變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析

張劍鵬 陳德凱

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 云南 昆明 650000

1 行走方式

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、控制靈活等優(yōu)勢(shì)。

2 引導(dǎo)與定位方式

在變電站巡檢中,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?？?必須依靠輔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。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)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1)CPU 控制器：采用高性能、低功耗、寬電壓的8 位微處理器ATmega 128L,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256k B非易失性存儲(chǔ)器,內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗等功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

各模塊主要功能：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

5.1 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。

5.2 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2c m,工程應(yīng)用效果良好。

5.3 S曲線加減速算法 巡檢中,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。

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88c m,齒輪減速比為43。即機(jī)器人直行1c m 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49.2c m,當(dāng)原地回轉(zhuǎn)360°時(shí),驅(qū)動(dòng)輪走過的距離為π×49.2＝154.5c m,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(yǔ)

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)。停車定位精度高。經(jīng)工程驗(yàn)證,能滿足變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用要求。