基于變電站智能巡檢機(jī)器人的遙控模塊功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王冠

摘? 要：目前常見的變電站巡檢機(jī)器人遙控模塊主要分為兩類，一類是通過無線遙控器與機(jī)器人的主控計(jì)算機(jī)直接通信，主控機(jī)再將遙控信號下發(fā)至下位控制板，從而控制各電機(jī)并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遙控運(yùn)動，此結(jié)構(gòu)在主控機(jī)與下位控制板間存在通信故障時，遙控模塊失去作用;另一類是將遙控模塊接收端與電機(jī)連接，通過PWM信號控制電機(jī)運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動，這種結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。針對上述問題，文章設(shè)計(jì)了一種可編程的遙控結(jié)構(gòu)，通過遙控模塊直接與機(jī)器人下位控制板通信，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案在可靠性更高的前提下，也能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的機(jī)器人控制操作。

關(guān)鍵詞：遙控模塊;可編程;變電站巡檢機(jī)器人

中圖分類號：TP242.6? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0090-03

Abstract： At present， the common remote control modules of substation inspection robot are mainly divided into two categories： One is to communicate directly with the robot's master computer through the wireless remote controller， and then the master computer sends the remote control signal to the control board， so as to control each motor and realize the robot's remote control movement. When there is communication failure between the master computer and the lower control board， the remote control module loses its function. The other is to connect the receiving end of the remote control module with the motor， and control the motor movement by PWM signal to realize the robot movement. This structure is difficult to achieve complex control functions. Aiming at the above problems， this paper designs a programmable remote control structure， which communicates with the robot's lower control board directly through the remote control module. The experiment shows that the scheme can also realize various complex robot control operations on the premise of higher reliability.

Keywords： remote control modules; programmable; substation inspection robot

1 需求分析

本文以一種四轉(zhuǎn)四驅(qū)的變電站輪式巡檢機(jī)器人為例，分析該機(jī)器人對于無線遙控模塊的需求。首先，考慮變電站內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性及其對于可靠性的要求[1]，無線遙控模塊應(yīng)選用方便現(xiàn)場操作的手持式遙控器;其次，考慮機(jī)器人為四轉(zhuǎn)四驅(qū)的輪式機(jī)器人，遙控模塊應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)的所有操作模式[2]，包括阿克曼運(yùn)動模式、原地轉(zhuǎn)向模式、平移運(yùn)動模式、緊急制動模式等，且應(yīng)當(dāng)支持定速巡航、定速原地轉(zhuǎn)向等可能用到的自定義功能;第三，考慮機(jī)器人安全運(yùn)行等需求，遙控模塊應(yīng)當(dāng)能夠一定程度上反饋機(jī)器人本體的異常狀態(tài)信息;最后，基于遙控模塊本身的可靠性要求，該模塊應(yīng)當(dāng)能夠反饋?zhàn)陨硎Ｓ嚯娏康葼顟B(tài)信息，且針對傳統(tǒng)控制器的模擬信號發(fā)生環(huán)節(jié)，例如壓感按鍵、搖桿等，可能出現(xiàn)的零位漂移現(xiàn)象應(yīng)能具有可靠的校準(zhǔn)功能。

基于以上分析，本文選用一種可充電、可編程的手持式控制器，配合2.4G無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)變電站智能巡檢機(jī)器人的遙控操作，本文所選2.4G無線通信模塊為支持AT指令控制的JDY-40無線透傳模塊，電池為標(biāo)稱電壓3.7V的聚合物鋰電池。

2 功能設(shè)計(jì)

JDY-40無線透傳模塊可通過UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）串口直接與行走系統(tǒng)控制板及手持式控制器連接，配對完成后即可實(shí)現(xiàn)遙控通信。

由于遙控模塊核心為可編程MCU（Microcontroller Unit，微控制單元），因此考慮將所有控制邏輯在遙控模塊內(nèi)部完成處理，再將處理后的控制量，通過無線通信模塊發(fā)送至機(jī)器人下位控制板。

在完成MCU的初始化過程后，對程序主體環(huán)節(jié)進(jìn)行循環(huán)直到關(guān)閉遙控模塊電源。程序首先判斷電池電量是否小于給定的低電量閾值，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[3]，所選電池電壓降至3.68V時，剩余電量約為10%，因此將低電量閾值定位3.68V。如果當(dāng)前電壓小于3.68V，使LED燈閃爍，即激活低電量報(bào)警。

接下來進(jìn)行鍵盤按鍵值及搖桿X、Y軸位置值檢測，根據(jù)按鍵值以及進(jìn)行事件處理并根據(jù)搖桿位置值發(fā)送相應(yīng)事件的控制指令。

最后檢測串口是否有數(shù)據(jù)輸入，讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理，本文設(shè)計(jì)遙控模塊獲取的數(shù)據(jù)為機(jī)器人本體異常信息，當(dāng)獲取到指定數(shù)據(jù)幀，機(jī)器人本體異常，此時遙控模塊控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴告警，具體異常狀態(tài)將上傳至機(jī)器人后臺。

2.1 初始化過程

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能與模擬信號的零位校準(zhǔn)功能，應(yīng)在初始化過程中添加相關(guān)環(huán)節(jié)，包括通信波特率設(shè)置、JDY-40芯片無線透傳功能喚醒、AT指令控制關(guān)閉、LED指示燈激活以及模擬信號零位偏移量讀取等。

通信波特率及JDY-40管腳電平根據(jù)手冊按需配置即可，遙控模塊搖桿的偏移量受到搖桿當(dāng)前位置影響，因此初次開機(jī)時，默認(rèn)中心位置，讀取此時讀數(shù)，即為搖桿偏移量，為了避免開機(jī)時使用人員不小心碰觸到搖桿，因此該過程僅在初次開機(jī)時進(jìn)行，然后將獲取到的偏移量存入EEPROM（Electrically Erasable Programmable read only memory，帶電可擦可編程只讀存儲器），每次開機(jī)時，直接從EEPROM中獲取該值即可。

2.2 按鍵事件處理過程

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多種功能，遙控模塊鍵盤應(yīng)有足夠多的按鍵或按鍵組合，并根據(jù)不同功能，分別將搖桿X、Y軸位置值解析為不同作用，如圖1所示。

根據(jù)一般習(xí)慣，采用右手坐標(biāo)系，如圖2所示，機(jī)器人在阿克曼運(yùn)動時的線速度、機(jī)器人轉(zhuǎn)向角（機(jī)器人轉(zhuǎn)向角一般選擇轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向中心側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度）與遙控模塊搖桿有如下關(guān)系：

機(jī)器人定速巡航功能的實(shí)現(xiàn)，是在上述幾種運(yùn)動模式過程中，增設(shè)“定速”按鍵，當(dāng)激活定速阿克曼運(yùn)動與定速平移運(yùn)動時，遙控模塊采集搖桿位置值，僅用于調(diào)整？茲與？茲t，定速原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動時，不再采集搖桿值。

3 樣機(jī)測試

分別在主控機(jī)連續(xù)下發(fā)控制指令和主控機(jī)斷開連接的情況下進(jìn)行測試，通過遙控模塊控制，使機(jī)器人按照遙控指令正常實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動模式，確保不會受到其他干擾。

首先測試主控機(jī)連續(xù)下發(fā)指令，如圖3（a）所示，此時遙控模塊下發(fā)指令及機(jī)器人接收指令如圖3（b）（c）（d）所示。

折線圖起始部分，遙控模塊處于關(guān)閉狀態(tài)，此時機(jī)器人接收數(shù)據(jù)為主控機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)遙控模塊打開時，完全接管機(jī)器人控制權(quán)，此時機(jī)器人能夠按照遙控指令正確動作，不會受到主控機(jī)指令干擾。

然后將主控機(jī)與機(jī)器人下位控制板間連接斷開，使用遙控模塊對機(jī)器人進(jìn)行控制，機(jī)器人依然能夠按照遙控模塊指令正常執(zhí)行工作，因此該遙控模塊可在主控機(jī)出現(xiàn)異常時，用于機(jī)器人應(yīng)急控制。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于變電站智能巡檢機(jī)器人的遙控模塊，具有以下特點(diǎn)：

（1）直接與機(jī)器人行走系統(tǒng)的底層控制板進(jìn)行通信，

具有最高的控制權(quán)限以及更高的可靠性。

（2）遙控模塊可編程，因此可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的機(jī)器人控制操作。

（3）通過搖桿零位的自動/手動校正算法，避免了傳統(tǒng)手柄可能出現(xiàn)的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

經(jīng)試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的遙控模塊能夠流暢控制機(jī)器人進(jìn)行各種運(yùn)動，可在緊急情況下用于接管機(jī)器人控制權(quán)，同時可在機(jī)器人性能測試及功能驗(yàn)證中發(fā)揮較大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]M. Eder and A. Knoll. Design of an experimental platform for an X-by-wire car with four-wheel steering. 2010 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering， Toronto，ON，2010，pp.656-661，doi：10.1109/COASE.2010.5584677.

[2]石世杰，丁慧.四輪全向移動機(jī)器人的運(yùn)動控制分析[J].科技展望，2016，26（04）：145.

[3]劉霞，鄒彥艷，金梅，等.鋰電池電量的動態(tài)預(yù)測[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（02）：83-85+135-136.