基于PC104的巡线机器人控制系统设计

1.引言
     
高压输电线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原本微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故。因此，电力公司需要定期对线路设备进行巡检，及时发现早期损伤和缺陷并加以评估，根据评估结果安排必要的维护和修复，从而确保供电的安全可靠性。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对于山区和大江大河等的输电线路巡检存在很大困难，甚至一些巡检项目靠常规方法都难以完成。因此，采用机器人自动巡线成为保障高压输电线安全运行的一种必要手段。
     
高压输电线路巡线机器人属于特种机器人的研究范畴，主要完成高压供电线缆的无损探伤、悬垂绝缘子绝缘特性检测、输电线附件输电性能测试、机械连接牢固性检查、线缆异物清除等高空作业。国外在巡线机器人领域的研究起步较早，研究水平较高，1988年，日本东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线巡检移动机器人，该机器人可以沿地线爬行，遇到障碍物时，可以通过弧形手臂辅助跨越。加拿大魁北克水电研究院的Montambault等人于2000年研制成功了输电线遥控机器人，该遥控机器人可以消除电力传输线上的积冰，并可以用来线路巡检平台。国内关于输电线路巡线机器人的研究还处于起步阶段，只有武汉水利大学、山东大学、中科院等作过一些研究。

2.机器人概述
      
由于高压输电线的线缆附件种类多、形状复杂，因此，越障成为巡线机器人要具备的首要功能。本文所述的机器人采用3个自由摆动的吊臂跨越线缆附件，当遇到障碍物时摆动3个吊臂，使3个吊臂依次通过障碍物。机器人本体如图1所示，该机器人可以在四分裂、二分裂、单股等高压输电线缆上爬行，可自主跨越悬垂绝缘子、隔离棒、防振锤、线夹等线缆附件，具有输电线缆的检测功能。机器人综合性能指标如下：1）本体外形：850×300×700mm；2）本体重量45Kg；3）缆径适应性Ф10～Ф25mm；4）移动速度0～25m/min；5）爬升角度0～30°；6）控制方式：自主运行和主从遥控操作；7）故障处理：手动/自动。



图1 机器人本体示意图

3.控制系统的设计
      
机器人的控制系统分本体控制系统和地面监控系统两部分，如图2 所示。本体控制系统用来规划机器人的运动轨迹，控制机器人运动构件，确保机器人可靠快速的越过障碍物，并实现与地面基站的命令、数据的远距离传输；地面监控系统实现机器人的手动/自动控制，并监控机器人的稳定运行。为机器人设计自动和手动两套控制系统的增加了机器人的灵活性与可靠性，当其中一套系统发生故障时可启动另一套控制系统，另外在某些特殊的场合可只用手动系统，降低了机器人野外作业的难度，增加了机器人的应用性。
     
3.1 机器人本体控制系统的设计
    
 机器人本体的控制系统以嵌入式PC104工控机为核心,并配有输入输出扩展板HT-750和A/D采集扩展板PM-516。采用PC104 作为核心模块, 可将主要精力放在软件和接口的设计上, 而且PC104 的开发、维护和扩展都非常方便。PC104与通用PC和PC/AT标准（IEEE P996） 完全兼容, 可以很快掌握其软、硬件的使用, 并且具备嵌入式控制的特殊要求,为嵌入式应用提供了标准的系统平台[1]。


     
3.1.1故障检测
     
输电线缆附件种类多，形状复杂，对机器人判断障碍物类型带来了极大的困难。因此有必要携带多种传感器，将多种线路故障检测器集成到巡线机器人移动平台上，运用多传感器信息融合技术，以便提高故障探测的效率、精度和准确度。主要的传感器有CCD视觉模块、红外温度传感器、超声波传感器等。
     
视觉检测CCD模块使用PC104上的COM2串口，用于识别高压输电线各类附件，从原始图像中找到目标（防振锤、绝缘子、连接金具、隔离棒等附件）所在区域，利用图像处理技术，提取障碍物特征尺寸，自动判断输电线路上的障碍物类型、距离，并向机器人运动控制单元提供越障信息[2]，形成下一步的越障策略。另外，视觉检查一般能发现架空线表面故障现象，如输电线表面损伤，连接金具松脱等；红外温度传感器则利用高压输电线在故障点会产生异常温升的特点，检测线缆的异常温升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334传感器来检测线缆的异常温升，以达到检测线缆故障的目的。[page]
     
3.1.2运动控制
     
由于机器人的动作较复杂，多数吊臂式巡线机器人采用多电机驱动方案，即用6个电机实现摆动吊臂与行走轮转动。这种方案机器人较为灵活，但多电机增加了机器人的重量，不利于机器人自身平衡。本文用2个电机实现需要的动作，通过3个电磁离合器与图2中的电机1配合控制三个吊臂的摆动，用电机2控制机器人行走。为了增加检测的灵活性，在机器人上增加了两个可升降的传感器支架，分别用电机3和电机4带动。驱动框图如图3所示，用Silicon Lab公司的高性能单片机C8051F047和H桥组件LMD18200T来驱动电机。LMD18200T是美国国家半导体公司（NS）推出运动控制专用H桥组件,内部集成了CMOS控制电路和DMOS驱动电路，峰值输出电流高达6A,连续输出电流3A，工作电压高达55V，具有温度报警和过热与短路保护功能。本文所选电机的连续堵转电流在3A左右，因此选用LMD18200T芯片可以满足使用要求。


     
电机1与电机2使用数字PID算法调速。数字PID算法是一种常用的控制算法，由等间隔时间光电编码器的数值与给定的速度值进行比较，通过PID算法，改变C8051F047的PWM的占空比，实现电机的闭环控制，即：

     
（1）其中Kp为比例系数， Ki为积分系数， Kd为微分系数， T为采样周期[3]。电机3和电机4只用来控制支架升降，对速度无具体要求，因此只需采集编码器脉冲数。
     
3.1.3 数据传输
     
机器人爬行时，要将自身状态信息、采集到的数据、抓拍的图片等信息发送给监控系统；而在特殊情况下，监控系统也要向机器人发送指令，这就需要在两者之间传输数据。设计传输距离<2Km,本文使用一对无线数传模块SRWF-108完成此功能。机器人本体的SRWF-108占用PC104上的COM1端口[4]，波特率9600bps，8位数据位，共有状态帧、指令帧和文件帧三种格式。
     
3.1.4 电源设计
     
巡线机器人在高空作业，只能使用自备电源。本文使用4节12V铅酸蓄电池，由B1205S、B1212S、LM2678等电源转换芯片得到系统需要的+12V, ±5V等电平。为了保证机器人有充足的能源，有必要监控电池电量，本文使用DS2438Z芯片，DS2438Z芯片是DALLAS 公司推出的新一代智能电池监测芯片，具有功能强大、体积小、价格低廉等优点，并且用1-Wire总线传输数据，硬件接线简单，可用来检测电池温度，电压剩余电量等参数。当发现电池电量不足时，机器人本体会向监控系统发出报警，提示更换电池。

     
3.1.5 控制系统的软件
     
PC104控制系统的软件用C语言编程，开发周期短，效率高。程序需实现数据采集、系统状态检测、串行通讯、动作输出、故障处理、异常情况处理、电源监测等功能，其程序流程图如图4所示。与监控系统的数据传输可以采用查询或中断方式，查询方式的优点是编程容易，但会占用较多的系统资源，中断方式则与之相反。机器人除了要进行串口通讯还要完成电机控制、故障处理等功能，因此查询方式不宜使用，本文使用中断方式。初始化COM1和COM1中断处理程序[5]如下：

      void InitCOM（）    /＊ 初始化COM1串口，设置串口参数＊/
      ｛  outportb（0x3fb,0x80）;  /＊将设置波特率＊/
      outportb（0x3f8,0x0c）;  /＊波特率9600＊/
      outportb（0x3f9,0x00）;   
      outportb（0x3fb,0x03）;  /＊8个数据位，1个停止位、无奇偶校验＊/
      outportb（0x3fc,0x08|0x0b）;/＊设置MCR＊/
      outportb（0x3f9,0x01）;    /＊开中断＊/  ｝
      void interrupt far asyncint（）
      ｛   char ch;
      ch=inportb（0x3f8）;/＊ch 为接收到的字符数据＊/
      …… ……｝
     
3.2 监控系统的设计
      
监控系统用Visual Basic 6.0软件开发，VB具有面向对象的可视化设计工具、事件驱动编程机制、强大的数据库操纵功能、Active技术以及应用程序集成开发环境等优点。根据机器人系统的要求，采用模块化思想开发了较完善的监控系统，其可扩展性较强，具有电池电量监测、运动状态监测、线缆故障数据库查询、手动自动切换等功能。能将输电线的故障信息保存在Access数据库中，并对故障类型、时间进行查询。

4.结束语                              
     
本文提出了一种以PC104模块为核心的机器人控制系统，解决了机器人的自主越障问题，并能识别部分线缆附件，进行无线数据传输,检查线缆状况等,为高压输电线的自动检测提供了便利。