基于ARM—STM32F030x4的變電站日常巡視機(jī)器人研究

呂劍+羅天宇+葉宣廷

摘要：根據(jù)變電站巡視要求，提出一套機(jī)器人巡視的框架。文章著重討論各個模塊的算法，并根據(jù)各個算法，找到合適的硬件實(shí)現(xiàn)每個功能，以解決巡視中可能出現(xiàn)的問題，提高巡視效率和可靠性。處理器反面采用了最新的ARM-STM32F030x4，以保障各個功能的實(shí)現(xiàn)，方便添加新增功能。

關(guān)鍵詞：變電站；巡檢機(jī)器人；STM32F030x4；柵格化算法；自動充電 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2016）29-0015-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.29.007

今時今日，自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子通訊技術(shù)以及人工智能等多種學(xué)科發(fā)展已具備相當(dāng)規(guī)模，機(jī)器人技術(shù)在各個領(lǐng)域的運(yùn)用已日漸成熟。

在智能機(jī)器人代替成本日益上升的人工作業(yè)的大背景下，變電站自動化的探索日益緊迫。這就是本次變電站日常巡視機(jī)器人研究的初衷。

1 變電站巡視要求

變電站巡視包括巡視區(qū)域、巡視路線、巡視重要點(diǎn)和巡視設(shè)備。巡視區(qū)域設(shè)定在變電站內(nèi)部，當(dāng)區(qū)域較大時可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況將巡視區(qū)域分為幾個小塊。巡視路線根據(jù)當(dāng)?shù)貐^(qū)縣相關(guān)人員巡視規(guī)定和實(shí)際路線情況進(jìn)行編制。巡視重要點(diǎn)是指巡視路線中需要?？康狞c(diǎn)，需要注意?？繒r間和攝像頭角度。巡視設(shè)備是巡視的基本對象，包括變壓器、開關(guān)、避雷器、母線等。

2 機(jī)器人內(nèi)部硬件架構(gòu)

變電站巡檢機(jī)器人內(nèi)部硬件架構(gòu)分為驅(qū)動電機(jī)、微控制器、傳感器、無線傳輸器這四個部分組成。

2.1 驅(qū)動電機(jī)

采用的是永磁式步進(jìn)電機(jī)，分別位于機(jī)器人的左側(cè)和右側(cè)。電機(jī)的驅(qū)動芯片為BA6845FS，與系統(tǒng)通過電池的輸出電壓直接連接。

2.2 微控制器

采用的是ARM-STM32F030x4。該芯片由德國ST公司開發(fā)，64組管腳定義可實(shí)現(xiàn)包括WIFI傳輸控制、電機(jī)運(yùn)動控制、電池電量檢測、傳感器控制等一系列功能。調(diào)試器使用的是ST-Link（v2 SWD模式）芯片晶振采用16M/32M/48M晶振，可實(shí)現(xiàn)納秒級別的精確計算，以做到驅(qū)動控制的準(zhǔn)確無誤；閃存上可實(shí)現(xiàn)32bits，速度基本凌駕于市面上CPU處理器，在智能機(jī)器人的控制方面更為適合；內(nèi)核溫度可承受150℃，除去自身發(fā)熱源，可承載環(huán)境溫度120℃，安全級別達(dá)到了汽車安全級別，保證了機(jī)器人的安全穩(wěn)定運(yùn)行；芯片設(shè)有施密德觸發(fā)特效，能有效保障機(jī)器人在變電站這種高頻的電磁波以及大電流這些EMC的干擾較大的場合中穩(wěn)定運(yùn)行。為了確保長期穩(wěn)定運(yùn)行，CPU安全級別以及驅(qū)動回路的抗干擾性將是我們在選擇設(shè)計時必須重點(diǎn)考慮的事項，而ARM-STM32F030x4將施密特性集成于微控制器內(nèi)部要比在芯片外面施加保護(hù)來得更加安全。除此之外，微控制處理器ARM-STM32F030x4采用雙向CAN，可以實(shí)現(xiàn)一路為傳感器讀寫CAN，一路為檢修CAN，為區(qū)分可以稱為FCAN以及PCAN，F(xiàn)CAN可以實(shí)時與傳感器交互數(shù)據(jù)，我們利用PCAN可以對CPU運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測以及備份。

2.3 傳感器

紅外傳感器共四個，1號、4號位于機(jī)器人左前方和右前方，2號、3號位于前端。型號是IRM8601S。傳感器內(nèi)部集成自動增益控制電路、輸出驅(qū)動電路、解碼電路及帶通濾波電路。該接頭最為有效的紅外線信號的載波頻率為38kHz。當(dāng)它檢測到有效紅外線信號時輸出低電平，未檢測到則輸出高電平。

2.4 無線傳輸器

WIFI通信的硬件方面使用的是TPLINK無線網(wǎng)卡和全向天線，并使用TRF6903芯片處理收發(fā)信息。架構(gòu)如圖1所示：

3 機(jī)器人運(yùn)行軟件模塊

3.1 路線以及環(huán)境模塊

在確定好巡視路線的情況下，就要建立環(huán)境模型并且優(yōu)化機(jī)器人巡視路徑。

在眾多環(huán)境建模方法中，我們選擇了柵格法進(jìn)行建模。其優(yōu)點(diǎn)為計算量較小，容易加入更新的內(nèi)容，符合變電站環(huán)境搜索的各類要求。

柵格法（Cell Modeling Method）的基本原理是地圖建模的一種方法，柵格法實(shí)質(zhì)上是將工作環(huán)境進(jìn)行單元分割，將其用大小相等的方塊表示出來。

將變電站進(jìn)行柵格化建模后，就要建立機(jī)器人的“記憶庫”進(jìn)行路徑的制定。為了把上下左右四個方向參數(shù)類型轉(zhuǎn)換為微型控制器能夠識別的符號，我們將向上的方向定義為0、向右為1、向下為2、向左為3，如圖2所示：

機(jī)器人頭部傳感器的位置和方向相對于機(jī)器人是不動的。而相對于變電站的環(huán)境來說，它們的方向是在改變的，這就涉及到“絕對方向”和“相對方向”問題。

相對方向：以機(jī)器人當(dāng)前行走方向?yàn)閰⒄盏姆较颉?/p>

絕對方向：以變電站絕對坐標(biāo)平面為參照的方向。

這樣就會涉及到相對方向和絕對方向的互換的問題。在本文中采取了以變量Dir記錄機(jī)器人前進(jìn)方向上的絕對方向值，即前方的絕對方向值始終設(shè)為Dir，這樣機(jī)器人的相對方向轉(zhuǎn)換成絕對方向。如表1所示：

轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)顯示，初始點(diǎn)為（0，0）機(jī)器人會將走過的路線坐標(biāo)進(jìn)行儲存。如表2所示：

以臨海市110kV鏡都變?yōu)槔瑘D4為實(shí)景模擬圖，黑色部分為根據(jù)相關(guān)規(guī)定設(shè)計的機(jī)器人巡視路線。如圖3所示：

3.2 避障模塊

當(dāng)機(jī)器人在變電站自動巡檢時，可能會出現(xiàn)計劃外的障礙物擋在原來設(shè)定的路線上，這就需要設(shè)定機(jī)器人自動避障模塊以減少操作人員的操作。其原理如下：機(jī)器人在O點(diǎn)探測到靜態(tài)障礙物，考慮靜態(tài)障礙物相對于機(jī)器人的方向（在O點(diǎn)，將方向歸為四類：右方、上方、左方、下方，在其余點(diǎn)，方向仍然分為八類）。設(shè)機(jī)器人在O處的位置為（xo，yo），局部子目標(biāo)Pgoal位置為（xp，yp）。

（1）障礙物在右方：如果yp≥yo，機(jī)器人做逆時針運(yùn)動；如果yp