o助裝置提供地理信息。本文中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過磁軌跡引導(dǎo)與RFID定位，獲取機(jī)器人的位置和姿態(tài)信息，原理示意圖如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人引導(dǎo)與定位方式原理示意圖

在規(guī)劃的機(jī)器人巡檢路線下鋪設(shè)磁條，由機(jī)器人前部的磁傳感器陣列檢測(cè)機(jī)器人相對(duì)于磁軌跡的偏移。根據(jù)偏移信息，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊控制驅(qū)動(dòng)輪差速，萬向輪隨動(dòng)，調(diào)整機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)，跟蹤磁軌跡。在巡檢路線的相應(yīng)位置預(yù)埋RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽的串號(hào)與地理位置一一對(duì)應(yīng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，RFID讀卡器讀取標(biāo)簽串號(hào)并上傳給工控機(jī)。工控機(jī)根據(jù)標(biāo)簽串號(hào)判斷機(jī)器人所處位置，下發(fā)停車、轉(zhuǎn)彎、調(diào)速等相應(yīng)控制指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)整。磁軌跡引導(dǎo)與RFID定位簡(jiǎn)單可靠，精度較高，對(duì)傳感器要求低，抗干擾能力強(qiáng)[7]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示，主要包括CPU控制器、PWM信號(hào)輸出、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器采集模塊、外部存儲(chǔ)、串口通信、磁傳感器與接口轉(zhuǎn)換模塊等[8]。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖

主要組成部分功能如下：(1) CPU控制器：采用高性能、低功耗、寬電壓的8位微處理器ATmega128L，工作于16 MHz時(shí)性能可達(dá)16 MIPS。外設(shè)豐富，完全滿足系統(tǒng)功能要求。(2) 串口通信：通過串口與上位工控機(jī)進(jìn)行信息交互。(3) PWM輸出和編碼器采集：PWM信號(hào)經(jīng)過施密特觸發(fā)器后接入驅(qū)動(dòng)器，控制永磁無刷直流電機(jī)。電機(jī)編碼器Z相信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器接入CPU中斷源，計(jì)算一般行駛距離。B相脈沖經(jīng)施密特觸發(fā)器接入CPU中斷源，計(jì)算停車定位距離。A/B相信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器接入CPU普通I/O引腳，判斷運(yùn)動(dòng)方向。(4) 磁傳感器和超聲傳感器：經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換，磁傳感器信號(hào)和超聲傳感器信號(hào)接入CPU，判斷機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)和障礙物情況。(5) 外部存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)配置信息和故障記錄等。采用256 kB非易失性存儲(chǔ)器，內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗、電壓監(jiān)測(cè)等功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接收上位機(jī)控制命令后，進(jìn)行解析，執(zhí)行命令并反饋狀態(tài)。執(zhí)行完成后，繼續(xù)等待新命令到來。根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能要求，對(duì)軟件進(jìn)行模塊劃分，如圖4所示。主要包括速度計(jì)算模塊、距離計(jì)算模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、尋磁算法模塊、停障算法模塊、串口通信模塊、事項(xiàng)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊等[8]。

圖4 軟件功能模塊劃分

各模塊主要功能如下：(1) 速度計(jì)算模塊：根據(jù)編碼器信號(hào)，判斷電機(jī)方向和速度。(2) 距離計(jì)算模塊：根據(jù)編碼器信號(hào)，判斷從指定時(shí)刻或位置開始的電機(jī)行駛距離。(3) 運(yùn)動(dòng)控制模塊：控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如直行、轉(zhuǎn)彎、停止、調(diào)速等。(4) 尋磁算法模塊：根據(jù)磁傳感器信號(hào)，計(jì)算機(jī)器人相對(duì)磁軌跡的偏離程度。(5) 停障算法模塊：根據(jù)超聲信號(hào)，判斷有無障礙，避免發(fā)生碰撞事故。(6) 串口通信模塊：按照一定的通信協(xié)議，與工控機(jī)進(jìn)行信息交互。(7) 事項(xiàng)存儲(chǔ)模塊：以事項(xiàng)形式非易失性存儲(chǔ)命令執(zhí)行和異常發(fā)生時(shí)的狀態(tài)。(8) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：提供日期和時(shí)間信息，可軟件校時(shí)，防掉電丟失。各功能模塊共同構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件，完成命令處理、信息反饋、運(yùn)動(dòng)控制等任務(wù)。各模塊不是孤立存在的，而是緊密聯(lián)系、相互協(xié)作的，如運(yùn)動(dòng)控制模塊中就必須調(diào)用尋磁算法模塊。

5 運(yùn)動(dòng)控制算法分析

5.1 S曲線加減速算法

巡檢任務(wù)中，機(jī)器人在檢測(cè)點(diǎn)位置頻繁啟停，如果沒有合適的加減速算法，很容易產(chǎn)生抖動(dòng)，影響電機(jī)壽命，定位精度也難以保證。本文選擇S曲線加減速算法控制啟停，保證機(jī)器人平滑穩(wěn)定運(yùn)行，降低機(jī)械零件的磨損，提高可靠性。因?yàn)橄到y(tǒng)速度變化曲線呈S形，所以稱為S曲線控制算法，這是一種速度和加速度變化都非常平滑的加減速運(yùn)動(dòng)控制算法。一個(gè)完整的S曲線應(yīng)包括加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速和減減速7個(gè)階段。

5.2 比例微分尋磁算法

機(jī)器人底盤前方固定有8個(gè)磁傳感器，組成磁傳感器陣列。磁傳感器檢測(cè)到磁信號(hào)后，輸出高電平。通過對(duì)磁傳感器進(jìn)行位置編碼，為尋磁算法比例調(diào)速環(huán)節(jié)提供支持。將單個(gè)磁傳感器位置從左至右進(jìn)行權(quán)值編碼。當(dāng)相鄰磁傳感器同時(shí)亮起時(shí)，位置編碼進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。為保證機(jī)器人跟蹤磁軌跡快速平穩(wěn)，尋磁算法還引入微分調(diào)速環(huán)節(jié)。根據(jù)機(jī)器人相對(duì)磁軌跡的偏離趨勢(shì)提前反應(yīng)，及時(shí)調(diào)整左右輪速度，每5 ms存儲(chǔ)一組磁傳感器偏離數(shù)據(jù)，共存儲(chǔ)100組，并通過平滑濾波去除干擾。

5.3 分段補(bǔ)償誤差算法

機(jī)器人的定位精度受諸多因素影響，比如讀卡器讀取RFID標(biāo)簽的位置和速度、控制算法的誤差等。經(jīng)測(cè)試，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)誤差隨速度增加會(huì)放大。通過進(jìn)一步采用分段補(bǔ)償誤差措施，提高不同速度情況的定位精度。使機(jī)器人在1.2 m/s速度下定位誤差小于2 cm，工程應(yīng)用效果良好。

5.4 脈沖計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換算法

機(jī)器人直行指定距離和以1/2驅(qū)動(dòng)輪輪距為回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)過指定角度，都是通過計(jì)算轉(zhuǎn)換編碼器脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈編碼器輸出500個(gè)B相脈沖。驅(qū)動(dòng)輪周長(zhǎng)為88 cm，齒輪減速比為43。即機(jī)器人直行1 cm距離對(duì)應(yīng)43×500÷88=244個(gè)編碼器B相脈沖。當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度大小相等、方向相反時(shí)，機(jī)器人以驅(qū)動(dòng)輪輪距中心為圓心原地轉(zhuǎn)彎。驅(qū)動(dòng)輪輪距為49.2 cm，當(dāng)原地回轉(zhuǎn)360°時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪走過的距離為π×49.2=154.5 cm，即每轉(zhuǎn)過1°對(duì)應(yīng)的B相脈沖數(shù)為(154.5÷360)×244=105個(gè)。

6 結(jié)語

巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了變電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監(jiān)控，為智能變電站和無人值守變電站提供了創(chuàng)新型的技術(shù)檢測(cè)手段和全方位的安全保障，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

本文介紹的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用磁軌跡引導(dǎo)與RFID定位，兩輪驅(qū)動(dòng)差速，兩輪萬向隨動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，控制靈活，抗干擾能力強(qiáng)。采用S曲線加減速、比例微分尋磁、分段補(bǔ)償誤差等運(yùn)動(dòng)控制算法，運(yùn)動(dòng)沖擊小，停車定位精度高。經(jīng)工程驗(yàn)證，能夠滿足變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用要求。

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2014-09-04

朱興柯(1976—)，男，云南會(huì)澤人，高級(jí)工程師，研究方向：變電運(yùn)行管理和基于智能機(jī)器人的設(shè)備巡視。