變電站智能巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 鵬，王海鵬，曹 雷，王明瑞，孫大慶，曹 濤

XIAO Peng1, WANG Hai-peng1, CAO Lei2, WANG Ming-rui2, SUN Da-qing2, CAO Tao2

（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

隨著科技進(jìn)步和電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度已有了很大提高，很多變電站實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能，為少人或無人值班變電站，但一定程度上都還存在因無人在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)監(jiān)視、巡視而帶來的一系列問題甚至留下隱患[1,2]。變電站智能巡檢機(jī)器人則可攜帶檢測(cè)設(shè)備對(duì)變電站內(nèi)電力設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，在一定程度上解決了上述問題。變電站智能巡檢機(jī)器人對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的工作流程為：首先機(jī)器人按預(yù)定路線運(yùn)行至指定位置；然后調(diào)用安裝于機(jī)器人頂部云臺(tái)的預(yù)置位功能，云臺(tái)帶動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)待檢電力設(shè)備；最后采集電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控后臺(tái)。在整個(gè)檢測(cè)過程中，云臺(tái)處于承上啟下的位置，其性能直接影響到巡檢機(jī)器人完成巡檢任務(wù)的質(zhì)量。

由于各個(gè)變電站內(nèi)環(huán)境一般都不相同，并且待檢電力設(shè)備數(shù)量眾多，這就要求云臺(tái)具有控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)置位數(shù)量大、便于集成等特點(diǎn)。目前，云臺(tái)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品基本上都只有諸如64、128、256等這些有限數(shù)量的預(yù)置位且控制協(xié)議相對(duì)封閉，很多情況下無法滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)多種功能實(shí)現(xiàn)的需要。針對(duì)巡檢任務(wù)對(duì)云臺(tái)性能需求的特殊性，本文設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制系統(tǒng)，詳細(xì)描述了其軟硬件的設(shè)計(jì)過程。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

本文所述云臺(tái)本體采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固，具有IP67防護(hù)等級(jí)，最大載重16Kg，運(yùn)行范圍水平為0°至365±2°，垂直為-20°至90°，齒輪嚙合間隙小于0.1°；云臺(tái)控制電路采用優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)及合理抗干擾措施，保證了其能在惡劣的電磁環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；系統(tǒng)軟件方面，采用了基于時(shí)間和事件觸發(fā)的混合式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，并利用了自頂向下逐步求精的開發(fā)方法，保證了控制軟件的高可靠性和實(shí)時(shí)性；通過軟硬件的配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)云臺(tái)姿態(tài)的高精度控制、云臺(tái)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)可在線設(shè)置和查詢、預(yù)置位多達(dá)1000個(gè)（硬件存儲(chǔ)時(shí)）至無窮多個(gè)（需控制協(xié)議配合）等一系列功能，保證了巡檢機(jī)器人可靠高效的完成巡檢任務(wù)。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示的云臺(tái)控制系統(tǒng)包含直流伺服電機(jī)、角度傳感器、硬件限位和云臺(tái)控制板4部分，它們分別負(fù)責(zé)云臺(tái)水平和垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)、位置反饋、行程保護(hù)和系統(tǒng)控制，整個(gè)系統(tǒng)采用機(jī)器人內(nèi)部24V電池供電，并通過RS485總線與機(jī)器人工控機(jī)連接，工控機(jī)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)器人監(jiān)控后臺(tái)下發(fā)的云臺(tái)控制指令至云臺(tái)控制板。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

云臺(tái)控制系統(tǒng)硬件核心是云臺(tái)控制板，如圖2所示，其由微處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、角度采樣模塊、通信模塊及供電模塊五部分構(gòu)成。

圖2 云臺(tái)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 微處理器模塊

該模塊由ATmega128單片機(jī)與外圍IO電路構(gòu)成。ATmega128單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的AVR?8位微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和指令集，由于其單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS[3]。單片機(jī)內(nèi)128K字節(jié)程序存儲(chǔ)器和4K字節(jié)EEPROM被分別用來存儲(chǔ)控制系統(tǒng)程序、系統(tǒng)參數(shù)和預(yù)置位數(shù)據(jù)；該模塊利用片上PWM輸出口與電機(jī)控制模塊連接，云臺(tái)角度采樣模塊和通信模塊則分別與單片機(jī)SPI端口和串行口連接。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

根據(jù)云臺(tái)負(fù)載條件，云臺(tái)水平和俯仰各伺服電機(jī)通過的最高電流可達(dá)2A，本文選用了美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H 橋驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200。該芯片最高工作電壓可達(dá)55V，峰值輸出電流可高達(dá)6A，能持續(xù)輸出3A電流，并具有溫度報(bào)警和過熱保護(hù)功能[4]，由于其集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)常用功能，可有效減少外圍電路原器件數(shù)量，有助于提高系統(tǒng)可靠性。該模塊原理圖如圖3所示（以水平方向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為例，垂直方向與水平方向電路相同）。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

2.3 角度采樣模塊

由于云臺(tái)水平和垂直運(yùn)行角度采用模擬量反饋方式，因此需要對(duì)得到的模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，雖然ATmega128單片機(jī)集成了片上AD轉(zhuǎn)換功能，由于其為10位分辨率，云臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)時(shí)其角度分辨率最高約為0.36°（以一周365°計(jì)算，下同），因云臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)精度小于0.1°，故不能達(dá)到所需定位精度。本文外擴(kuò)一片12位AD轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，從而將云臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)的角度分辨率提高至0.09°。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程，提供的最大采樣速率為66ksps，工作范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，供電電流僅需1mA（典型值）[5]，由于其數(shù)據(jù)傳輸使用SPI串行通訊端口，可以很方便的與ATmega128連接。

2.4 通信和供電模塊

通信和外圍供電電路設(shè)計(jì)主要從提高硬件電路抗干擾性出發(fā)，對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。通信模塊選擇了RS485通信方式，同時(shí)采用通信模塊電源與微處理器模塊電源隔離及信號(hào)傳輸光電隔離等手段，切斷干擾由通信線路傳輸至微處理器控制電路的通道，降低了干擾由通信線路引入的可能性。考慮到系統(tǒng)電源會(huì)受到云臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷換向及PWM輸出的干擾，通過增加PCB內(nèi)部電源層和地層、合理的元器件布局及增加去耦電容等方法予以抑制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)好后，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是最重要的部分，由于系統(tǒng)功能主要利用軟件實(shí)現(xiàn)，這樣就使得硬件電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和成本低可以得到實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也方便日后對(duì)系統(tǒng)功能的升級(jí)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含系統(tǒng)功能、控制算法和控制軟件的設(shè)計(jì)三部分。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人在控制云臺(tái)過程中，一方面需要云臺(tái)能夠按要求動(dòng)作，另一方面也需要云臺(tái)滿足一些特殊的功能要求，如參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等。根據(jù)這些要求，云臺(tái)控制系統(tǒng)提供的主要功能有：云臺(tái)姿態(tài)調(diào)整、預(yù)置位設(shè)置及調(diào)用、直接數(shù)據(jù)控制、控制參數(shù)設(shè)置、控制精度補(bǔ)償、云臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)查詢等。值得說明的是，“直接數(shù)據(jù)控制”功能是指云臺(tái)可以通過協(xié)議接收數(shù)據(jù)并運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)姿態(tài)的一種云臺(tái)控制方式，云臺(tái)預(yù)置位可獨(dú)立于云臺(tái)控制板存儲(chǔ)，因此允許預(yù)置位以任意方式存儲(chǔ)于任意位置，而預(yù)置位個(gè)數(shù)也可達(dá)到無限多個(gè)。

為方便系統(tǒng)功能的使用，本文開發(fā)了一套私有的云臺(tái)控制協(xié)議，巡檢機(jī)器人可通過該控制協(xié)議訪問云臺(tái)控制系統(tǒng)功能，此外本文所述云臺(tái)控制系統(tǒng)也支持其它標(biāo)準(zhǔn)云臺(tái)控制協(xié)議，如：PELCO_D、PELCO_P等，因此其也可應(yīng)用于一般安防監(jiān)控領(lǐng)域。控制系統(tǒng)私有協(xié)議幀格式如圖4所示。

圖4 云臺(tái)控制協(xié)議幀格式

圖4所示幀長(zhǎng)度固定為9個(gè)字節(jié)，其中： SYN字節(jié)為同步字節(jié)，以指示協(xié)議的開頭；ADR為地址字節(jié)，用以支持總線上的多個(gè)云臺(tái)的識(shí)別；C1和C2節(jié)為功能字節(jié)，該字節(jié)表明當(dāng)前云臺(tái)需要完成的要功能；D1至D4為數(shù)據(jù)字節(jié)，包含了功能所需的標(biāo)志或參數(shù)；CHK字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)。

3.2 控制算法設(shè)計(jì)

云臺(tái)控制主要是對(duì)云臺(tái)運(yùn)行速度和姿態(tài)的控制。由于無速度反饋，因此云臺(tái)運(yùn)行速度控制為開環(huán)控制，水平和垂直運(yùn)行速度直接由PWM脈寬占空比給出，而云臺(tái)姿態(tài)控制則需要根據(jù)水平和垂直方向上的角度反饋閉環(huán)進(jìn)行。為精確的控制云臺(tái)姿態(tài)，文本使用了PID控制方法，其離散的PID控制律為

式中：u(k)為k時(shí)刻控制器的輸出量；KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e(k)為當(dāng)前時(shí)刻的云臺(tái)水平（垂直）方向當(dāng)前角度值與期望值之差；e(k-1)為上次采樣時(shí)刻的云臺(tái)水平（垂直）方向角度值與期望值之差。

在PID控制中，積分環(huán)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。對(duì)于本控制系統(tǒng)，由于直接利用角度偏差進(jìn)行控制，角度偏差在控制開始階段較大，如果此時(shí)引入積分環(huán)節(jié)就會(huì)造成PID的積分累積，導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)較大，不利于云臺(tái)動(dòng)作的穩(wěn)定性。因此，本文針對(duì)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用了積分分離PID控制，控制算法的執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)積分分離PID計(jì)算流程

圖5中當(dāng)系統(tǒng)偏差e(k)絕對(duì)值大于ε（設(shè)定的偏差閾值）時(shí)，取消積分環(huán)節(jié)，采用PD控制，避免由于積分累積引起系統(tǒng)較大的超調(diào)；當(dāng)e(k)小于等于ε時(shí)，引入積分環(huán)節(jié)，采用PID控制，以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。積分分離PID控制算法可表示為

式中，α為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)，當(dāng)|e(k)|＞ε時(shí)取1，否則取0。

3.3 控制軟件設(shè)計(jì)

對(duì)云臺(tái)運(yùn)行過程分析可知，云臺(tái)角度采樣和電機(jī)控制是控制系統(tǒng)始終需要關(guān)注的核心功能，與其相關(guān)的代碼應(yīng)由系統(tǒng)周期性地執(zhí)行。另一方面，控制系統(tǒng)也需要處理一些隨機(jī)性事件，如：與外部通信、異常事件輸入等。為此云臺(tái)控制系統(tǒng)采用了基于時(shí)間和事件觸發(fā)的混合式系統(tǒng)架構(gòu)，一個(gè)周期性執(zhí)行的系統(tǒng)任務(wù)完成電機(jī)控制、角度采樣、系統(tǒng)狀態(tài)采集等功能，而其它隨機(jī)性事件則交由各自的中斷處理例程處理。控制軟件主要包含采樣控制程序和通信解碼程序，其程序執(zhí)行流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)的核心功能軟件流程圖

圖6（a）所示流程中，考慮到云臺(tái) “速度控制”為開環(huán)控制，而“姿態(tài)控制”為閉環(huán)控制，兩種控制量增量的計(jì)算方式不同，程序流程中對(duì)此進(jìn)行了判斷并分別處理；為了保證云臺(tái)平穩(wěn)精確的運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的加速度和速度進(jìn)行限制，在程序流程中是通過對(duì)控制量增量和絕對(duì)控制量的限制予以實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)現(xiàn)上，由單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)周期性的定時(shí)器中斷，本程序流程代碼在中斷處理程序中執(zhí)行。圖6（b）為由串口中斷接收完一幀數(shù)據(jù)后的解碼執(zhí)行流程，其主要完成了數(shù)據(jù)校驗(yàn)、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝，協(xié)議轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)功能調(diào)用功能。

4 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證云臺(tái)控制精度，防止因控制精度不夠?qū)е碌脑婆_(tái)姿態(tài)不準(zhǔn)的情況。實(shí)驗(yàn)中先將裝有可見光攝像機(jī)的云臺(tái)固定于云臺(tái)底座上；之后調(diào)整云臺(tái)姿態(tài)，使攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)預(yù)先安放標(biāo)志物并設(shè)定預(yù)置位（為便于后續(xù)計(jì)算，此時(shí)的攝像機(jī)處于水平位置），同時(shí)采集攝像機(jī)圖片并記錄此時(shí)的水平和垂直角度AD采樣值分別為3105和1945；然后再控制云臺(tái)使攝像機(jī)偏移后再調(diào)用該預(yù)置位，當(dāng)云臺(tái)運(yùn)行到位后再次讀取角度AD采樣值并與之前采樣值相減，取絕對(duì)值后得到控制誤差。連續(xù)測(cè)試5次后采集到得數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試中使用了三星SDZ-375攝像機(jī)，其鏡頭與標(biāo)志物距離為17m，采集圖像由攝像機(jī)放大37倍。

表1 云臺(tái)控制精度測(cè)試

從上面得到的結(jié)果看，各個(gè)圖像偏離程度基本一致，且得到的控制誤差基本一致，其1個(gè)AD采樣單位的跳動(dòng)（AD采樣值變化1）為AD量化誤差（系統(tǒng)誤差），由此可知云臺(tái)控制可以達(dá)到較高的精度。

5 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)控制系統(tǒng)控制精度良好，云臺(tái)姿態(tài)準(zhǔn)確，可以完全滿足巡檢機(jī)器人對(duì)云臺(tái)性能的要求。另外云臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，保證了巡檢機(jī)器人可靠高效的完成巡檢任務(wù)，同時(shí)得益于模塊化的控制軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件升級(jí)方便，可以更好的適應(yīng)今后巡檢機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)云臺(tái)系統(tǒng)提出的不同種類的需求。

[1]魯守銀,錢慶林,張斌,等.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(13):94-98.

[2]李向東,魯守銀,王宏,等.一種智能巡檢機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人,2005,27(6):502-506.

[3]Atmel Corporation.ATmega128 Datasheet[DB/OL].Revision V,updated 2/11.

[4]Texas Instruments Corporation.TLC2543 Datasheet[DB/OL].2001.

[5]National Semiconductor Corporation.LMD18200 Datasheet[DB/OL].2005.