基于電站巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

洪永健 馬力 劉國建 趙燦輝 肖學(xué)明

摘 ? 要：針對電站傳統(tǒng)的監(jiān)測方法所需要的人員多、工作量大以及缺乏實(shí)時分析故障等缺點(diǎn)，設(shè)計了一款智能的電站巡檢機(jī)器人的監(jiān)測系統(tǒng)。所設(shè)計的機(jī)器人具有自主循跡，智能判斷故障，記錄事故原因及時報警等特點(diǎn)。詳細(xì)的闡述了硬件的設(shè)計方法以及軟件的設(shè)計方案。并對電站的異常情況進(jìn)行了模擬測試，得出所設(shè)計的系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)，具有一定的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人;監(jiān)測;實(shí)時;自主

中圖分類號： TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design of Robot Monitoring System Based on Power Station Inspection

HONG Yong-jian？覮，MA Li，LIU Guo-jian，ZHAO Can-hui，XIAO Xue-ming

（Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Yunnan，kunming ?650011，China）

Abstract： For power plant，the traditional monitoring methods with more personnels，big workloads and disadvantages such as lack of real time analysis of failure，an intelligent monitoring system of power plant inspection robot. The designed robot is designed with independent tracking，intelligent judgment fault，recording the cause of the accident，alarming in time，etc. The detailed expounds the design method of hardware and software design scheme. And abnormal situation of power station is simulated test，it is concluded that the designed system satisfy the performance index and has certain engineering application value.

Key words： patrol robot;monitoring;real time;autonomously

目前，電力系統(tǒng)的設(shè)備都在向著穩(wěn)定系高、安全性好、智能化高的等方向發(fā)展，對設(shè)備的維護(hù)和日常的檢測難度也隨之增加，且工作人員的技術(shù)水平良莠不齊，對待工作的態(tài)度也不一致，很難使得日常的巡檢維護(hù)得到保障，有時候甚至不能發(fā)現(xiàn)已存在問題，如果問題不能及時解決可能會導(dǎo)致巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。為了解決電站中類似問題的存在，根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，并結(jié)合傳統(tǒng)的巡街方式，設(shè)計了電站巡檢機(jī)器人[1-2]的檢測系統(tǒng)，可以有效的提高電站的巡檢故障的效率[3]，減少人員的工作量。本文主要從巡檢機(jī)器人的硬件部分和軟件部分進(jìn)行了介紹，將硬件部分進(jìn)行了模塊化的處理，主要有CPU最小系統(tǒng)模塊，PWM驅(qū)動電路模塊、編碼器接口電路模塊、串口電路模塊、串口通訊模塊等。軟件部分主要分為系統(tǒng)運(yùn)動控制模塊，加減速控制算法模塊，串口通訊軟件設(shè)計等。

1 ? 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

結(jié)合傳統(tǒng)的變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)和電站在實(shí)際應(yīng)用中的操作環(huán)境和方法，本文對電站巡檢機(jī)器人進(jìn)行了重新的設(shè)計，通過嵌入S曲線加減速控制算法，利用差速驅(qū)動轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)了對機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)的改變。系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖1所示，由圖可知系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的四輪控制轉(zhuǎn)化成雙輪控制，采用的差速驅(qū)動轉(zhuǎn)向，并通過兩側(cè)的驅(qū)動器發(fā)出一個PWM協(xié)調(diào)型號，來控制左右兩側(cè)電極的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人速度和轉(zhuǎn)向的實(shí)時控制和監(jiān)測[4]。當(dāng)左邊的PWM的信號頻率大于右邊的PWM信號的時候，左邊的轉(zhuǎn)速就會大于右邊的轉(zhuǎn)速，此時機(jī)器人會右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，轉(zhuǎn)向的半徑大小由系統(tǒng)根據(jù)左右兩邊的轉(zhuǎn)速差計算求得[5]。

2 ? 系統(tǒng)的硬件電路

系統(tǒng)的硬件電路主要是由五個模塊組成：STM32F407IGT6最小系統(tǒng)電路模塊[6][7]、PWM信號驅(qū)動模塊、編碼器接口電路模塊、串口通訊電路模塊。如圖2所示為系統(tǒng)的控制器的硬件模塊，系統(tǒng)的CPU采用的是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)STM32F407IGT6，通過STM32F407IGT6控制巡檢機(jī)器人的正常運(yùn)動。

2.1 ? STM32F407的最小系統(tǒng)模塊

選用32位ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407IGT6單片機(jī)，STM32F4系列單片機(jī)內(nèi)核的工作頻率高達(dá)168 MHz，具有1024 K的FLASH以及192 K的SDRAM。此外STM32F4的最大優(yōu)勢就是增加了硬件FPU單元以及DSP指令，這使得STM32F4尤其適用于需要浮點(diǎn)運(yùn)算或DSP處理的運(yùn)用，從而大幅度提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。在本系統(tǒng)中STM32F4單片機(jī)的主要作用是：通過其產(chǎn)生PWM信號，從而傳送至驅(qū)動器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并由其對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后通過RS485將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)的通信端口。最小系統(tǒng)的具體電路圖如圖3所示。

2.2 ? PWM信號驅(qū)動電路

由于STM32F407系統(tǒng)采用3.3 V電源電壓供電，所以STM32的脈沖輸出電壓的峰峰值最大能達(dá)到3.3 V。而市場上的交流伺服電機(jī)的驅(qū)動電平一般都是5 V，所以本系統(tǒng)采用的交流伺服電機(jī)也為5 V，因此必須進(jìn)行一定的電平轉(zhuǎn)換控制才能實(shí)現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的控制。驅(qū)動電路如圖4所示，當(dāng)STM32的I/0口輸出高電平的時候Q1導(dǎo)通，Q2截止，OUT輸出高電平;當(dāng)I/O口輸出低電平的時候Q1截止，Q2導(dǎo)通，OUT輸出低電平。圖中的電阻R1是起到限流的作用，二極管D1是防止突發(fā)情況下電壓反擊的作用，兩者都起到了保護(hù)電路的作用。推挽電路的優(yōu)點(diǎn)就是設(shè)計簡單、成本低，可靠性高等。另外在使用推挽電路時，選用的頻率不能高出三極管的開關(guān)頻率（1MHz），本系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生的PWM的頻率為333 kHz。

2.2 ? 編碼器的接口電路

在編碼器接口電路的設(shè)計中，本系統(tǒng)采用的是TI公司生產(chǎn)的SN75174編碼器信號的接收芯片，并將轉(zhuǎn)換過的信號作為脈沖計數(shù)器的輸入。其電路原理圖如圖5所示，VCC采用的是5 V電源供電，該芯片共有四路差分信號的輸出，通過控制A端口和EN端口來控制Y和Z的輸出。其邏輯轉(zhuǎn)換方式如表1所示，其中H為TTL高電平，L為TTL低電平，X是無輸入，Z是高阻態(tài)。

2.4 ? 串口通訊電路

本系統(tǒng)是采用RS485的通訊方式將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端[8]，RS485的特點(diǎn)主要有：485

電平與TTL電平兼容，方便與TTL電路連接;抗共模干擾能力強(qiáng);數(shù)據(jù)傳輸速率快，高達(dá)10 Mbps。本文采用SP3485芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，它是一款低功耗的芯片且符合RS485協(xié)議的收發(fā)器，最大傳輸速率2.5 Mbps，具有一個使能引腳控制芯片數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。SP3485如圖6所示，將一個120歐姆的電阻串聯(lián)在A和B之間，還電阻主要用于通信總線上阻抗匹配，達(dá)到吸收總線上反射信號的目的。

3 ? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主要使用C語言進(jìn)行程序編寫的，在KEIL5環(huán)境下對STM32F407進(jìn)行軟件編程。系統(tǒng)軟件主要是根據(jù)功能進(jìn)行模塊劃分，主要為運(yùn)動控制功能軟件模塊、串口通信軟件模塊。運(yùn)動控制模塊主要是實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動轉(zhuǎn)臺的控制，主要有：加減速，前進(jìn)后退、拐彎等，串口通訊模塊主要是遵守一定的通訊協(xié)議，為機(jī)器人提供數(shù)據(jù)的傳輸和命令的就接受功能。軟件流程圖如圖7所示，機(jī)器啟動以后，根據(jù)接受到指令進(jìn)行：停止、直行、轉(zhuǎn)彎。其中停止優(yōu)先級最高，其次設(shè)計轉(zhuǎn)彎、直行。當(dāng)機(jī)器人接受到停止的命令時，將會停止一切動作待在原地。

4 ? 系統(tǒng)性能測試

變電站的巡檢機(jī)器人的運(yùn)動都是在室內(nèi)環(huán)境下作業(yè)的，且電站內(nèi)都是有特有的黑色膠帶組成的多種線路，供機(jī)器人巡檢的時候所用。實(shí)驗中交流電機(jī)的輸入電壓為48 V，發(fā)送的PWM的信號最大為333 kHz，此時的占空比為50%。如圖8所示給出了機(jī)器人以最大的速度前進(jìn)時候，系統(tǒng)發(fā)出的PWM信號和編碼器反饋側(cè)的信號關(guān)系，由圖可知當(dāng)以最大頻率輸出PWM信號時候，反饋信號的頻率剛好為發(fā)送信號頻率的1/4。所以有編碼器反饋信號可以得出機(jī)器人的速度信息，從而完成系統(tǒng)的控制。

為了進(jìn)一步測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)巡檢機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時，利用高速攝像機(jī)拍下其運(yùn)行軌跡，用皮尺測出在200 cm，400 cm、800 cm直線距離內(nèi)運(yùn)行的實(shí)際距離，從而可以根據(jù)高速攝像機(jī)的輸出其時間，然后算出其速度，測試數(shù)據(jù)如表2所示。從表1的測試結(jié)果可以得知，當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行時，路程不同或速度不同時，都會對其運(yùn)動的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響，都會有一定的誤差值存在，經(jīng)過反復(fù)的測試，誤差控制在2.5 cm以內(nèi)。

5 ? 結(jié) ? 論

經(jīng)過試驗，設(shè)計的運(yùn)動控制系統(tǒng)性能可靠，實(shí)現(xiàn)了對變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)時控制，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。該系統(tǒng)具有在線升級能力，可通過更新軟件程序提高系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，為巡檢機(jī)器的進(jìn)一步研究開發(fā)點(diǎn)奠定基礎(chǔ)，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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