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1、变电站巡检机器人运动控制系统设计与实现摘要：近些年，我国在变电站巡检机器人的这一领域取得了重大进展，但是其 系统是一个十分复杂的系统，其中融合了多门科学技术，正由于变电站巡检机器 人是一种系统复杂，功能特殊的机器人，而且其应用到的一些技术还没有达到完 善的状态，仍然处于研究阶段，有待提高，所以对变电站巡检机器人的研究仍然 有很大的进步空间。本文则以此为依托，研究设计了变电站巡检机器人的运动控 制系统。关键词：变电站；巡检机器人；运动控制；系统设计；实现1 变电站巡检机器人运动控制系统研究现状 变电站巡检机器人将机器人技术、巡查检测技术、运动路径规划技术等相结 合，辅助甚至代替工作人员来完成变电
2、站巡检作业，主要应用场景是各个主网配 网变电站，可以实现远距离无线监视变电站的带电设备，对变电站运行设备进行 长距离带电检测与监视。由于变电站特殊的环境，变电站中需要巡检的有室内高 压设备与室外一次设备。室内道路比较平坦畅通，机器人可以迅速的完成对设备 的巡检，但是室外环境对于机器人来说更为复杂，所以必须设计出满足不同路况 下机器人平稳行驶的控制方法。针对此问题，通过增加特定的巡检轨道，机器人 通过轨道可平稳的行驶，但是过多的轨道铺设增加了设计成本，同时由于正常道 路上铺设机器人行驶轨道，阻碍了运行人员的正常巡检道路，发生事故时人员无 法正常逃离现场。通过无轨行驶可明显降低机器人的投入成本，但
3、是由于复杂的 路况，机器人必须做出相应的判断，通过加减速安全的行驶在不同的道路上，此 类型机器人控制算法比较复杂，需要设计多种行驶场景控制行驶速度。如今机器 人驱动行驶算法中PID控制算法应用较为广泛。由于PID参数需要提前整定，PID 控制算法能够很好的应用到单一的环境中，但对于复杂环境的变电站PID算法有 一定的局限性。而模糊PID则可以针对不同的环境自行整定PID的参数，多用于 环境复杂的场合。2 系统需求分析变电站巡检机器人系统从物理结构上分为以工控机为核心的地面站系统和以 机载电脑为核心的移动站系统（变电站巡检机器人本体）。地面站系统的主要用 途是显示机器人的速度位置等状态信息和报警
4、信息，实现对移动站的远程实时监 控；仪表的图像识别与检出；远程向巡检机器人下达巡检任务。移动站的主要工 作是向地面站传输云台采集到的红外热成图像、可见光图像；将采集到的变电站 设备声音的状态，经过分析后传输给地面站；向地面站传输机身运动状态，且可 根据激光雷达、超声传感器等数据，实现自动路径规划和巡检。图像和状态传输 与运动控制是移动站的主要功能，地面站和机器人以无线网桥的方式实现通讯， 机器人将云台采集的图像信息和巡检机器人状态信息通过无线网桥传送给地面站 巡检机器人实现直线行走和转弯等不同运动状态的改变都是通过运动控制系统， 因此称运动控制系统为变电站巡检机器人的执行机构，其由控制器、驱动
5、器、电 机、减速器、编码器以及机械部件等主要部分组成，通过对地面站下达的运动指 令的解析，完成对各个驱动轮的速度控制，从而完成不同的运动动作。3 变电站巡检机器人运动控制系统设计与实现3.1 系统功能设计从系统需求以及设计要求可以得出，本系统应具有串口通信模块、A/D转化 模块、报警功能控制模块和TM4C123核心控制模块。各模块的具体功能为：TM4C123 核心控制模块：由 TM4C123AH6PM 芯片和必要的外围电路组成最小系 统，是系统的控制核心，能够完成驱动轮速度计算和I/O、A/D信号的处理；串口 通信模块：通过串口接收地面站的运动控制指令，解析后发送速度给直流伺服驱 动器，控制电
6、机运动；通过串口反馈机器人机身状态信息给地面站。A/D转化模 块：接收超声波传感器的电压信号，转化到最小系统可以承受的电压量程；报警 功能控制模块：将最小系统的I/O信号引出，通过检测高低电平判断安全触边的 状态；通过输出高低电平控制声光报警器、电磁刹车、大灯与对讲机的状态。系 统的主控板即控制器设计主要包括硬件部分和软件部分的设计，根据上述的分析 可知，主控板硬件设计应满足以下要求：（1）能够嵌入运动控制算法；（2）有 足够的RS485和RS232串口通信接口； （3）能够实现A/D采集；（4）有足够的 I/O接口，能够实现I/O控制功能。根据上述设计要求，系统主控板的硬件设计应 包括以下几
7、个部分：TM4C123AH6PM最小系统模块、串口通信模块、A/D转化模 块、报警功能模块（I/O接口）电路以及电源电路。系统的主控板软件设计时应 满足以下要求：（1）运动控制算法的实现；（2）串口通信的实现；（3）可以 采集超声波传感器和安全触边的信号，防跌落和防碰撞；（4）能够根据传感器 信息以及电池管理系统回馈信息做出报警。根据上述设计要求，系统主控板的软 件设计应包括以下几个部分：运动控制软件设计、串口通信软件设计、A/D采集 模块设计、报警功能软件设计等。3.2 硬件设计 主控板即运动控制器，处于变电站巡检机器人系统的中间层，是地面站与直流伺服电机驱动器以及机身各传感器的信息传输枢纽
8、。根据系统功能将硬件电路 分为以下几个模块：TM4C123AH6PM最小系统模块、串口通信模块、A/D转化模 块、报警功能模块（I/O接口）电路以及电源电路。系统所有的硬件图纸的设计 均在软件 AltiumDesigner13.1 中完成。各个模块具体功能如下：（1） TM4C123AH6PM 最小系统：保证芯片的正常工作同时提供芯片所需的时钟和复位 电路以及程序下载电路；（2）串口通信电路：将主控芯片的TTL电平转化为 RS232电平和RS485电平，其中RS232用于与串口服务器进行异步串行通信方式 进行通讯，RS485用于与电机驱动器和电池管理系统通讯；（3）A/D调理电路： 用于超声波
9、传感器的信号调理，将0-5V电压信号调整到主控芯片A/D的采集范 围0-3.3V；（4）报警功能模块电路：输出和输入0-3.3V电压，根据输入电压高 低判断安全触边是否被触发，通过输出电压的高低来控制电磁刹车用于机器人紧 急制动，通过输出高低电平来控制声光报警器用于机器人的声光报警。（5）电 源电路：将锂电池电压进行转化，为机器人其他元器件提供稳定直流的电压。3.3 软件设计软件设计采用的语言是嵌入式C语言。按照巡检机器人系统的功能将程序划 分为以下4个模块：控制系统运动的功能模块、报警功能模块、A/D采集模块和 串口通信模块。软件设计主要完成的任务为：上位机命令的解析与处理、系统计 算与直流
10、伺服电机速度分配、传感器数据的接收与处理、向上位机反馈处理信息。 各模块并不是孤立的，每个模块之间有着密切的联系，比如在报警功能模块中就 用到 A/D 采集模块处理后的超声波传感器的数据。将一些多次应用的代码写成子 函数的形式，供主程序和其他部分多次调用，这样不仅使程序化繁为简，而且提 高了编程的效率。运动控制功能模块：首先对直流伺服电机驱动器进行初始化配 置，然后计算速度并将速度分配给对应的驱动轮，最后将速度发送给直流伺服电 机驱动器，控制电机转动或停止，从而控制变电站巡检机器人的运动状态；串口 通信模块：按照相关的通信协议，完成与上位机、直流伺服电机驱动器和电池管理系统的通信；A/D采集模
11、块：采集超声波传感器的信号并做数据分析，判断巡检机器人前保险杠距离地面的距离，防止机器人跌落；报警功能模块：获取安全 触边传感器的状态信息，判断巡检机器人是否发生碰撞；根据对各传感器信号的 数据处理结果，控制声光报警器是否报警。4 结束语 本文主要设计了一种变电站巡检机器人的运动控制系统，其中的研究工作为 对变电站巡检机器人的运动控制系统做整体的研究，包括提出系统的总体设计方 案，对运动控制系统硬件电路的设计和实现，对运动控制系统的软件设计与编写。参考文献1 高明建.面向巡检应用的全向轮式机器人的运动控制系统设计与实现D.中 国科学院大学（工程管理与信息技术学院）,2016.2 鲜开义.变电站轨道式巡检机器人控制系统设计D.西南交通大学,2018.3 肖娟.变电站巡检机器人的路径规划研究D.山东建筑大学,2015.
