一種架空導(dǎo)線巡檢機器人的運動控制系統(tǒng)

黃 強，李松濤，高 源，甄富帥，宋光明，陳大兵

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103；2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引言

在高壓輸電線路中，架空輸電導(dǎo)線長期暴露在野外，容易出現(xiàn)腐蝕、斷股等損傷。為保證電網(wǎng)的正常運行，需要定期對線路進行巡檢，從而確保供電線網(wǎng)的可靠性[1]。目前，電力巡檢傳統(tǒng)的2種形式是人工巡檢和直升機巡檢[2]。人工巡檢主要通過肉眼、望遠(yuǎn)鏡等進行，效率較低且容易出現(xiàn)遺漏。直升機巡檢效率較高，但是其成本高，且準(zhǔn)確度較低。

移動機器人技術(shù)的發(fā)展，使得采用機器人進行導(dǎo)線巡檢工作成為可能。經(jīng)過10多年的研究，架空輸電導(dǎo)線巡檢機器人技術(shù)日漸成熟，比較有代表性的有加拿大魁北克水電研究院研制的LineROVer[3]和LineScout[4],日本東京電力公司研制的Expliner[5]等。

巡檢機器人的主要工作是排查輸電導(dǎo)線受到的損傷，并對損傷處進行定位，方便電力部門進行維修。為此，機器人應(yīng)具有較高的可靠性、運動精度和相對定位能力，這對于完成巡檢任務(wù)十分重要。本文設(shè)計了一種用于架空輸電導(dǎo)線巡檢機器人的運動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中通過工控機進行巡檢動作規(guī)劃，使用基于STM32的底層控制板進行電機控制，將S型加減速控制算法引入設(shè)計中，減小了實際運行中可能出現(xiàn)的沖擊。實驗驗證表明，該系統(tǒng)具有較高的運動精度與定位精度，能夠滿足架空輸電導(dǎo)線巡檢機器人的工作要求。

1 運動控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

巡檢機器人運動控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括地面的遠(yuǎn)程控制終端和機器人本體上的運動控制器2部分。其中，地面控制終端主要用于機器人工作狀態(tài)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制。機器人本體上的運動控制器采用雙核心結(jié)構(gòu)，小型工控機接收巡檢模式切換信號，規(guī)劃相應(yīng)模式下機器人具體動作，通過串口發(fā)送動作命令至底層控制板；基于STM32F407的底層控制板讀取電機編碼器脈沖，發(fā)送PWM信號至電機驅(qū)動器，控制機器人進行相應(yīng)運動。電機驅(qū)動器采用ESCON 50/5，通過讀取電機編碼器數(shù)據(jù)，可對電機進行速度閉環(huán)控制。

圖1 巡檢機器人運動控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

運動控制器與地面控制終端通過3路無線通信進行命令收發(fā)及數(shù)據(jù)交換，不同設(shè)備間、不同數(shù)據(jù)流方向之間采用不同方式或頻段進行通信，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞和干擾。其中，工控機與地面控制終端采用WiFi協(xié)議通信，兼顧巡檢圖像的傳輸；基于STM32的底層控制板通過2.4 GHz與230 MHz的LoRa電臺與地面控制終端通信，2.4 GHz電臺用于機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，233 MHz電臺用于遙控命令的傳輸。

2 基于STM32的底層控制板硬件設(shè)計

2.1 底層控制板整體結(jié)構(gòu)

基于STM32的底層控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，核心選用STM32F407VET6，其采用cortex-M4內(nèi)核，有較強的運算能力、較低的功耗和較好的擴展能力。其他功能模塊包括電壓讀取模塊、串口通信模塊、電源模塊、編碼器接口模塊，電機PWM控制信號由STM32直接輸出至電機驅(qū)動器。

圖2 底層控制板整體結(jié)構(gòu)

2.2 串口通信模塊電路設(shè)計

由于本系統(tǒng)中選用的無線電臺的輸入輸出信號采用RS232電平，不能直接被單片機讀取，因此，串口通信模塊選用MAX232芯片進行RS232電平和TTL電平信號之間的轉(zhuǎn)換。MAX232是專為RS232串口設(shè)計的電平轉(zhuǎn)換芯片[6]。芯片的2路RS232驅(qū)動器分別與數(shù)傳電臺和遙控電臺相連，進行上下行數(shù)據(jù)流電平的轉(zhuǎn)換。串口通信模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 串口通信模塊電路原理圖

2.3 編碼器接口模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)中的編碼器信號通過轉(zhuǎn)接板分為2路，一路信號接入電機驅(qū)動器，用于電機的速度閉環(huán)控制，保持電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性；另一路信號接入運動控制板，用于電機加減速與啟?？刂?。本系統(tǒng)中電機編碼器選用ENX16磁電式編碼器，采用RS422線驅(qū)動輸出，減少了信號傳輸過程中的衰減變形，但不能直接被單片機讀取。因此，在電路中采用AM26LS32差分接收器接收信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換作為脈沖計數(shù)器輸入。為了防止電流過大，在芯片與STM32之間放置限流電阻以保護芯片。編碼器接口模塊電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 編碼器接口模塊電路原理圖

2.4 電池電壓讀取模塊電路設(shè)計

由于架空導(dǎo)線巡檢機器人工作環(huán)境特殊，如果機器人在導(dǎo)線上因為電量耗盡而斷電，將難以回收，給巡檢工作帶來困難。因此，控制器中設(shè)計了電池電壓讀取模塊，實時讀取電源管理芯片的輸出電壓值，通過STM32自帶ADC判斷電池電量。利用LM358運算放大器與電阻組合構(gòu)成電壓跟隨器，起到緩沖、隔離、阻抗匹配的作用。原理圖如圖5所示。

圖5 電池電壓讀取模塊電路原理圖

3 運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的運動控制系統(tǒng)程序分為地面控制終端的上位機程序和機載控制器運行的運動控制器程序，程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。上位機程序的主要功能包括人機交互界面和機器人狀態(tài)監(jiān)控，上位機程序會對巡檢機器人返回的狀態(tài)值進行判斷，如果出現(xiàn)報錯信息，如電機驅(qū)動器錯誤等，會在界面上顯示相應(yīng)錯誤信息。運動控制器程序包括工控機程序和STM32控制板程序，其中，工控機程序主要控制巡檢模式下的相應(yīng)動作，并對STM32控制板發(fā)出運動命令。STM32控制板程序負(fù)責(zé)電機速度規(guī)劃、電池電壓讀取和巡檢機器人里程計算。

圖6 運動控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

在整個系統(tǒng)中，電機速度控制方法的選取直接影響巡檢機器人線上運行的精度與平穩(wěn)性，里程計算結(jié)果反映機器人的實時位置[7]，影響缺陷的定位精度，避免局部缺陷的擴大[8]，在整個系統(tǒng)中起到?jīng)Q定性的作用。

3.1 電機速度控制程序設(shè)計

運動控制器常用的加減速控制算法主要有梯形加減速控制算法、指數(shù)型加減速控制算法、S型加減速控制算法等。其中，梯形加減速控制算法和指數(shù)型加減速控制算法的實現(xiàn)相對簡單，但均存在加速度突變的情況，這增加了運動過程的不穩(wěn)定性，不利于巡檢機器人在導(dǎo)線上的平穩(wěn)運動[9]。S型加減速控制算法相對復(fù)雜，但其加速度曲線在運動過程中保持連續(xù)，減少了速度突變可能導(dǎo)致的沖擊和打滑等現(xiàn)象，提高了機器人線上的運動精度。本文所設(shè)計的運動控制器采用七段S型加減速控制算法控制機器人運動。

七段S型加減速控制算法包括加加速階段、勻加速階段、減加速階段、勻速階段、加減速階段、勻減速階段、減減速階段[10]，加加速度曲線、加速度曲線與速度曲線分別如圖7(a)～圖7(c)所示。其中，vmax表示最大運動速度，amax表示最大加速度，J表示加加速度。

圖7 S型加減速曲線示意圖

在設(shè)計的系統(tǒng)中，機器人的最大運動速度vmax、最大加速度amax以及加加速度J均為固定值。STM32根據(jù)速度曲線對PWM比較寄存器CCRx的值進行更新，改變PWM的占空比，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

3.2 機器人里程計算程序設(shè)計

在設(shè)計的系統(tǒng)中，基于STM32的底層控制器通過讀取直流電機編碼器脈沖獲得機器人的實時運動速度，通過對速度曲線進行積分，可以得到機器人運動的距離，由于STM32讀取的速度值為離散量，本系統(tǒng)中采用梯形積分法進行計算。假設(shè)k-1時刻速度為vk-1，k時刻速度為vk，則k-1到k時刻區(qū)間內(nèi)的距離sk為

sk=(vk+vk-1)tk,k-1/2

(1)

由式(1)和圖8可以看出，積分結(jié)果為近似值，存在一定的誤差，縮小積分區(qū)間可以減小積分誤差，但過密的計算頻率會極大增加計算負(fù)擔(dān)，造成浪費，因此，需要合理確定積分時間，以達到計算成本與計算精確度的平衡。本程序中每0.1 s進行一次積分運算，經(jīng)過仿真計算，可以基本忽略積分誤差，符合系統(tǒng)的要求。計算得到的結(jié)果由STM32底層控制板通過數(shù)傳電臺傳至地面控制終端，通過交互界面顯示。

圖8 梯形積分曲線

4 運動控制系統(tǒng)實驗驗證

4.1 電機速度控制實驗

電機速度控制實驗主要測試S型加減速控制算法的效果。測試過程中，電機空轉(zhuǎn)，由靜止加速至最大速度vmax，勻速轉(zhuǎn)動1 s后減速至零。測試程序每0.05 s讀取電機轉(zhuǎn)速并記錄，對采集數(shù)據(jù)進行分段曲線擬合并與速度規(guī)劃曲線進行比較，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，采集數(shù)據(jù)基本符合速度規(guī)劃曲線。

圖9 采集數(shù)據(jù)與擬合曲線

4.2 運動定位精度實驗

本實驗在實驗室前期研制的碳纖維導(dǎo)線巡檢機器人平臺上進行，機器人平臺如圖10所示。機器人安裝本文設(shè)計的運動控制系統(tǒng)，在模擬線路上運動，線路長度20 m。線路上每隔1 m設(shè)置標(biāo)記，機器人由0 m處出發(fā)，運動15 m。機器人運動停止后用米尺測量實際運動距離，并與上位機交互界面上顯示的里程計計算距離相比較，計算誤差，實驗數(shù)據(jù)見表1。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，定位精度誤差在2%以內(nèi)，滿足巡檢機器人的工作要求。

圖10 巡檢機器人實物平臺

表1 定位精度實驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種用于架空導(dǎo)線巡檢機器人的運動控制系統(tǒng)，完成了STM32底層控制器的硬件電路設(shè)計與搭建。通過S型速度控制算法對電機加減速過程進行速度規(guī)劃，減小了電機速度突變對機器人的沖擊，改善了機器人線上運行的平穩(wěn)性，提高了機器人的運動精度。通過梯形積分法對機器人里程進行計算，確定了合理的積分時間，達到了計算精度和計算成本的平衡，并完成相應(yīng)的軟件設(shè)計實現(xiàn)。最后通過實物平臺實驗，驗證了系統(tǒng)能夠滿足架空導(dǎo)線巡檢機器人的工作需要。