互感器現場試驗智能輔助裝置控制系統設計

張　屹　孔　亮　曾　進

(三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌　443002)

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互感器現場試驗智能輔助裝置控制系統設計

張屹孔亮曾進

(三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌443002)

為解決工作人員檢定互感器時需要進行登高作業的問題，文章以變電站的互感器檢定項目為背景，利用互感器智能輔助設備幫助工作人員完成電線的裝夾，進而提高互感器檢定效率和準確性．通過對互感器現場試驗智能輔助裝置進行研究，以其中的三自由度直角坐標機械手作為研究對象，采用模塊化的設計思想，運用無線通信、圖像采集、嵌入式技術、Arduino控制、Android應用開發等相關技術，設計了一個具有視頻監控和遠程遙控功能的機械手控制系統，并且該機械手控制系統支持手動遙控作業模式．最后通過現場試驗測試，實現了視頻監控、機械手控制等功能，最終完成了電線裝夾與回收任務．通過此試驗也證明了該機械手控制系統的穩定性、可行性和可靠性，可以在實際作業中輔助工作人員完成互感器的檢定工作．

Arduino；機械手；互感器；Android

目前，電力系統中互感器的檢定多為人工檢定，存在勞動強度大、安全隱患多、檢定周期長、檢定效率低等諸多問題[1]，因此機械手的出現對解決這些問題起到了極大的作用．機械手[2]可以模擬人的手臂動作，按照系統設定的程序進行裝夾，進而實現水平、垂直和旋轉3個方向混合裝夾，其操作范圍大，靈活性好，應用廣泛．

機械手按照驅動方式可以分為液壓式，氣動式，電動式和混合機械式．本文的三自由度機械手屬于電動式機械手，其特點是電源方便，啟動快，驅動力大，信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的方案．驅動源選取步進電機[3]，通過將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的開環執行元件．在不超載的情況下，電機的轉速，停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數目．由于這一關系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差的特點，使其在速度定位等控制領域應用非常廣泛．

1　互感器現場試驗智能輔助裝置簡介

互感器現場試驗智能輔助裝置如圖1所示．該裝置主要由4部分組成：

1)垂直桅桿式升降機，主要用來運送檢定設備，并將其送至預定高度．

2)三自由度直角坐標機械臂，主要由三根導軌組成，由步進電機驅動，完成X、Y、Z軸3個方向的前進和后退運動．

3)機械手，安裝在三自由度直角坐標機械臂Y軸的末端，由直流電機驅動，與線夾固定為一體，將大電流電纜送至工作高度并完成電纜與互感器的對接和固定，待測量工作完成后，回收線夾和電纜．

4)圖像采集裝置，由3個攝像頭組成，分為1個主攝像頭和2個副攝像頭．其主要作用是對智能輔助裝置周圍的整個工作環境進行全局監控[4]，以確?？罩械臋z定工作能夠正常并安全地進行，當遇到突發事件時，能夠迅速采取必要措施進行挽救．

圖1　互感器現場試驗智能輔助裝置

2　機械手的結構及工作原理

該機械手安裝在三自由度直角坐標機械臂Y軸的末端，由機械臂，機械爪，直流電機，驅動器組成．其中，驅動器是通過直流電機供電進而控制機械爪的開合與抓?。畽C械手的結構模型如圖2所示，具體的工作原理如下：首先通過垂直桅桿式升降機將機械臂升高到一定程度；再通過平板電腦對機械臂的X、Z軸進行微調，以使機械手對準高壓電纜；接著通過對Y軸的調節使機械手逐漸靠近高壓電纜，當機械手與高壓電纜對接后，操控機械手使其夾緊高壓電纜，開始進行試驗，試驗結束后，回收線夾和電纜．

圖2　機械手結構模型

3　控制系統的硬件設計

3.1控制系統結構及工作原理

控制系統的整體結構如圖3所示．

圖3　控制系統整體結構圖

工作原理：在控制系統結構中，基于OpenWRT[5]的無線路由器負責視頻傳送和信號轉換，實現平板電腦與Arduino控制板的無線通信；利用無線路由器的WIFI功能，可將攝像頭采集到的視頻數據通過路由器轉發給Android平板客戶端，從而可實現遠程監控功能；Arduino控制板主要負責控制步進電機和舵機的轉動；Android平板客戶端則通過WIFI將控制指令發送至路由器，然后由路由器將接收的網絡信號轉換成串口信號發送給Arduino控制板，Arduino控制板接收路由器傳來的控制信號，調用程序進行信號分析判斷，輸出電平信號，進而控制電機轉動，驅動直角坐標機械手執行相應的動作或控制攝像頭與云臺轉動以采集不同視角的環境信息．

3.2Arduino控制模塊

Arduino的硬件是由一塊以AVR單片機[6]為核心的開發板和其他各種I/O擴展版所組成．根據Arduino控制板各型號的特點和相關參數并結合本課題控制系統的技術要求，選擇Arduino Uno作為核心控制模塊已然足夠，可以滿足相關的控制要求．由于一個Arduino控制板的I/O口數量不夠，故采用2個Arduino Uno控制板分別對該控制系統中的兩組機械臂的步進電機進行控制．Arduino Uno控制板是目前USB系列的最新版本，它的主要核心處理器為ATmega328，同時還包括一個USB接口、一個電源接口、一個晶體振蕩器、14個數字輸入輸出口、6個模擬輸入口等．其實物圖如圖4所示．

圖4　Arduino Uno控制模塊

3.3無線通信模塊

本控制系統的無線通信模塊是一個裝有嵌入式Linux系統的無線路由器．路由器以服務器的模式運行，主要負責攝像頭視頻數據的傳送和控制指令的轉換及轉發．本次設計選用的是一款無線傳輸速率為150 Mbps迷你型3G無線路由器．該款無線路由器支持Router、AP、3G無線路由三種工作模式，體積小，減少了空間占用．

3.4驅動模塊

驅動機械臂運動的步進電機為86系列的兩相混合式步進電機，型號為86ST45-45，86系列步進電機的驅動由步進電機驅動器來實現，步進電機驅動器的型號為PT880，驅動器采用的是細分驅動方法驅動步進電機．細分驅動是把一個歩距角細分成許多個微步的驅動方法．采用細分驅動可以減小歩距角，讓步進電機運行更加穩定，均勻性提升，還可以削弱或消除振蕩．

3.5超聲波傳感器

當機械手接近互感器進行電線裝夾時，僅靠肉眼判斷線夾與互感器的距離，會造成一定程度的偏差．為使裝夾更加準確快速，本文采用超聲波傳感器進行距離檢測，判斷機械手與互感器之間的距離，幫助工作人員快速完成電線裝夾．在此選用型號為SDM-IO的超聲波傳感器作為測距傳感器進行距離探測．它的探測范圍為0～30 cm，超聲波頻率為40 kHz，電源電壓范圍為3.8～5.5 V．

4　控制系統的軟件設計

本系統軟件按照三級分布式結構進行設計，上層使用平板電腦進行終端控制，主要負責控制系統的整體控制，包括控制功能和監控功能，完成總體調度；中層使用無線路由器搭建服務器進行通訊，主要負責上位機與下位機的無線通信以及攝像頭視頻數據的轉發；下層使用Aduino控制板作為下位機進行控制，依據客戶端的控制指令控制電機轉動進而實現預定的動作．控制系統軟件整體結構如圖5所示．

圖5　控制系統軟件整體結構

此控制系統程序設計主要分為3個部分，程序總體設計，步進電機控制程序設計，舵機控制程序設計．三者的流程圖分別如圖6～8所示．

圖6　程序總體設計

本控制系統采用了兩塊Arduino控制板進行聯合操控，負責完成步進電機和舵機及直流電機的轉動控制．

圖7　步進電機控制程序設計

現在將對步進電機控制的部分程序進行解釋，其程序代碼如下：

步進電機控制程序代碼

void loop( )

{

if(Serial.available( )>0)

{cmd=Serial.read(); Send(cmd);}

//根據串口信號，輸出方向信號及脈沖信號，電機正轉

if(cmd=='e') digitalWrite(dir，LOW);

while(cmd=='e')

{

digitalWrite(pul， HIGH);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(pul， LOW);

delayMicroseconds(50);

if(Serial.available( )>0)

{ if(Serial.read()=='0') cmd='0';

Send(cmd);}

}

//根據串口信號，輸出方向信號及脈沖信號，電機反轉

if(cmd=='h') digitalWrite(dir，HIGH);

while(cmd=='h')

{

digitalWrite(pul， HIGH);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(pul， LOW);

delayMicroseconds(50);

if(Serial.available()>0)

{if(Serial.read()=='0') cmd='0';

Send(cmd);}

}

}

首先使用Serial.available()檢測是否有串口數據，若檢測到串口數據，再使用Serial.read()將串口數據賦值給參數cmd． 然后使用if和while語句進行分析處理，如果條件為真，則使用digitalWrite()函數給方向控制引腳dir和脈沖發送引腳pul賦予相應高低電平，從而控制步進電機正反轉．void loop()函數是一個主循環函數，用于循環運行程序．

圖8　舵機控制程序設計

根據舵機控制流程圖，對其進行程序設計，其部分代碼如下：

舵機控制程序代碼

void loop( )

{

if(Serial.available( )>0)

{cmd=Serial.read( );

Send(cmd);}

//根據串口信號，輸出控制信號，舵機順時針旋轉

while(cmd=='a')

{

servo1.write(pos1);

delay(30);

pos1--; //pos1表示舵機的角度位置

if(pos1<10)

{cmd='0';

pos1=10;} //舵機角度小于10度時，停止旋轉

if(Serial.available()>0)

{ if(Serial.read()=='0') cmd='0';

Send(cmd);}

}

//根據串口信號，輸出控制信號，舵機逆時針旋轉

while(cmd=='b')

{

servo1.write(pos1);

delay(30);pos1++;

if(pos1>170)

{cmd='0';

pos1=170;} //舵機角度大于170度時，停止旋轉

if(Serial.available()>0)

{ if(Serial.read()=='0') cmd='0';

Send(cmd);}

}

}

首先使用Serial.available()檢測是否有串口數據，若檢測到串口數據，再使用Serial.read()將串口數據賦值給參數cmd．然后使用while語句對參數cmd進行分析處理，如果條件為真，則執行程序，發送控制信號控制舵機旋轉．對舵機的控制需要使用Servo庫中的相關函數，因此需要在程序開頭包含頭文件．

5　現場測試部分

互感器現場試驗智能輔助裝置控制系統搭建完成后，對控制系統進行調試，實現了對步進電機和舵機云臺的遠程控制及視頻監控功能，驗證了該控制系統的穩定性、可行性和可靠性，現場調試圖如圖9所示．具體測試方案的流程如下：

1)將垂直桅桿式升降機開至指定位置(即試驗目標下方)；

2)給控制系統通電，系統初始化后，使用平板電腦連接路由器的WiFi信號，打開控制系統客戶端軟件，啟動攝像頭監控；

3)利用升降機將三自由度直角坐標機械手提升至預定高度；

4)此時可利用平板客戶端控制云臺舵機轉動帶動主攝像頭轉動，采集周圍環境信息，根據監控圖像可判斷空中的環境狀況；

5)利用平板客戶端控制步進電機轉動，實現三自由度直角坐標機械臂的前進、后退、上升、下降等運動，并將機械手送到工作高度，同時通過攝像頭進行遠程監控；

6)在遠程監控下，利用平板客戶端控制Y軸機械臂運動，同時利用超聲波傳感器進行距離探測，使機械手逐步逼近試驗目標；

7)利用平板客戶端發出控制指令，在遠程監控下，控制機械手完成夾緊與松開動作，模擬電纜的裝夾與回收；

8)使用客戶端控制機械臂遠離試驗目標，利用升降機使其返回地面，試驗測試完畢．

圖9　控制系統調試

6　結　論

調試結果表明，整個裝置在試驗過程中，步進電機的運動無抖動和失步現象發生，機械手運動狀態良好并且能夠完成指定方向的運動，通過操作界面可以穩定地控制機械手完成相應的裝夾動作，最終安全地完成了互感器的檢定工作．

[1]趙素華，等．電流互感器的現場檢定[J]．電測與儀表，2006，43(483)：37-39．

[2]喻偉闖，羅曉曙，陳赤，等．基于PLC的三自由度機械手控制系統設計與研究[J]．電子技術應用，2009，11(298)：155-156．

[3]劉寶志．步進電機的精確控制方法研究[D]．濟南：山東大學，2010．

[4]潘孝群．Android平臺上的移動視頻監控[D]．杭州：杭州電子科技大學，2014．

[5]危思思．基于OpenWrt開源平臺的移動智能設備[D]．杭州：浙江大學，2014．

[6]洪草根．基于AVR單片機的移動機器人控制系統設計[D]．北京：華北電力大學，2011．

[責任編輯王康平]

Design of Control System Based on Instrument Transformer Tests on Intelligent Assist Device

Zhang YiKong LiangZeng Jin

(College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Based on the background of substation transformer test project, in order to solve the issue in the process of testing the transformer that the staffs need to complete the task in the air and make use of transformer test equipment to support them finish the installation of electric wires，improve the efficiency and accuracy of transformer test. The article takes the three degrees of freedom Cartesian coordinates manipulator as the research object and adopts the idea of modular design to design a manipulator control system for video surveillance and remote control by using wireless communication，image acquisition，embedded technology，Arduino control，Android application development．This control system supports manual remote control operation mode. Through field test for the manipulator control system，it realized the function of video surveillance and manipulator control and completed the installation and recovery of electric wires，verified the stability，feasibility and reliability of the manipulator control system. It could assist the staffs to complete the transformer test.

Arduino；manipulator；instrument transformer；Android

2016-04-17

國家自然科學基金項目(51275274)

張屹(1976-)，男，教授，博士生導師，博士后，主要研究方向為智能算法與優化設計、機電系統現代設計方法．E-mail：jxzhangyi1976@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.018

TM45

A

1672-948X(2016)04-0087-05