基于STM32的柔性繩索自動(dòng)升降裝置電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張富春 ，鄭武略 ，梁偉昕 ，宋 丹 ，崔家瑞

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405；2.北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083）

由于我國(guó)近年大規(guī)模發(fā)展超特高壓電網(wǎng)建設(shè)，相較于國(guó)外電壓等級(jí)較低的輸電線路，其高空作業(yè)難度比國(guó)外大了很多，而國(guó)內(nèi)常見的用于高空作業(yè)防墜保護(hù)、物料傳遞、人員攀爬的技術(shù)措施和裝置主要有防墜落保護(hù)裝置[1-2]、絞磨[3-4]、繩梯[5]、攀爬機(jī)[6]、繩索滑輪組合[7]等，都各自有缺點(diǎn)。相較而言，單個(gè)設(shè)備功能單一、自重大、不易搬運(yùn)攜帶、適用地形窄，或者造價(jià)較高、經(jīng)濟(jì)性差。

電力公司與科研院所等有關(guān)單位針對(duì)高空作業(yè)人員防墜保護(hù)陸續(xù)開展了很多新技術(shù)研究[8-10]，但其主要功能是保護(hù)人員高空作業(yè)防墜安全，不具備其他功能。

以南方電網(wǎng)超高壓廣州局為例，其維護(hù)線路長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到了3 349公里，線路路徑經(jīng)過廣東地區(qū)43個(gè)縣市，而且80%線路位于山區(qū)。電力人員出導(dǎo)地線絕緣子串采用軟梯等工具，隨著電壓等級(jí)的逐步提高，絕緣子串長(zhǎng)隨之增加，人工上下絕緣子串難度增加，耗費(fèi)體力大。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的柔性繩索便攜式自動(dòng)升降裝置電控系統(tǒng)，有效降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢修效率。

1 系統(tǒng)整體框架

基于STM32的柔性繩索自動(dòng)升降裝置電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了裝置的自動(dòng)升降控制與裝置的位姿監(jiān)測(cè)，同時(shí)保證了裝置運(yùn)動(dòng)過程中的安全性。系統(tǒng)采用ST公司的Cortex M4和Cortex M3雙處理器架構(gòu)，主要由電源管理模塊、主控模塊、傳感器模塊、存儲(chǔ)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和外部接口組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

電源管理模塊完成整個(gè)系統(tǒng)的供電與故障時(shí)的后備供電；主控模塊采用32 bit Cortex M4主處理器和獨(dú)立供電的32 bit Cortex M3協(xié)處理器的雙處理器模式，保證了系統(tǒng)的安全性；傳感器模塊主要包括氣壓計(jì)、加速度計(jì)和陀螺儀，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)升降裝置的姿態(tài)與速度信息，保證升降器升降過程的平穩(wěn)性和方向性；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行日志等數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)模塊主要用于升降裝置電機(jī)的大功率驅(qū)動(dòng)以及與主控系統(tǒng)的信號(hào)隔離；外部接口包含手動(dòng)控制、無線通訊、電機(jī)控制和急停制動(dòng)等模塊，不僅方便用戶與升降裝置之間的交互，而且提供了多種總線接口方便系統(tǒng)擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊是系統(tǒng)的核心，完成系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制功能。將用戶發(fā)出的指令轉(zhuǎn)化為控制驅(qū)動(dòng)裝置的指令，以進(jìn)行相關(guān)的處理。考慮到系統(tǒng)對(duì)硬件的需求和安全性等因素，自動(dòng)升降裝置采用了硬件冗余設(shè)計(jì)，主控模塊采用STM32F407[11]和STM32F103[12]雙處理器設(shè)計(jì)方案，且STM32F103協(xié)處理器是獨(dú)立電源供電，以此保證主控制器失效時(shí)，自動(dòng)安全切換到備用控制器上。該方案保證了系統(tǒng)和傳送人員的安全。

主處理器可以測(cè)量電源模塊的電池電壓和電流、5 V不規(guī)律的供應(yīng)軌道（用于檢測(cè)掉電狀態(tài)），同時(shí)可以檢測(cè)到外接設(shè)備電源接口的過載現(xiàn)象。協(xié)處理器可以測(cè)量伺服線的電壓，硬件鎖定可以防止端口的持續(xù)短路導(dǎo)致的損傷，這個(gè)鎖可以被主處理器軟件重新設(shè)置。

2.2 電源管理模塊

電源作為整個(gè)系統(tǒng)的能源保障，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)需要的電壓等級(jí)較多，而系統(tǒng)對(duì)電源的性能要求較高并且要求體積小、重量輕，因此，采用高性能開關(guān)電源的形式。該方案既能保證高壓電源的供電需求，又能很好地滿足低壓電路的需求；同時(shí)，能夠提供85%以上的供電效率，大大減少了能源浪費(fèi)。

為了實(shí)現(xiàn)升降裝置的不間斷供電和自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移，采用了ADI公司的三輸入電源優(yōu)先級(jí)供電控制器LTC4417，并且每個(gè)設(shè)備均單獨(dú)供電。經(jīng)過LTC4417輸出的有效電壓后，先通過具有過壓過流保護(hù)的鋰電池充電管理芯片BQ24315進(jìn)行整流，輸出兩路穩(wěn)定的5 V電源后，再采用多路LDO電源芯片MIC5332，分別供給不同類型的設(shè)備，防止互相干擾，同時(shí)保證了電源的可靠性。

LTC4417支持2.5～36 V的寬電壓輸入，并且可從三路輸入電源中選擇優(yōu)先級(jí)最高的有效電源來給負(fù)載供電。有效電源是指輸入電壓處于由欠壓和過壓門限設(shè)定的窗口區(qū)域內(nèi)時(shí)間達(dá)到256 ms。只有在高優(yōu)先級(jí)電源無效時(shí)才會(huì)自動(dòng)切換到低優(yōu)先級(jí)電源。

BQ24315是高度集成的具有過壓和過流保護(hù)的鋰電池保護(hù)芯片，使其免受充電電路故障的影響，輸入電流上限1.5 A。BQ24315時(shí)刻監(jiān)控著輸入電壓、輸入電流，并且有線性的輸出。當(dāng)過壓情況出現(xiàn)時(shí)，它能通過關(guān)閉內(nèi)部開關(guān)迅速轉(zhuǎn)移電壓，響應(yīng)時(shí)間小于1 ms；在發(fā)生過流情況時(shí)，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的電流限制在一定的范圍內(nèi)，這極大地提高了系統(tǒng)的安全性。

兩個(gè)BQ24315芯片都輸入穩(wěn)定的5 V電壓，分別輸出VDD_5V_HIPOWER給外接數(shù)傳以及VDD_5V_PERIPH給GPS、CAN總線以及I2C等外部設(shè)備。VDD_5V_HIPOWER_OC指示數(shù)傳電壓的狀態(tài)，輸出高電平表示正常，輸出低電平說明電調(diào)電壓過壓同時(shí)切斷OUT輸出。

2.2.1 主處理器和協(xié)處理器電源設(shè)計(jì)

主處理器和協(xié)處理器都是在3.3 V電壓下運(yùn)行的，而且都有自己私有的雙通道校準(zhǔn)器，每一個(gè)校準(zhǔn)器都有一個(gè)通電的重置輸出，綁定了校準(zhǔn)器的通電和斷電序列。因此，采用了一款雙輸出超低壓降LDO電源管理芯片MIC5332。該芯片能夠?qū)ω?fù)載的電壓變化進(jìn)行快速響應(yīng)。從一路輸入無延遲分出兩路穩(wěn)定的輸出電壓。輸入電壓從2.3 V到5.5 V，EN1，EN2都拉高，表示輸入使能。VOUT1為主處理器供電，VOUT2為傳感器單獨(dú)供電。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)模塊電源設(shè)計(jì)

升降裝置的伺服電機(jī)支持標(biāo)準(zhǔn)的5 V和有限的高壓（最高到10.5 V伺服供能）。協(xié)處理器從伺服連接器那里接收到最高10 V的電能，這樣就允許協(xié)處理器在所有情況下（包括主要供電斷電或受干擾）轉(zhuǎn)移到伺服裝置供能。

BQ24313對(duì)于低于10.5 V的輸入電壓，輸出電壓限制在5.5 V以內(nèi)，當(dāng)輸入電壓超過閾值時(shí)，芯片將阻止電壓輸出。EN2置為高，使能輸入，最后通過VOUT2輸出3.3 V電壓供協(xié)處理器使用。

2.2.3 外部接口電源設(shè)計(jì)

對(duì)于外部接口電源，升降裝置提供了電能路由、過載/低載電壓檢測(cè)和保護(hù)、過濾、切換、電流限制和外接設(shè)備瞬變壓制，保證了傳輸給外接設(shè)備的電壓不超過5.5 V。電源會(huì)在供給電壓掉到2.7 V以下或是上升到5.7 V以上的時(shí)候斷開連接。

因此，前端采用BQ24313提供過壓過流保護(hù)，僅使用MIC5332的一個(gè)OUT口供電。

2.3 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

主處理器上連接了一塊FM25V01 128K非易失鐵電存儲(chǔ)器。鐵電存儲(chǔ)器同時(shí)具有EEPROM的速度和數(shù)據(jù)掉電不丟失的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中用于存儲(chǔ)升降裝置的關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，一旦升降裝置在運(yùn)行中發(fā)生故障重啟，則可以延續(xù)前面的狀態(tài)和計(jì)算結(jié)果。

另外，主控模塊的協(xié)處理器上設(shè)計(jì)了Micro SD卡存儲(chǔ)器，并通過上拉電阻連接，增加了輸出驅(qū)動(dòng)能力，用于存儲(chǔ)運(yùn)行日志和升降裝置升降的整個(gè)過程的所有數(shù)據(jù)以及升降裝置的腳本啟動(dòng)文件。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

為了保證當(dāng)串口出現(xiàn)大電流時(shí)不會(huì)燒壞主控模塊，驅(qū)動(dòng)模塊采用了TI公司的雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器TXS0108。該轉(zhuǎn)換器在保證高速通信的情況下具有較強(qiáng)的信號(hào)隔離和信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。

為了使在上電以及斷電過程中輸出處于高阻態(tài)，TXS0108E的OE腳連接了一個(gè)電容并接到GND上。由于A端與B端不需要電平轉(zhuǎn)換，因此，只起到隔離作用。

主處理器上有6個(gè)PWM輸出，協(xié)處理器上連接了8個(gè)PWM輸出。

2.5 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要是為了獲得升降裝置的實(shí)時(shí)位置與姿態(tài)，當(dāng)升降裝置接收到用戶發(fā)出的指令以后，傳感器便將實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并傳輸給控制器進(jìn)而解算出給驅(qū)動(dòng)裝置的控制量。

傳感器模塊進(jìn)行了冗余設(shè)置，升降裝置上搭載了3套測(cè)量姿態(tài)的IMU慣性測(cè)量單元（主板上1套，IMU載板上2套），安裝在主板上的傳感器和減震傳感器被用在不同的集線器之中，防止所有傳感器的傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)被路由。

升降裝置采用MEAS MS5611氣壓計(jì)，用于測(cè)量高度，采用ST公司三軸16位陀螺儀Micro L3GD20測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度，采用三集成加速度計(jì)和磁力計(jì)的LSM303D確認(rèn)外部影響和羅盤指向；同時(shí)設(shè)計(jì)了三軸16位加速度計(jì)和陀螺儀MPU6000、三軸16位加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)MPU-9250電路。

2.5.1 主板傳感器模塊設(shè)計(jì)

主板傳感器模塊主要包括MPU-9250、HMC 5983和MS5611，各部分電路設(shè)計(jì)原理如下。

1）MPU-9250電路設(shè)計(jì)

MPU-9250內(nèi)置了三軸16位加速度計(jì)、陀螺儀、AK8963磁力計(jì)和數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，可以有效減輕主機(jī)處理器的時(shí)序要求和處理能力，更加方便地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。

MPU-9250的3軸速率陀螺儀利用科里奧利效應(yīng)，會(huì)引起由電容式傳感器檢測(cè)圍繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉(zhuǎn)。滿量程范圍為每秒±250、±500、±1 000或±2 000度。采樣率從3.9個(gè)/s～8 000個(gè)/s自由設(shè)置。設(shè)計(jì)的滿量程范圍設(shè)定為±500/s，采樣率為50個(gè)/s。

MPU-9250的3軸加速度計(jì)通過電容式傳感器檢測(cè)每個(gè)軸的加速度變化，降低了對(duì)制造變化和熱漂移的敏感性。加速度計(jì)的滿量程范圍為±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，設(shè)計(jì)中量程設(shè)定為±8 g。

MPU-9250的3軸磁力計(jì)使用高度靈敏的霍爾傳感器技術(shù)。通過內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路直接輸出16位的3個(gè)軸中的地磁信號(hào)，測(cè)量范圍為±4 800 μT。

2）HMC5983

HMC5983是一款帶溫度補(bǔ)償?shù)?軸電子羅盤，采用羅克韋爾的各向異性磁阻技術(shù)，具有更好的線性度和溫度穩(wěn)定性，使得其更適合應(yīng)用于低成本的應(yīng)用場(chǎng)景。航向角的測(cè)量精度為1～2度，分辨率為2 mGS。

3）MS5611

MS5611采用不銹鋼封裝的高精度氣壓計(jì)，氣壓測(cè)量范圍10～1 200 mbar，具有10 cm的高度分辨率和1 ms的響應(yīng)時(shí)間，并集成了SPI和I2C接口，特別適用于高度集成的數(shù)字電路中。

主板傳感器模塊電路如圖2所示。

2.5.2 IMU載板傳感器

1）L3GD20

L3GD20是具有16位數(shù)字輸出的3軸陀螺儀，集成了SPI和I2C接口。滿量程為±245、±500或±2 000度，設(shè)計(jì)的滿量程范圍設(shè)定為±500度。

2）LSM303D

LSM303D集成了3軸數(shù)字線性加速度傳感器和3軸數(shù)字磁傳感器，可以測(cè)量±2 g、±4 g、±8 g或±16 g的線性加速度和±1.3、±1.9、±2.5、±4.0、±4.7、±5.6或±8.1高斯的磁場(chǎng)，具有因慣性或自由落體事件自動(dòng)生成中斷信號(hào)的功能，方便快速檢測(cè)升降裝置的狀態(tài)。

3）MPU-6000

MPU-6000是針對(duì)低成本和高性能要求設(shè)計(jì)的，集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)，以及數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，可處理復(fù)雜的6軸運(yùn)動(dòng)融合算法，無需主控模塊的干預(yù)即可收集全套傳感器數(shù)據(jù)。陀螺儀滿量程范圍為每秒±250、±500、±1 000或±2 000度，設(shè)計(jì)中設(shè)定為±500度。加速度計(jì)滿量程范圍為±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，設(shè)計(jì)中設(shè)定為±8 g。

圖2 主板傳感器模塊電路

4）MS5611

IMU板上的MS5611電路連接與主板上的MS5611相同，只是此處的MS5611與IMU載板上的其他傳感器一樣使用的是另一套SPI總線。

IMU板傳感器模塊電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用由應(yīng)用層、抽象層和驅(qū)動(dòng)層組成的3層架構(gòu)，使得程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性增強(qiáng)，保證了系統(tǒng)的可移植性。任務(wù)處理采用有限狀態(tài)機(jī)模型[13-14]，保證各任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間已知，使系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和實(shí)時(shí)性。軟件整體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖3 IMU板傳感器模塊電路

任務(wù)處理上使用有限狀態(tài)機(jī)的基本思想：在主程序執(zhí)行while循環(huán)執(zhí)行一圈的過程中，應(yīng)用層的每個(gè)任務(wù)只執(zhí)行其自身某個(gè)狀態(tài)的操作，以便多個(gè)任務(wù)能夠并行執(zhí)行。但在通信任務(wù)中要保證收發(fā)數(shù)據(jù)的原子操作[15-16]，以保證通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖4 軟件整體架構(gòu)框圖

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了保證姿態(tài)檢測(cè)的有效性，對(duì)傳感器模塊進(jìn)行了標(biāo)定與測(cè)試。

陀螺儀零點(diǎn)漂移可以通過測(cè)量得到，加權(quán)可求得其平均值，再通過均值濾波器剔除掉該常量，可以有效減少該誤差項(xiàng)；加速度計(jì)標(biāo)定的方法很多，一般都采用基于重力的多位置翻轉(zhuǎn)標(biāo)定法，文中采用6位占標(biāo)定方法；磁力計(jì)采用六面旋轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行標(biāo)定[17-18]。

對(duì)傳感器標(biāo)定后，在實(shí)驗(yàn)室利用二維狀態(tài)對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖6所示。

保持升降裝置為懸停狀態(tài)，設(shè)置加速度計(jì)和陀螺儀的采集頻率為100 Hz，采樣個(gè)數(shù)5 000點(diǎn)，并對(duì)該懸停數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波，得到其姿態(tài)信息。傳感器數(shù)據(jù)和姿態(tài)角輸出如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)與電控系統(tǒng)實(shí)物照片

由姿態(tài)角輸出數(shù)據(jù)可以看出升降裝置在懸停狀態(tài)下橫滾角、俯仰角和偏航角的偏差基本上控制在0.2°之內(nèi)，較為真實(shí)準(zhǔn)確地反映了飛行器在懸停狀態(tài)下的姿態(tài)信息，能夠滿足實(shí)際工程需要。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的基礎(chǔ)上，為了保證安裝到升降裝置后的電控系統(tǒng)的有效性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了第三方檢測(cè)，重點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)的升降速度和載重量，以便滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。第三方檢測(cè)報(bào)告如圖8所示。

根據(jù)實(shí)際工作情況，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)提升絕緣子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)的有效性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖9所示。

圖7 姿態(tài)角輸出數(shù)據(jù)

圖8 第三方檢測(cè)報(bào)告

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于STM32的柔性繩索便攜式自動(dòng)升降裝置電控系統(tǒng)，用于輸電線路檢修過程中的人員與物料輸送。系統(tǒng)硬件采用Cortex M4和Cortex M3雙處理器架構(gòu)；軟件采用有限狀態(tài)機(jī)編程模式與三層嵌入式軟件架構(gòu)。經(jīng)過第三方檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電控系統(tǒng)的有效性和可用性，實(shí)現(xiàn)了0～24 m/min連續(xù)調(diào)速，大大提高了物料傳輸效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。