變電站巡檢機器人運動控制系統研究

朱興柯 葉 飛 李 斌 李雪松

(1.云南電網公司普洱供電局，云南 普洱 665000；2.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南 250101)

變電站巡檢機器人運動控制系統研究

朱興柯1葉 飛2李 斌1李雪松2

(1.云南電網公司普洱供電局，云南 普洱 665000；2.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南 250101)

針對變電站特殊的應用環境，為保證巡檢機器人的運行可靠性和停車定位精度，研究設計了變電站巡檢機器人運動控制系統。重點論述其行走方式、引導與定位方式、系統軟硬件設計、運動控制算法等。通過磁軌跡引導與RFID定位，確定機器人本體姿態和位置，簡單可靠，定位精度高，抗干擾能力強。通過兩驅動輪差速，兩萬向輪隨動，跟蹤磁軌跡，執行運動控制指令，控制靈活，可靠性高。采用S曲線加減速、比例微分尋磁、分段補償等運動控制算法，運動沖擊小，控制誤差小。經過工程驗證，設計的運動控制系統能夠滿足變電站巡檢機器人的應用要求。

變電站；巡檢機器人；運動控制；算法

0 引言

隨著社會經濟快速發展，電力需求日益增長，電力系統自動化要求日益提高。變電站人工巡檢方式存在勞動強度大、實時性差、管理難、數字化不便等缺陷，已經不能滿足智能電網的發展要求，也不符合技術發展的趨勢。機器人巡檢逐步替代人工巡檢已經成為電力系統自動化的應用重點[1-3]。

變電站智能巡檢機器人整合機器人技術、電力設備非接觸檢測技術、多傳感器融合技術、模式識別技術、導航定位技術，采用自主或遙控方式對變電站室外一次設備進行可見光、紅外、聲音等檢測，對巡檢數據進行對比和趨勢分析，及時發現電網運行的事故隱患和故障先兆，如異物、損傷、發熱、漏油等。能夠實現變電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監控，有效降低勞動強度及變電站運維成本，提高正常巡檢作業和管理的自動化和智能化水平，為智能變電站和無人值守變電站提供創新型的技術檢測手段和全方位的安全保障，具有廣闊的發展空間和應用前景。變電站巡檢機器人現場運行如圖1所示。

圖1 變電站巡檢機器人現場運行圖

運動控制系統負責解決變電站巡檢機器人運動與追蹤的核心問題，其性能參數直接影響機器人運行的穩定性和停車定位精度，進而影響獲取電力設備狀態數據的準確性，最終影響檢測結果的可信度。目前已有的變電站巡檢機器人運動控制系統主要存在的問題在于可靠性較差、停車定位精度不高、不能完全滿足變電站設備巡檢的應用要求。本文針對變電站特殊的應用環境，研究設計了巡檢機器人運動控制系統。重點論述行走方式、引導與定位方式、系統軟硬件設計、運動控制算法等[4-5]。

1 行走方式

行走方式選擇關系到運動控制系統的控制策略，是巡檢機器人在變電站路況環境下高速高精度穩定運行的重要基礎。巡檢機器人的行走方式主要有輪式和履帶式。

1.1 輪式

輪式機構是應用最廣泛的行走方式之一。輪式機構具有移動靈活、機械結構簡單、機械效率高、運動控制相對容易等優點。在相對平坦的地面上，輪式機構具有突出優勢，運行速度較高。但是輪式移動機構越過壕溝、臺階的能力較低。由于與地面接觸面積小，其在比較柔軟、光滑的路面易發生沉陷或打滑現象。

1.2 履帶式

履帶式移動機器人支撐面積大，接地比壓小，在松軟或泥濘場地作業，通過性能好。主要應用于負載較重、地面崎嶇、需要越溝坎、爬樓梯的場合。履帶式移動機器人的缺點主要有運行速度相對較低、轉向不靈活、減振性能差、運動噪聲較大、功耗大，而且對地面有較大的剪切破壞作用，當地面環境惡劣時，履帶可能磨損甚至磨斷。履帶機械結構復雜，整體重量大，行走功耗也相對較大。

通過對巡檢機器人行走方式的長期跟蹤研究，從地形適應能力、運行速度、控制精度、功耗、技術成熟度和可靠性、生產加工便利性、設計難易程度等角度綜合分析，在變電站地面相對平坦的情況下，巡檢機器人行走系統適宜采用輪式結構。本文采用兩輪差速驅動，兩輪萬向隨動，具有結構簡單、控制靈活、運行速度較高等突出優勢[6]。

2 引導與定位方式

在變電站巡檢任務中，機器人按照規劃路徑行駛，在指定位置?？?，進行設備檢查。整個運行過程完全自動化，無需人工干預。運行控制系統要保證機器人不偏離軌道，準確?？?，必須依靠輔助裝置提供地理信息。本文中運動控制系統通過磁軌跡引導與RFID定位，獲取機器人的位置和姿態信息，原理示意圖如圖2所示。

圖2 巡檢機器人引導與定位方式原理示意圖

在規劃的機器人巡檢路線下鋪設磁條，由機器人前部的磁傳感器陣列檢測機器人相對于磁軌跡的偏移。根據偏移信息，電機驅動控制模塊控制驅動輪差速，萬向輪隨動，調整機器人運行姿態，跟蹤磁軌跡。在巡檢路線的相應位置預埋RFID標簽，RFID標簽的串號與地理位置一一對應。機器人運動時，RFID讀卡器讀取標簽串號并上傳給工控機。工控機根據標簽串號判斷機器人所處位置，下發停車、轉彎、調速等相應控制指令給電機驅動控制器，進行運動狀態調整。磁軌跡引導與RFID定位簡單可靠，精度較高，對傳感器要求低，抗干擾能力強[7]。

3 系統硬件設計

運動控制系統硬件構成如圖3所示，主要包括CPU控制器、PWM信號輸出、電機驅動器、編碼器采集模塊、外部存儲、串口通信、磁傳感器與接口轉換模塊等[8]。

圖3 運動控制系統硬件框圖

主要組成部分功能如下：(1) CPU控制器：采用高性能、低功耗、寬電壓的8位微處理器ATmega128L，工作于16 MHz時性能可達16 MIPS。外設豐富，完全滿足系統功能要求。(2) 串口通信：通過串口與上位工控機進行信息交互。(3) PWM輸出和編碼器采集：PWM信號經過施密特觸發器后接入驅動器，控制永磁無刷直流電機。電機編碼器Z相信號經施密特觸發器接入CPU中斷源，計算一般行駛距離。B相脈沖經施密特觸發器接入CPU中斷源，計算停車定位距離。A/B相信號經D觸發器接入CPU普通I/O引腳，判斷運動方向。(4) 磁傳感器和超聲傳感器：經過接口轉換，磁傳感器信號和超聲傳感器信號接入CPU，判斷機器人運行姿態和障礙物情況。(5) 外部存儲器：存儲配置信息和故障記錄等。采用256 kB非易失性存儲器，內置實時時鐘、看門狗、電壓監測等功能。

4 系統軟件設計

運動控制系統接收上位機控制命令后，進行解析，執行命令并反饋狀態。執行完成后，繼續等待新命令到來。根據運動控制系統功能要求，對軟件進行模塊劃分，如圖4所示。主要包括速度計算模塊、距離計算模塊、運動控制模塊、尋磁算法模塊、停障算法模塊、串口通信模塊、事項存儲模塊、實時時鐘模塊等[8]。

圖4 軟件功能模塊劃分

各模塊主要功能如下：(1) 速度計算模塊：根據編碼器信號，判斷電機方向和速度。(2) 距離計算模塊：根據編碼器信號，判斷從指定時刻或位置開始的電機行駛距離。(3) 運動控制模塊：控制機器人運動狀態，如直行、轉彎、停止、調速等。(4) 尋磁算法模塊：根據磁傳感器信號，計算機器人相對磁軌跡的偏離程度。(5) 停障算法模塊：根據超聲信號，判斷有無障礙，避免發生碰撞事故。(6) 串口通信模塊：按照一定的通信協議，與工控機進行信息交互。(7) 事項存儲模塊：以事項形式非易失性存儲命令執行和異常發生時的狀態。(8) 實時時鐘模塊：提供日期和時間信息，可軟件校時，防掉電丟失。各功能模塊共同構成運動控制系統軟件，完成命令處理、信息反饋、運動控制等任務。各模塊不是孤立存在的，而是緊密聯系、相互協作的，如運動控制模塊中就必須調用尋磁算法模塊。

5 運動控制算法分析

5.1 S曲線加減速算法

巡檢任務中，機器人在檢測點位置頻繁啟停，如果沒有合適的加減速算法，很容易產生抖動，影響電機壽命，定位精度也難以保證。本文選擇S曲線加減速算法控制啟停，保證機器人平滑穩定運行，降低機械零件的磨損，提高可靠性。因為系統速度變化曲線呈S形，所以稱為S曲線控制算法，這是一種速度和加速度變化都非常平滑的加減速運動控制算法。一個完整的S曲線應包括加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速和減減速7個階段。

5.2 比例微分尋磁算法

機器人底盤前方固定有8個磁傳感器，組成磁傳感器陣列。磁傳感器檢測到磁信號后，輸出高電平。通過對磁傳感器進行位置編碼，為尋磁算法比例調速環節提供支持。將單個磁傳感器位置從左至右進行權值編碼。當相鄰磁傳感器同時亮起時，位置編碼進行加權計算。為保證機器人跟蹤磁軌跡快速平穩，尋磁算法還引入微分調速環節。根據機器人相對磁軌跡的偏離趨勢提前反應，及時調整左右輪速度，每5 ms存儲一組磁傳感器偏離數據，共存儲100組，并通過平滑濾波去除干擾。

5.3 分段補償誤差算法

機器人的定位精度受諸多因素影響，比如讀卡器讀取RFID標簽的位置和速度、控制算法的誤差等。經測試，機器人的運動誤差隨速度增加會放大。通過進一步采用分段補償誤差措施，提高不同速度情況的定位精度。使機器人在1.2 m/s速度下定位誤差小于2 cm，工程應用效果良好。

5.4 脈沖計數轉換算法

機器人直行指定距離和以1/2驅動輪輪距為回轉半徑轉過指定角度，都是通過計算轉換編碼器脈沖數實現的。電機每轉一圈編碼器輸出500個B相脈沖。驅動輪周長為88 cm，齒輪減速比為43。即機器人直行1 cm距離對應43×500÷88=244個編碼器B相脈沖。當2個驅動輪速度大小相等、方向相反時，機器人以驅動輪輪距中心為圓心原地轉彎。驅動輪輪距為49.2 cm，當原地回轉360°時，驅動輪走過的距離為π×49.2=154.5 cm，即每轉過1°對應的B相脈沖數為(154.5÷360)×244=105個。

6 結語

巡檢機器人實現了變電站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監控，為智能變電站和無人值守變電站提供了創新型的技術檢測手段和全方位的安全保障，具有廣闊的發展空間和應用前景。

本文介紹的變電站巡檢機器人運動控制系統采用磁軌跡引導與RFID定位，兩輪驅動差速，兩輪萬向隨動，結構簡單，可靠性高，控制靈活，抗干擾能力強。采用S曲線加減速、比例微分尋磁、分段補償誤差等運動控制算法，運動沖擊小，停車定位精度高。經工程驗證，能夠滿足變電站巡檢機器人的應用要求。

[1] 高青，馮李軍，張鵬.智能巡檢機器人的研究[J].電氣時代，2012(4)

[2] 卞琳.基于無線通信技術的智能巡檢系統的應用研究[D].北京：華北電力大學，2012

[3] 毛琛琳，張功望，劉毅.智能機器人巡檢系統在變電站中的應用[J].電網與清潔能源，2009(9)

[4] 李靜.變電站智能巡檢系統研究[D].青島：青島理工大學，2012

[5] 厲秉強，張海龍，楊墨，等.基于移動機器人的智能化變電站視頻綜合監控系統：中國，201120274352.8[P].2012-02-08

[6] 侯國慶.移動機器人行走系統的運動學分析和穩定性研究[D].天津：河北工業大學，2007

[7] 楊墨，隋天日，曹濤，等.變電站巡檢機器人自動充電系統[J].制造業自動化，2013(3)

[8] 欒貽青，孫大慶，曹濤，等.變電站智能巡檢機器人多傳感器融合的組合定位系統：中國，202058039[P].2011-11-30

2014-09-04

朱興柯(1976—)，男，云南會澤人，高級工程師，研究方向：變電運行管理和基于智能機器人的設備巡視。