基于嵌入式PC104工控機和C8051F047單片機實現機器人系統的設計
2020-6-30 來源：-- 作者：-
1.引言
高壓輸電線及桿塔附件長期暴露在野外，因受到持續的機械張力、電氣閃絡、材料老化的影響而產生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時修復更換，原本微小的破損和缺陷就可能擴大，最終導致嚴重事故。因此，電力公司需要定期對線路設備進行巡檢，及時發現早期損傷和缺陷并加以評估，根據評估結果安排必要的維護和修復，從而確保供電的安全可靠性。傳統的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對于山區和大江大河等的輸電線路巡檢存在很大困難，甚至一些巡檢項目靠常規方法都難以完成。因此，采用機器人自動巡線成為保障高壓輸電線安全運行的一種必要手段。
高壓輸電線路巡線機器人屬于特種機器人的研究范疇，主要完成高壓供電線纜的無損探傷、懸垂絕緣子絕緣特性檢測、輸電線附件輸電性能測試、機械連接牢固性檢查、線纜異物清除等高空作業。國外在巡線機器人領域的研究起步較早，研究水平較高，1988年，日本東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復合架空地線巡檢移動機器人，該機器人可以沿地線爬行，遇到障礙物時，可以通過弧形手臂輔助跨越。加拿大魁北克水電研究院的Montambault等人于2000年研制成功了輸電線遙控機器人，該遙控機器人可以消除電力傳輸線上的積冰，并可以用來線路巡檢平臺。國內關于輸電線路巡線機器人的研究還處于起步階段，只有武漢水利大學、山東大學、中科院等作過一些研究。
2.機器人概述
由于高壓輸電線的線纜附件種類多、形狀復雜，因此，越障成為巡線機器人要具備的首要功能。本文所述的機器人采用3個自由擺動的吊臂跨越線纜附件，當遇到障礙物時擺動3個吊臂，使3個吊臂依次通過障礙物。機器人本體如圖1所示，該機器人可以在四分裂、二分裂、單股等高壓輸電線纜上爬行，可自主跨越懸垂絕緣子、隔離棒、防振錘、線夾等線纜附件，具有輸電線纜的檢測功能。機器人綜合性能指標如下：1）本體外形：850×300×700mm；2）本體重量45Kg；3）纜徑適應性Ф10～Ф25mm；4）移動速度0～25m/min；5）爬升角度0～30°；6）控制方式：自主運行和主從遙控操作；7）故障處理：手動/自動。
基于嵌入式PC104工控機和C8051F047單片機實現機器人系統的設計
圖1 機器人本體示意圖
3.控制系統的設計
機器人的控制系統分本體控制系統和地面監控系統兩部分，如圖2 所示。本體控制系統用來規劃機器人的運動軌跡，控制機器人運動構件，確保機器人可靠快速的越過障礙物，并實現與地面基站的命令、數據的遠距離傳輸；地面監控系統實現機器人的手動/自動控制，并監控機器人的穩定運行。為機器人設計自動和手動兩套控制系統的增加了機器人的靈活性與可靠性，當其中一套系統發生故障時可啟動另一套控制系統，另外在某些特殊的場合可只用手動系統，降低了機器人野外作業的難度，增加了機器人的應用性。
3.1 機器人本體控制系統的設計
機器人本體的控制系統以嵌入式PC104工控機為核心，并配有輸入輸出擴展板HT-750和A/D采集擴展板PM-516。采用PC104 作為核心模塊， 可將主要精力放在軟件和接口的設計上， 而且PC104 的開發、維護和擴展都非常方便。PC104與通用PC和PC/AT標準（IEEE P996） 完全兼容， 可以很快掌握其軟、硬件的使用， 并且具備嵌入式控制的特殊要求，為嵌入式應用提供了標準的系統平臺。
3.1.1故障檢測
輸電線纜附件種類多，形狀復雜，對機器人判斷障礙物類型帶來了極大的困難。因此有必要攜帶多種傳感器，將多種線路故障檢測器集成到巡線機器人移動平臺上，運用多傳感器信息融合技術，以便提高故障探測的效率、精度和準確度。主要的傳感器有CCD視覺模塊、紅外溫度傳感器、超聲波傳感器等。
視覺檢測CCD模塊使用PC104上的COM2串口，用于識別高壓輸電線各類附件，從原始圖像中找到目標（防振錘、絕緣子、連接金具、隔離棒等附件）所在區域，利用圖像處理技術，提取障礙物特征尺寸，自動判斷輸電線路上的障礙物類型、距離，并向機器人運動控制單元提供越障信息，形成下一步的越障策略。另外，視覺檢查一般能發現架空線表面故障現象，如輸電線表面損傷，連接金具松脫等；紅外溫度傳感器則利用高壓輸電線在故障點會產生異常溫升的特點，檢測線纜的異常溫升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳感器來檢測線纜的異常溫升，以達到檢測線纜故障的目的。
3.1.2運動控制
由于機器人的動作較復雜，多數吊臂式巡線機器人采用多電機驅動方案，即用6個電機實現擺動吊臂與行走輪轉動。這種方案機器人較為靈活，但多電機增加了機器人的重量，不利于機器人自身平衡。本文用2個電機實現需要的動作，通過3個電磁離合器與圖2中的電機1配合控制三個吊臂的擺動，用電機2控制機器人行走。為了增加檢測的靈活性，在機器人上增加了兩個可升降的傳感器支架，分別用電機3和電機4帶動。驅動框圖如圖3所示，用Silicon Lab公司的高性能單片機C8051F047和H橋組件LMD18200T來驅動電機。LMD18200T是美國國家半導體公司（NS）推出運動控制專用H橋組件，內部集成了CMOS控制電路和DMOS驅動電路，峰值輸出電流高達6A，連續輸出電流3A，工作電壓高達55V，具有溫度報警和過熱與短路保護功能。本文所選電機的連續堵轉電流在3A左右，因此選用LMD18200T芯片可以滿足使用要求。
電機1與電機2使用數字PID算法調速。數字PID算法是一種常用的控制算法，由等間隔時間光電編碼器的數值與給定的速度值進行比較，通過PID算法，改變C8051F047的PWM的占空比，實現電機的閉環控制，即：
（1）其中Kp為比例系數， Ki為積分系數， Kd為微分系數， T為采樣周期。電機3和電機4只用來控制支架升降，對速度無具體要求，因此只需采集編碼器脈沖數。
3.1.3 數據傳輸
機器人爬行時，要將自身狀態信息、采集到的數據、抓拍的圖片等信息發送給監控系統；而在特殊情況下，監控系統也要向機器人發送指令，這就需要在兩者之間傳輸數據。設計傳輸距離《2Km，本文使用一對無線數傳模塊SRWF-108完成此功能。機器人本體的SRWF-108占用PC104上的COM1端口，波特率9600bps，8位數據位，共有狀態幀、指令幀和文件幀三種格式。
3.1.4 電源設計
巡線機器人在高空作業，只能使用自備電源。本文使用4節12V鉛酸蓄電池，由B1205S、B1212S、LM2678等電源轉換芯片得到系統需要的+12V， ±5V等電平。為了保證機器人有充足的能源，有必要監控電池電量，本文使用DS2438Z芯片，DS2438Z芯片是DALLAS 公司推出的新一代智能電池監測芯片，具有功能強大、體積小、價格低廉等優點，并且用1-Wire總線傳輸數據，硬件接線簡單，可用來檢測電池溫度，電壓剩余電量等參數。當發現電池電量不足時，機器人本體會向監控系統發出報警，提示更換電池。
3.1.5 控制系統的軟件
PC104控制系統的軟件用C語言編程，開發周期短，效率高。程序需實現數據采集、系統狀態檢測、串行通訊、動作輸出、故障處理、異常情況處理、電源監測等功能，其程序流程圖如圖4所示。與監控系統的數據傳輸可以采用查詢或中斷方式，查詢方式的優點是編程容易，但會占用較多的系統資源，中斷方式則與之相反。機器人除了要進行串口通訊還要完成電機控制、故障處理等功能，因此查詢方式不宜使用，本文使用中斷方式。初始化COM1和COM1中斷處理程序［5］如下：
void InitCOM（） /＊ 初始化COM1串口，設置串口參數＊/
｛ outportb（0x3fb，0x80）; /＊將設置波特率＊/
outportb（0x3f8，0x0c）; /＊波特率9600＊/
outportb（0x3f9，0x00）;
outportb（0x3fb，0x03）; /＊8個數據位，1個停止位、無奇偶校驗＊/
outportb（0x3fc，0x08|0x0b）;/＊設置MCR＊/
outportb（0x3f9，0x01）; /＊開中斷＊/ ｝
void interrupt far asyncint（）
｛ char ch;
ch=inportb（0x3f8）;/＊ch 為接收到的字符數據＊/
…… ……｝
3.2 監控系統的設計
監控系統用Visual Basic 6.0軟件開發，VB具有面向對象的可視化設計工具、事件驅動編程機制、強大的數據庫操縱功能、Active技術以及應用程序集成開發環境等優點。根據機器人系統的要求，采用模塊化思想開發了較完善的監控系統，其可擴展性較強，具有電池電量監測、運動狀態監測、線纜故障數據庫查詢、手動自動切換等功能。能將輸電線的故障信息保存在Access數據庫中，并對故障類型、時間進行查詢。
4.結束語
本文提出了一種以PC104模塊為核心的機器人控制系統，解決了機器人的自主越障問題，并能識別部分線纜附件，進行無線數據傳輸，檢查線纜狀況等，為高壓輸電線的自動檢測提供了便利。
（來源：電子發燒友）
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