基于樹莓派的預(yù)防性輕型除冰機(jī)器人行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

國(guó)內(nèi)外在除冰機(jī)器人領(lǐng)域已有相關(guān)研究，加拿大魁北克研究院設(shè)計(jì)出HQ LineROVer遙控小車[1]清除線路覆冰，日本學(xué)者Hisato Kobayashi等人提出多車連接結(jié)構(gòu)的蛇形巡檢機(jī)器人[2]。上述兩種機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)復(fù)雜、較難應(yīng)用于工程實(shí)際。國(guó)內(nèi)除冰機(jī)器人的研制也取得一定的研究成果[3-6]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種PLC控制多電機(jī)配合，依據(jù)不同覆冰厚度選擇不同行走除冰方案的除冰機(jī)器人，該設(shè)計(jì)考慮覆冰狀況調(diào)整行走除冰方案，但其難掛載、重量大，事后式除冰設(shè)計(jì)無(wú)法進(jìn)行預(yù)防性除冰；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種“防冰為先，防除兼?zhèn)洹钡男滦透邏撼鶛C(jī)器人，通過(guò)覆冰前采取防冰措施以降低覆冰概率、達(dá)到更好的除冰效果，但其無(wú)法結(jié)合線路狀況實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，且采用的電機(jī)數(shù)多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制可根據(jù)光強(qiáng)檢測(cè)線路覆冰情況調(diào)整行走除冰方案，該方案受光照影響較大，且未考慮仰俯角影響以及預(yù)防性除冰方案。文獻(xiàn)[6]分析了機(jī)器人攀爬行走受力情況，未考慮線路覆冰狀況對(duì)行走控制的影響，也未提出預(yù)防性除冰的方案。此外，湖南大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等高校均有相關(guān)研究，研制出相應(yīng)的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試[7-9]，但均為事后式除冰方案，裝有厚重除冰裝置，且厚冰情況下的除冰效果差。

綜上所述，現(xiàn)有除冰機(jī)器人普遍存在機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量大，掛卸載、維修困難等問(wèn)題；基于事后式除冰的思路，即線路覆冰嚴(yán)重后再除冰，忽略了預(yù)防性除冰的重要性，往往導(dǎo)致線路發(fā)生嚴(yán)重受損的事故；且無(wú)法結(jié)合線路阻力和覆冰情況進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，難以適應(yīng)復(fù)雜的除冰環(huán)境。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于往復(fù)式、預(yù)防性除冰的思路設(shè)計(jì)了一種基于樹莓派（raspberry pie，RPI）和各種檢測(cè)模塊共同搭建的行走控制系統(tǒng)，可根據(jù)作業(yè)環(huán)境對(duì)預(yù)防除冰方案進(jìn)行自主決策，使得機(jī)器人兼?zhèn)漕A(yù)防性除冰與事后除冰的功能，可根據(jù)線路仰俯角、覆冰情況協(xié)調(diào)、調(diào)整行走與除冰策略，并自主判斷線路折返點(diǎn)實(shí)現(xiàn)桿塔間往復(fù)式行走，機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、重量輕。

1 行走控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人行走控制策略如圖1所示，行走控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)RPI、仰俯角檢測(cè)模塊、超聲波模塊、圖像采集模塊、溫濕度檢測(cè)模塊和電源模塊共同組成。

圖1 行走控制策略框圖Fig.1 The block diagram of the travel control strategy

機(jī)器人上線作業(yè)時(shí)，地面PC通過(guò)WiFi與RPI進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖像傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；溫濕度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)作業(yè)的周圍環(huán)境從而對(duì)預(yù)防性除冰動(dòng)作進(jìn)行決策；為獲取線路阻力裝設(shè)仰俯角檢測(cè)模塊，周期性采集線路仰俯角數(shù)據(jù)傳輸給RPI；圖像采集模塊采集線路覆冰狀況并傳輸給處理器進(jìn)行覆冰厚度分析；采用超聲波模判斷是否改變電機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)桿塔間往復(fù)行走；RPI分析處理各模塊反饋信息，調(diào)節(jié)行走、除冰電機(jī)轉(zhuǎn)速與力矩，實(shí)現(xiàn)行走控制與除冰控制的協(xié)調(diào)性。為保證導(dǎo)線與輪之間有效接觸，另設(shè)電動(dòng)推桿增大線輪間摩擦力兼?zhèn)漭o助制動(dòng)功能；電源模塊可為系統(tǒng)供電。

2 行走控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器介紹

本文設(shè)計(jì)的硬件核心是基于RAM7的微型電腦RPI，搭載運(yùn)行頻率1.4 GHz的64位四核處理器，設(shè)有kMB以太網(wǎng)和雙頻WiFi可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，設(shè)有40個(gè)端口允許訪問(wèn)27個(gè)通用輸入與輸出（GPIO），I2C，3.3 V和5 V電源，可外拓各種傳感器。本文GPIO均采用功能物理引腳編號(hào)。本文使用的RPI 3B+支持遠(yuǎn)程圖形化操作界面且可對(duì)機(jī)器人行為實(shí)時(shí)圖像捕捉[10]，相對(duì)于單片機(jī)能運(yùn)行Linux等操作系統(tǒng)且運(yùn)算性能更高，可完成復(fù)雜多重的任務(wù)監(jiān)控管理與調(diào)度。

2.2 仰俯角檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用RPI中wiringPi庫(kù)的中斷，周期性采集除冰機(jī)器人行走時(shí)線路仰俯角，仰俯角檢測(cè)電路圖如圖2所示。

圖2 仰俯角檢測(cè)電路圖Fig.2 The circuit diagram of the pitch angle detection

本系統(tǒng)采用了集成三軸MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的MPU6050模塊，擁有3個(gè)16位的ADC，能夠滿足精度的要求，寄存器通過(guò)I2C總線與RPI建立數(shù)據(jù)傳輸通道。地址數(shù)據(jù)總線SCL，SDA分別與 RPI的 GPIO3（SCL.1），GPIO2（SDA.1）相連接，工作電壓采用3.3 V供電模式。

2.3 超聲波模塊及溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖3為溫濕度及超聲波模塊原理圖。如圖3所示，本設(shè)計(jì)采用的超聲波模塊選用HC-SR04模塊，該模塊性能穩(wěn)定、測(cè)度距離精確滿足需求。模塊接口TRIG，ECHO分別與RPI的GPIO38，GPIO40相連。溫濕度檢測(cè)模塊選用DTH11，它是集成溫度濕度測(cè)量二合一的傳感器，具有超小體積的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)總線DATA與GPIO37相連。

圖3 溫濕度及超聲波模塊原理圖Fig.3 The schematic of the temperature & humidity and ultrasonic module

2.4 行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

行走除冰電機(jī)均選用直流電機(jī)，采用L298N雙路H橋路模塊驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、PWM脈寬平滑可調(diào)。圖4為行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。如圖4a中RPI的GPIO25與ENA相連，GPIO23，24分別與IN1，IN2相連控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。為真實(shí)地反映機(jī)器人在線行走速度，采用如圖4b中的EC11增量式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)行走電機(jī)的位置與轉(zhuǎn)速。編碼器安裝于被動(dòng)輪上防止主動(dòng)輪打滑。通過(guò)RPI的GPIO12，GPIO1213檢測(cè)A，B輸出脈沖超前與滯后相位關(guān)系判斷電機(jī)轉(zhuǎn)向和碼盤光柵間距弧度求取位移角速度。

圖4 行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.4 Circuit diagram of travel motor drive

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人在高空?qǐng)?zhí)行任務(wù)需要可靠電能供應(yīng)。本設(shè)計(jì)電源采用能量密度大的24 V∕1 kW·h鋰電池。圖5為電源模塊電路原理圖。

圖5 電源模塊電路原理圖Fig.5 Circuit schematic diagram of power module

考慮到系統(tǒng)存在多種電平，鋰電池輸出電壓24 V，RPI需5 V供電，設(shè)24 V轉(zhuǎn)5 V降壓電路，如圖5a采用LM2596S芯片，電路最大電流輸出3 A滿足RPI 5 V∕2.5 A的正常工作需求。RPI最大允許輸入電壓3.3 V，而傳感器一般為5 V電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用的AP2306MOS管可實(shí)現(xiàn)5 V-3.3 V電壓雙向變換，如圖5b所示，S1，S2分別為變換電壓信號(hào)。

3 行走控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序是基于Python語(yǔ)言在RPI的Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的，行走控制總流程框圖如圖6所示，初始化地面監(jiān)控PC與RPI建立遠(yuǎn)程通信；機(jī)器人根據(jù)作業(yè)環(huán)境自主決策預(yù)防性除冰動(dòng)作，滿足預(yù)防性除冰條件后對(duì)線路仰俯角、覆冰圖像等多維信息進(jìn)行周期性采樣。結(jié)合力學(xué)建立電機(jī)轉(zhuǎn)速與仰俯角模型，得到滿足驅(qū)動(dòng)力需求下轉(zhuǎn)速n1；通過(guò)圖像采集獲取線路當(dāng)前覆冰情況并計(jì)算覆冰厚度，在有效除冰情況下協(xié)調(diào)控制行走電機(jī)輸出最大不打滑速度n2；因此行走電機(jī)理論轉(zhuǎn)速n=min(n1,n2)。超聲波對(duì)行走方向作出判斷后，調(diào)用PWM轉(zhuǎn)速調(diào)整程序?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。

圖6 行走控制總流程圖Fig.6 General flow chart of travel control

3.1 預(yù)防除冰動(dòng)作判斷程序設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人被掛載在線路上處于待機(jī)狀態(tài)，作業(yè)前需進(jìn)行預(yù)防除冰動(dòng)作自主決策。圖7為預(yù)防除冰動(dòng)作判斷流程圖。如圖7所示在接受到作業(yè)指令后，系統(tǒng)中溫濕度檢測(cè)模塊周期性測(cè)量作業(yè)環(huán)境的溫度值TM、濕度值HM，當(dāng)檢測(cè)值滿足預(yù)設(shè)范圍時(shí)，產(chǎn)生并發(fā)送預(yù)防除冰任務(wù)指令觸發(fā)RPI執(zhí)行桿塔間預(yù)防除冰任務(wù)以及采取相應(yīng)的除冰措施，包括：涂抹憎水性涂料和噴灑抗凍化學(xué)試劑，實(shí)現(xiàn)自主決策預(yù)防除冰動(dòng)作。

圖7 預(yù)防除冰動(dòng)作判斷流程圖Fig.7 The flow chart of the preventive deicing action judgment

3.2 仰俯角檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

為獲取機(jī)器人行走時(shí)所受阻力，需對(duì)線路的仰俯角進(jìn)行檢測(cè)。圖8為仰俯角檢測(cè)流程圖。線路的仰俯角檢測(cè)系統(tǒng)由RPI和MPU6050共同完成。如圖8所示，首先初始化I2C總線并與PU6050建立數(shù)據(jù)通道；接收到觸發(fā)指令后，內(nèi)嵌指令I(lǐng)2cdetect捕捉MPU6050的地址并用i2cdump指令讀取寄存器中三軸的加速度和角速度AD值。采用四元數(shù)法[11]即利用DMP庫(kù)將6個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為四元數(shù)，從而測(cè)出仰俯角Pitch，通過(guò)主程序周期性觸發(fā)實(shí)現(xiàn)不間斷檢測(cè)。

圖8 仰俯角檢測(cè)流程圖Fig.8 Flow chart of line elevation angle acquisition

3.3 覆冰圖像采集程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用500萬(wàn)像素的排線攝像頭，能高清晰度檢測(cè)線路覆冰情況。圖9為覆冰圖像采集流程圖。如圖9所示，接收到采集指令后對(duì)線路覆冰圖像采集并儲(chǔ)存。處理過(guò)程包括圖像灰度化、對(duì)圖像進(jìn)行去噪和去除背景等預(yù)處理，只保留圖形前景，提取覆冰前后線路像素值，計(jì)算線路覆冰厚度[12]。并在有效除冰條件下計(jì)算出除冰電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。

圖9 覆冰圖像采集流程圖Fig.9 Flow chart of ice image acquisition

3.4 超聲波折返判斷程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)桿塔間往復(fù)式行走需對(duì)折返點(diǎn)做出判斷，利用超聲波對(duì)前后障礙物測(cè)距判斷，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)向。圖10為超聲波折返判斷流程圖。如圖10所示，RPI的GPIO口輸出脈沖給Trig觸發(fā)模塊測(cè)距并開始計(jì)時(shí)。若有信號(hào)返回，Echo端口電平由高變?yōu)榈?，RPI端口記錄高電平持續(xù)時(shí)間tH，測(cè)試距離D1=tHv∕2，v為聲速取340 m∕s，比較D1與允許距離D2決定是否產(chǎn)生并發(fā)送轉(zhuǎn)向信號(hào)，本文采用的超聲波避障模塊為HC-SR04模塊。

圖10 超聲波折返判斷流程圖Fig.10 Flow chart of ultrasonic reentry judgment

3.5 行走電機(jī)PWM轉(zhuǎn)速控制程序

行走電機(jī)是通過(guò)PWM波控制L298N模塊進(jìn)行調(diào)速的，圖11為PWM調(diào)速程序流程圖。如圖11a所示，主程序先初始化PWM，設(shè)置GPIO18為PWM輸出端口，然后周期性查詢是否接收到控制指令，若接受到，則調(diào)用中斷子程序如圖11b所示，根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人對(duì)線路狀況分析處理后的轉(zhuǎn)速，將其對(duì)應(yīng)的脈寬數(shù)列更新寄存器脈寬值，并設(shè)計(jì)判斷行走電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是否采用閉環(huán)控制，本文采用PID控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定跟蹤結(jié)合線路仰俯角和覆冰情況計(jì)算出的轉(zhuǎn)速，經(jīng)運(yùn)算后的脈寬占空比儲(chǔ)存在脈寬寄存器中，最后輸出控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖11 電機(jī)PWM調(diào)速程序流程圖Fig.11 Flow chart of motor PWM speed regulation program

4 行走試驗(yàn)

4.1 除冰機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)

除冰機(jī)器人的整體為“T”型架構(gòu)，機(jī)身采用鋁合金焊接而成，在滿足剛度需求下盡可能降低自重；頂部搭載“M”型無(wú)人機(jī)掛卸載機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)掛卸載動(dòng)作的遙控；單電機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化行走機(jī)構(gòu)、降低裝置自重；采用多種除冰方式的綜合除冰機(jī)構(gòu)以適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，結(jié)合線路覆冰情況采取不同的除冰方案；底部機(jī)箱搭載供電電源和各種轉(zhuǎn)接電路模塊。

圖12為除冰機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，裝置總重12 kg。

圖12中各數(shù)字代表器件名稱如下：1為架空線；2為“M”型鉤架；3為“T”型支架；4為主動(dòng)輪；5為夾緊輪；6為電動(dòng)推桿；7為螺旋導(dǎo)軌；8為步進(jìn)位移電機(jī)；9為機(jī)箱；10為除冰電機(jī)；11為除冰錘和旋轉(zhuǎn)直桿；12為行走電機(jī)；13為攝像頭；14為固定電機(jī)鋁板；15為引流條；16為覆冰；17為噴灑管；18為聯(lián)軸器及固定槽裝置。

圖12 除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)示意圖Fig.12 Design sketch of deicing robot

4.2 樣機(jī)試驗(yàn)

考慮到實(shí)地試驗(yàn)條件苛刻且存在安全問(wèn)題，因此在地面上進(jìn)行模擬行走除冰試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容包括：遙控?zé)o人機(jī)掛卸載，上下坡行走測(cè)試，線路仰俯角與圖像采集測(cè)試。測(cè)試表明無(wú)人機(jī)可通過(guò)“M”支架平穩(wěn)地將除冰機(jī)器人掛卸載在輸電線上。經(jīng)如圖13所示的行走試驗(yàn)分析，除冰機(jī)器人啟動(dòng)和加速時(shí)機(jī)身擺動(dòng)幅度較大，但勻速旋轉(zhuǎn)敲冰和行走時(shí)，擺幅較小，能夠穩(wěn)定行走在輸電線上；RPI實(shí)時(shí)檢測(cè)線路仰俯角度和覆冰狀況，并對(duì)行走電機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍：0～0.21 m∕s；機(jī)器人爬坡角度極限為20°；模擬除冰機(jī)器人執(zhí)行除冰作業(yè)實(shí)驗(yàn)如圖14所示，除冰電機(jī)轉(zhuǎn)速260 r∕min，預(yù)防性除冰作業(yè)中可清除5 mm以內(nèi)的覆冰并可很好對(duì)線路采取防冰措施。可較好地判斷線路轉(zhuǎn)折點(diǎn)完成架空線路往復(fù)式除冰任務(wù)。綜合評(píng)價(jià)上述所測(cè)性能參數(shù)，機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)基本滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖13 除冰機(jī)器人行走測(cè)試圖Fig.13 Walking test chart of deicing robot

圖14 除冰機(jī)器人除冰測(cè)試圖Fig.14 Deicing test chart of deicing robot

5 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有除冰機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，針對(duì)當(dāng)前研究的除冰機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，采取覆冰后除冰方式除冰難，忽略了防冰的重要性，無(wú)法結(jié)合線路狀況協(xié)調(diào)行走除冰策略等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于樹莓派的預(yù)防性輕型除冰機(jī)器人行走控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)環(huán)境自主決策預(yù)防除冰任務(wù)，包括行走除冰和防冰措施，極大地降低線路除冰難度和線路因覆冰導(dǎo)致停電事故的概率；預(yù)防除冰作業(yè)中周期性檢測(cè)線路仰俯角和采集線路覆冰情況，保證在有效除冰的情況下，控制行走電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與力矩；同時(shí)利用超聲波檢測(cè)塔間折返點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)覆冰前機(jī)器人可在兩桿塔間進(jìn)行往復(fù)式預(yù)防性除冰；設(shè)計(jì)出除冰機(jī)器人樣機(jī)，行走驅(qū)動(dòng)采用單電機(jī)，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)、降低了整體重量；最后樣機(jī)的行走除冰試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。