基于變電站巡檢機(jī)器人的超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王海鵬， 王 飛，王 騫，欒貽青

（1.山東電力研究院 國家電網(wǎng)電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著電力工業(yè)向著大機(jī)組、大容量和高電壓的迅速發(fā)展，保障設(shè)備運(yùn)行的可靠性更成為安全生產(chǎn)的突出課題[1]。利用變電站機(jī)器人進(jìn)行電站設(shè)備的巡檢，可以提高工作效率和質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和巡檢危險(xiǎn)性，真正起到減員增效的作用，能更快地推進(jìn)變電站無人值守的進(jìn)程。變電站環(huán)境比較復(fù)雜，機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，既有靜態(tài)障礙物環(huán)境下機(jī)器人的巡檢任務(wù)，也有動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境下機(jī)器人的巡檢任務(wù)[2]，對(duì)障礙物的檢測成為變電站巡檢機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要課題。

本文設(shè)計(jì)了一種基于變電站巡檢機(jī)器人使用的超聲波檢測系統(tǒng)。超聲波是一種非接觸式檢測技術(shù)，不受光線和被測對(duì)象顏色等的影響，易于定向發(fā)射、方向性好和強(qiáng)度好控制等特點(diǎn)[3]，同時(shí)具有成本低和安裝方便。為了克服單超聲傳感器對(duì)空間信息檢測的盲區(qū)大和存在幻影干擾等缺點(diǎn)，本文研究采用了多超聲傳感器的機(jī)器人安全檢測技術(shù)，同時(shí)考慮到變電站強(qiáng)磁環(huán)境下，超聲波反饋信號(hào)易受干擾等問題，在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)上提出了許多防干擾措施，從而在實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的檢測效果。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATMEGA128芯片作為核心處理器，其片上集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了這一特點(diǎn)，簡化外圍電路，降低了系統(tǒng)功耗。同時(shí)在設(shè)計(jì)上，移動(dòng)機(jī)器人的超聲檢測系統(tǒng)采用了四路超聲傳感器來進(jìn)行避障物的檢測和定位[4]。根據(jù)電路中各部分實(shí)現(xiàn)的功能，整個(gè)體統(tǒng)可分為以下四個(gè)模塊：電源模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和通訊模塊等。超聲檢測系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。5V電源由12V電源經(jīng)過 RC 濾波和一個(gè)線性穩(wěn)壓器K7805變換產(chǎn)生，為單片機(jī)以及整流濾波電路提供工作電壓。考慮到超聲反饋信號(hào)對(duì)電壓的穩(wěn)定性比較敏感，為保證5V電源紋波小于100mV，在電源部分做適當(dāng)?shù)奶幚恚捎?LC-π型濾波電路。

圖2 電源電路圖

系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)原理圖中5V 電源包括模擬電源（AVCC）和數(shù)字電源（DVCC），其中DVCC為電路中數(shù)字部分提供供電壓，包括單片機(jī)及通訊電路等；而AVCC則為模擬部分提供工作電壓，包括放大器等。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，模擬電源要遠(yuǎn)離數(shù)字電源，避免對(duì)模擬電源造成干擾。

1.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用的傳感器是一體式全封閉防水超聲傳感器，此傳感器的諧振頻率為42±1k（KHz）。系統(tǒng)中采用中周變壓器對(duì)超聲傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行升壓處理，可以加大發(fā)射信號(hào)的功率，增加系統(tǒng)的檢測距離。超聲傳感器與中周的匹配很重要，否則會(huì)影響系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定性，在選擇上應(yīng)該滿足公式：

式中f為超聲傳感器的諧振頻率，L為中周變壓器的電感量，C為超聲傳感器的電容量。

圖3 超聲波發(fā)射電路

圖3為超聲波發(fā)射電路原理圖，中周工作時(shí)，會(huì)對(duì)12V電源產(chǎn)生干擾，所以在每一路超聲驅(qū)動(dòng)電路中加入一個(gè)100uF的電解電容進(jìn)行濾波，將產(chǎn)生的交流毛刺濾除，并在其輸入端兩端接一個(gè)續(xù)流二極管，保護(hù)元器件不被線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓擊穿或燒壞。單片機(jī)引腳無法直接驅(qū)動(dòng)中周，硬件電路上通過三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，圖中OC0接單片機(jī)的輸出引腳，通過該管腳單片機(jī)可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的40KHz PWM方波，來驅(qū)動(dòng)超聲傳感器工作。

1.4 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

超聲波的回波信號(hào)一般為幾mV，有時(shí)候甚至小于1mV，因此在設(shè)計(jì)接收電路時(shí)需要考慮信號(hào)的放大、整形和濾波等。由于使用的是一體式超聲傳感器，傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)后，有一定的慣性，會(huì)產(chǎn)生余振信號(hào)，如果此時(shí)進(jìn)行信號(hào)采集，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生誤報(bào)，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須在余振信號(hào)停止后再對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采集。

如圖4所示為超聲信號(hào)接收電路，接收電路主要由SIG0處直接連接超聲傳感器，用來采集超聲傳感器的回聲信號(hào)。超聲波接收電路采用LM324四運(yùn)放放大器芯片，具有電源電壓范圍寬，低功耗，自帶高增益平率補(bǔ)償，對(duì)微弱信號(hào)的放大效果好[5]，并可單電源使用。電路中，R2與R8為放大器U1A提供直流偏置點(diǎn)，偏置電壓為2.14V。原理圖中BAV99DW有兩個(gè)作用，左上角二極管起到限幅作用，它防止無超聲信號(hào)時(shí)，放大器U1B反相輸入端輸入電壓超過4V，防止共模輸入電壓越限。右下角的二極管與外圍電阻電容及放大器U1C組成倍壓檢波電路，當(dāng)有超聲信號(hào)時(shí)，放大器輸出端輸出低電平。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，超聲傳感器的信號(hào)線要遠(yuǎn)離電源并盡量短，走線寬度應(yīng)在 20mil且不要穿孔。

1.5 通訊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路中，采用撥碼開關(guān)設(shè)定報(bào)警檢測距離，每一路超聲傳感器都有一個(gè)指示燈與其對(duì)應(yīng)，指示燈與電路中的撥碼開關(guān)相互配合，當(dāng)超聲傳感器檢測到的距離少于設(shè)定的距離時(shí)，與傳感器對(duì)應(yīng)的指示燈便會(huì)亮起，起到警示作用。系統(tǒng)通訊模塊采用RS232與主機(jī)進(jìn)行通訊，在沒有障礙物情況下，系統(tǒng)會(huì)停止向主機(jī)輸出信號(hào)，在有障礙物的情況，系統(tǒng)會(huì)依次發(fā)送多路超聲傳感器與障礙物之間的距離值，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障功能。

圖4 超聲波接收電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括初始化程序、定時(shí)器中斷程序、超聲波收發(fā)程序及串口通信程序。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度及穩(wěn)定性，將系統(tǒng)安裝在機(jī)器人上在變電站現(xiàn)場進(jìn)行測試，并通過FLUKE激光測距儀對(duì)距離進(jìn)行標(biāo)定。表1 是測量數(shù)據(jù)與測距儀標(biāo)定數(shù)據(jù)比照表，檢測數(shù)據(jù)最大誤差約為0.5%。應(yīng)用數(shù)據(jù)說明該系統(tǒng)測試結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)用效果良好。

表1 測量數(shù)據(jù)與測距儀標(biāo)定數(shù)據(jù)比照表

3 結(jié)束語

該超聲檢測系統(tǒng)通過硬件及軟件上的一系列抗干擾措施，成功解決了變電站環(huán)境復(fù)雜、強(qiáng)磁干擾的問題。在機(jī)器人進(jìn)行巡檢任務(wù)過程中，該系統(tǒng)有效地維護(hù)了機(jī)器人的運(yùn)行安全，提高了機(jī)器人的可靠性，拓寬了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

[1] 孫國凱, 韓剛.變電站巡檢方式對(duì)比及其智能巡檢機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[J].電氣時(shí)代2008(7): 92-94

[2] 劉喜昂, 周志宇.基于多超聲傳感器的機(jī)器人安全避障技術(shù)[J].測控技術(shù), 2004(3): 71-73

[3] 陳可中, 譚 翔, 董建杰, 等.紅外測溫儀的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù), 2007(10): 11-14

[4] 楊東鶴, 劉喜昂.智能移動(dòng)機(jī)器人的超聲避障研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2007(15): 3659-3660

[5] 杜婧, 孫志峰, 等.基于NIR技術(shù)的PET/PVC廢舊塑料分離系統(tǒng).傳感器與微系統(tǒng)[J], 2011(9): 98-101