磁導(dǎo)航巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聶鴻宇，劉 睿，薛志航

（1.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610052；2.國網(wǎng)四川省電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

當(dāng)前變電站巡檢主要為人工巡檢，該方法效率低、實(shí)時性差，并且在惡劣天氣下巡檢時，巡檢工人面臨人身危險。隨著移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，科研人員開始研制能攜帶檢測設(shè)備的機(jī)器人[1-3]代替人工進(jìn)行巡檢。Sert B等[4]設(shè)計(jì)了基于激光導(dǎo)航的自動導(dǎo)引小車，濟(jì)南大學(xué)的楊森等[5]設(shè)計(jì)了一種基于軌線引導(dǎo)的巡檢機(jī)器人單目視覺導(dǎo)航控制方法，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制一臺軌道式巡檢機(jī)器人[6]。

變電站處于室外，有高電壓和強(qiáng)電磁干擾，為確保巡檢機(jī)器人工作穩(wěn)定可靠，穩(wěn)定精確的運(yùn)動控制和導(dǎo)航顯得尤為關(guān)鍵。針對四川省某變電站的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一臺基于雙磁傳感器導(dǎo)航、差速驅(qū)動轉(zhuǎn)向的巡檢機(jī)器人，推導(dǎo)了其巡線控制算法并研制了樣機(jī)。

1 變電站巡檢機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)變電站巡檢環(huán)境與巡檢任務(wù)要求，變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由底盤驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)器人巡航定位模塊、自動充電模塊、嵌入式主控及擴(kuò)展模塊、無線通信模塊、鋰電池及能源管理模塊、雙視系統(tǒng)云臺和機(jī)器人安全保障系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人功能模塊

圖2 巡檢機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)

變電站內(nèi)路面為水泥地，機(jī)器人行進(jìn)的速度為0.4～1m/s。根據(jù)巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境及機(jī)動性需求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的底盤。該底盤采用四輪支撐、兩輪差速驅(qū)動：在底盤的前部安裝了兩個萬向輪5，在底盤的后部安裝了兩個驅(qū)動輪1，通過兩驅(qū)動輪的輪差速可實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)彎。為了降低機(jī)器人上坡和下坡時傾覆的風(fēng)險，把比較重的部件如蓄電池組4放置在底盤的正中間。底盤的最前端安裝有激光雷達(dá)8，用來探測機(jī)器人前進(jìn)方向上是否有行人、電線桿等障礙，防止出現(xiàn)碰撞事故。

兩驅(qū)動輪采用空心可充氣膠胎，減輕了車體的重量，加強(qiáng)了減震效果。底盤具有轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

在底盤的前端和后端安裝有兩個磁傳感器7，機(jī)器人運(yùn)行時，磁傳感器不斷感應(yīng)鋪設(shè)在巡檢路徑上的磁條信息。位于磁條垂直上方的采樣點(diǎn)感應(yīng)到磁條信號并輸出相應(yīng)狀態(tài)，機(jī)器人控制系統(tǒng)借此可得到車體軸線與既定巡檢路徑的偏差，并對驅(qū)動輪4的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證機(jī)器人始終行駛在既定的巡檢路徑上。磁條是永磁鐵，不受環(huán)境光線、溫度、濕度、天氣條件、場地路面的影響；另外，磁導(dǎo)航信號容易收集，故采用此控制方法比較簡單。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為雙磁傳感器導(dǎo)航，在機(jī)器人車體前方和后方的底部各安裝一個磁傳感器。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的核心。在研發(fā)和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時，重點(diǎn)考慮外設(shè)的接口能力、體積、功耗和可靠性。

本機(jī)器人采用工業(yè)級嵌入式控制器XPAC8734，為接收外部傳感器和控制外部設(shè)備，還配置32路隔離數(shù)字量I/O模塊、16路繼電器輸出模塊和CANOpen通信模塊。該控制器采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，裝載嵌入式操作系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠。

直流電機(jī)伺服驅(qū)動控制器和直流電動機(jī)是機(jī)器人運(yùn)動控制的核心部件，事關(guān)整機(jī)系統(tǒng)的可靠性，本項(xiàng)目選用以色列ELMO公司生產(chǎn)的軍工級直流電機(jī)伺服驅(qū)動控制器和瑞士MAXON公司生產(chǎn)的直流伺服電機(jī)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 巡線算法

巡檢機(jī)器人會因?yàn)檐囕喆蚧纫蛩卦斐膳c預(yù)定的導(dǎo)航路徑發(fā)生偏差。為避免這種現(xiàn)象，可以在發(fā)生運(yùn)動軌跡偏離時，通過實(shí)時調(diào)整驅(qū)動輪的速度，促使兩個驅(qū)動輪產(chǎn)生速度差，以此保證巡檢機(jī)器人的正常狀態(tài)，使小車可按原定軌跡行走。等到傳感器發(fā)出小車已經(jīng)恢復(fù)到規(guī)定路線信號時，就可以繼續(xù)由控制器來操控車輪的運(yùn)動速度。

基于上述原理，建立如圖4所示的運(yùn)動模型。圖中P點(diǎn)為巡線機(jī)器人上的參考點(diǎn)，θ代表機(jī)器人的航向角。下面對此巡線機(jī)器人做出4點(diǎn)假設(shè)：

1）輪胎為剛性，不會產(chǎn)生變形。

2）輪與地面垂直接觸，忽略輪寬的影響。

3）運(yùn)動過程中車輪只作滾動，無滑動現(xiàn)象。

圖4 差速轉(zhuǎn)向模型圖

圖5 小車運(yùn)動軌跡模型

4）兩個車輪尺寸相同，車軸中心線與車運(yùn)動方向垂直。

根據(jù)上面的假定，小車的位置和狀態(tài)用向量q=（xp，yp，θ）T表示，小車上的參考點(diǎn) P 在二維平面上的投影坐標(biāo)是（xp，yp）。進(jìn)一步假設(shè)：d為兩驅(qū)動輪之間的軸間距，r為驅(qū)動輪半徑，M為軸間連線的中心點(diǎn)，它的坐標(biāo)為（xM，yM）；L為參考點(diǎn)P與 M之間的距離，β為直線|PM|與平臺中軸線之間的夾角。由圖4可得：

在上述假設(shè)前提下，圖4所示驅(qū)動模型可以簡化為居于軸連線中點(diǎn)M處的單輪滾動，則單輪所受的非完整約束為：

由式（2）和式（3）可得：

小車在運(yùn)行中從頭至尾按照約束式（3）或式（4）的條件運(yùn)動，因此保證了小車的瞬時速度方向和平臺朝向始終保持一致。只有控制兩個輪子之間的速度差來實(shí)現(xiàn)小車方向的改變。

在兩輪差速驅(qū)動的運(yùn)動中，當(dāng)它的瞬時速度方向與小車的前進(jìn)方向一致時，小車可以僅通過改變兩輪的速度差來控制小車運(yùn)動的方向和大小。由此得出，可以把圖4中的巡線機(jī)器人相對路徑的運(yùn)動模型簡化，如圖5所示。

可以發(fā)現(xiàn)，巡線機(jī)器人上的參考點(diǎn)M與路徑軸線N之間的偏距和偏角分別為E和θ。巡線機(jī)器人如果想要回到它的理想軌跡，在后面的運(yùn)動中就必須要避免出現(xiàn)這樣的偏差，在眾多的路徑中，只有沿軌跡1行走才是比較平滑穩(wěn)定的方式，軌跡1是點(diǎn)M和點(diǎn)N之間的圓弧，點(diǎn)M和點(diǎn)N為切點(diǎn)，R為半徑，O為圓心，根據(jù)的幾何關(guān)系可得：

結(jié)合式（4）、式（5）可得：

在設(shè)定并保持小車速度ν不變的情況下，即ν=（ωRr+ωLr）/2為定值的基礎(chǔ)上，按照小車當(dāng)前狀態(tài)，將兩輪轉(zhuǎn)速差設(shè)定為Δω時，小車將沿軌跡1平滑地回到其理想軌跡，所需的時間計(jì)算如下：

綜上所述，在巡線機(jī)器人保持一種固定線速不變的情況下，可以依據(jù)小車所產(chǎn)生的偏距E和偏角θ得出左右兩輪之間的旋轉(zhuǎn)角速度差值Δω與運(yùn)動時間t，由此可以實(shí)現(xiàn)巡線機(jī)器人重返正確的運(yùn)行軌道。

4 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本巡檢機(jī)器人巡線算法的有效性，開展巡線試驗(yàn)。

機(jī)器人以不同速度巡線時誤差如表1所示，表中E代表誤差的平均值?？梢钥闯觯S著機(jī)器人速度的增大，偏距E的均值在變大，這是因?yàn)樾≤噷ψ陨頎顟B(tài)的判斷需要時間，指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)也需要反應(yīng)時間，而速度越大，機(jī)器人在這段時間內(nèi)運(yùn)動的距離越遠(yuǎn)，則可能導(dǎo)致的偏距E變大，運(yùn)動不穩(wěn)定性增強(qiáng)，甚至偏出路徑。本文小車的偏距E整體誤差較小，運(yùn)動可靠。

表1 巡線機(jī)器人循線誤差（偏距E）

5 結(jié)束語

研制了一款基于嵌入式車載工控機(jī)、雙磁導(dǎo)航傳感器反饋巡線偏差及雙電機(jī)差速驅(qū)動糾偏的變電站巡檢機(jī)器人，具有巡線精度高、可靠性好的特點(diǎn)，成功應(yīng)用于變電站設(shè)備巡檢。

[1] 史晨紅，左敦穩(wěn)，張國家.基于軌跡控制的AGV運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014（2）：7-12.

[2] 武星，樓佩煌，唐敦兵.自動導(dǎo)引車路徑跟蹤和伺服控制的混合運(yùn)動控制[J].機(jī)械工程學(xué)報，2011（3）：43-48.

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[4] Sert B， Maddox J， Veatch P.Laser assisted intelligent guidance for automated guided vehicles[A].Intelligent Vehicles Symposium，1993（93)：201-206.

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[6] 王挺.全國首臺軌道式變電站巡檢機(jī)器人投入試運(yùn)行[J].電氣技術(shù)，2012（2）：88.