飛滑式巡線機(jī)器人控制電路的設(shè)計研究

孟祥荔

摘 要：隨著時代的不斷發(fā)展和科技的進(jìn)步，當(dāng)前電力行業(yè)以及電力技術(shù)在近年來得到了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，同時也取得了較大的成果和作用，而面對人們?nèi)找嫣岣叩碾娏π枨螅挥胁粩嗵嵘嚓P(guān)電力技術(shù)，并且使用適應(yīng)于電力企業(yè)發(fā)展的飛滑式巡線機(jī)器人，可以有效保障輸電線路的巡檢和維護(hù)，能保證電力企業(yè)的電力質(zhì)量安全，同時對促進(jìn)電力企業(yè)的發(fā)展和增加所帶來的經(jīng)濟(jì)效益具有極大的促進(jìn)意義。

關(guān)鍵詞：飛滑式巡線機(jī)器；控制電路；設(shè)計研究

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0091-03

Abstract： With the continuous development of the times and the progress of science and technology， the current electric power industry and power technology have made rapid progress in recent years； meanwhile， it has made great achievements and effects. In the face of people's increasing demand for electricity， only by continuously improving the relevant power technology and using the gliding robot suitable for the development of electric power enterprises can we effectively ensure the inspection and maintenance of transmission lines， and ensure the power quality and safety of power enterprises. At the same time， it is of great significance to promote the development and increase of economic benefits brought by electric power enterprises.

Keywords： flight-sliding line patrol machine； control circuit； design and research

1 飛滑式巡線機(jī)器人技術(shù)概況

飛滑式巡線機(jī)器人是可以有效對電路進(jìn)行安全性能、線路破壞等多方面進(jìn)行詳細(xì)巡檢的設(shè)備，同時飛滑式巡線機(jī)器在整體的巡檢運行過程中，是通過模仿傳統(tǒng)人工對電路的檢測工作，在科技發(fā)展和應(yīng)用的背景下，飛滑式巡線機(jī)器技術(shù)在極短的時間內(nèi)取得了較大的發(fā)展，當(dāng)前在對輸電線路的安全檢查中飛滑式巡線機(jī)器發(fā)揮了巨大的作用和效果，有效減少了人工成本，同時增加了對輸電線路檢查的質(zhì)量性。

而隨著科技的發(fā)展和巡線技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前飛滑式巡線機(jī)器在檢測輸電線路中的作用越來越大，相較于傳統(tǒng)的對輸電線路安全檢查，例如人力巡線、車輛巡線等巡線機(jī)器人得到了較大的發(fā)展和進(jìn)步，但是仍存在較多的問題和弊端[1]。在巡線過程中一般所使用的爬行機(jī)器人難以滿足當(dāng)前新時代的巡線需求，存在半人工化的弊端，需要借助人工的幫助，同時為了應(yīng)對巡線過程中較高的檢測水平以及防震錘等障礙物的阻擋，導(dǎo)致了爬行機(jī)器人整體巡線過程中表現(xiàn)出了較慢和落后的特點，而另一種巡線飛行機(jī)器人在巡線過程中雖然相較于爬行機(jī)器人可以很好的解決了速度較慢的問題，但是飛行機(jī)器人在整體運行過程需求消耗大量的能源，并且持續(xù)巡線能力較弱，所以飛行機(jī)器人整體的實用性較差，而當(dāng)前不斷研究和發(fā)展新型的飛滑式巡線機(jī)器技術(shù)，可以有效解決巡線問題，并有效促進(jìn)了整體電力企業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。

2 飛滑式巡線機(jī)器人的系統(tǒng)主要組成部分

飛滑式巡線機(jī)器是時代發(fā)展和科技進(jìn)步所帶來的必然產(chǎn)物，是在原有的巡線機(jī)器人基礎(chǔ)上更加的結(jié)合、創(chuàng)新和進(jìn)步，飛滑式巡線機(jī)器的系統(tǒng)組成是由自身的飛行控制系統(tǒng)和線上運動控制系統(tǒng)所組成，飛行控制系統(tǒng)又是由三軸角速度傳感器、加速度傳感器所構(gòu)成，線上運動控制系統(tǒng)是由懸掛運動控制系統(tǒng)以越障礙系統(tǒng)所構(gòu)成。而飛滑式巡線機(jī)器在整體的巡線運行過程中，首先是從巡線地面上升到一定的高度，可以有效防止和線路或者是其他的碰撞，確保巡線過程整體的安全性；而飛滑式巡線機(jī)器在一定高度上借助有關(guān)的懸掛動力裝置進(jìn)行有效推動飛滑式巡線機(jī)器的運行和巡檢；另外在飛滑式巡線機(jī)器巡線過程中遇到防震錘或者鐵塔等障礙物時可以較好躲避障礙物，從而使整體的巡檢過程運行和展開[2]。對于飛滑式巡線機(jī)器整體的運行體系的構(gòu)成又是由地面復(fù)制控制、高度傳感單元、電子羅盤、導(dǎo)航膜擴(kuò)、超聲波障礙檢測等多種構(gòu)成，同樣由于飛滑式巡線機(jī)器的整體的巡線系統(tǒng)由較多科技化的構(gòu)成以及其自身所具備的優(yōu)良特點，有效地使飛滑式巡線機(jī)器可以較好地完成整體的巡線過程。

3 硬件設(shè)計

3.1 飛行控制硬件構(gòu)成部分

（1）控制芯片。整體的飛滑式巡線機(jī)器從性能方面系統(tǒng)做劃分可以分為飛行控制系統(tǒng)和控制電路系統(tǒng)，其中飛滑式巡線機(jī)器的飛行控制系統(tǒng)是保障控制電路系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，同時也是整體的巡線系統(tǒng)運行過程中的重點，而為了可以較好的保障飛滑式巡線機(jī)器在整體的巡線過程中的質(zhì)量性和安全性，對其內(nèi)部的硬件設(shè)計要求具有較高的精密性和性能。在飛滑式巡線機(jī)器的巡檢工作過程中，依靠其內(nèi)部硬件的控制芯片做到科學(xué)有效采集傳感器所接受的到相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行內(nèi)部自動化的處理和加工，進(jìn)一步的計算和分析出相關(guān)的飛行、控制，保障了飛滑式巡線機(jī)器飛行。所使用的飛滑式巡線機(jī)器控制芯片一般采用LPC11-14FA44芯片，這是由于其具有耗電能力較低、質(zhì)量和性能較強的特點，可以讓整體的電流較小，進(jìn)一步延長了飛滑式巡線機(jī)器飛行時長和巡檢過程，較好地減少了飛滑式巡線機(jī)器過程中所消耗的成本[3]。

（2）傳感芯片。飛滑式巡線機(jī)器其中內(nèi)部硬件的傳感芯片是發(fā)揮傳感器性能極為關(guān)鍵的影響因素，可以較為科學(xué)準(zhǔn)確地把傳感芯片有效獲取所需要的轉(zhuǎn)角加速度、位移加速度、飛滑式巡線機(jī)器的飛行高度、飛滑式巡線機(jī)器的定位、障礙物信息等一系統(tǒng)關(guān)鍵信息接受，而這些都是由傳感芯片的作用所獲取。

一般情況下，飛滑式巡線機(jī)器所使用的傳感器大多都是三軸陀螺儀，而在三軸陀螺儀上性能較好的傳感器是MMA8452Q傳感器。因為飛滑式巡線機(jī)器本身的傳感器就需要具有功能性較強、精密度高等特點，而其傳感器可以較好的適應(yīng)飛滑式巡線機(jī)器巡檢系統(tǒng)運行特點，并且具有極高的智能化，可以有效的將傳感芯片的信息獲取，并帶有可編程的選項，同時減少了能源消耗；而對于MMA8452Q中的傳感芯片一般是選用ST200G的三軸陀螺儀，因其具有著較大的靈敏性和穩(wěn)定性，可以有效采集出飛滑式巡線機(jī)器角速度的相關(guān)的信息。

（3）電機(jī)。飛滑式巡線機(jī)器的系統(tǒng)的電機(jī)選擇X2820K

V800的電機(jī)，因為其可以較好滿足整體飛滑式巡線機(jī)器的巡檢運行過程中所需要的懸掛要求，并且可以有效促進(jìn)其巡檢過質(zhì)量性更高和安全性更強。

3.2 控制電路

（1）主芯片型號。對于飛滑式巡線機(jī)器整體的控制電路系統(tǒng)中，系統(tǒng)主芯片應(yīng)該選用STM32F103RBT6芯片，其芯片是當(dāng)前較為先進(jìn)的飛滑式巡線機(jī)器系統(tǒng)主芯片，同時也是在原有芯片上的發(fā)展和創(chuàng)新，整體呈現(xiàn)出低消耗的特點，并且由于其具有9個借口。所以，還可以對整體的飛滑式巡線機(jī)器巡線過程進(jìn)行有效的促進(jìn)作用。

（2）傳感模塊設(shè)計。飛滑式巡線機(jī)器需要較好的傳感模塊設(shè)計才能建立較為完善的巡線系統(tǒng)，而當(dāng)前較為先進(jìn)的傳感模塊設(shè)計會采用紅外線來設(shè)計傳感模塊，對于整體的飛滑式巡線機(jī)器傳感器設(shè)計首先要把握住其中工作的兩項原則，第一點是在整體飛滑式巡線機(jī)器飛行過程中，對于其所接受和感應(yīng)到的數(shù)據(jù)信息能后可以較為準(zhǔn)確的傳達(dá)給處理器；另外一點便是利用紅外線檢測飛滑式巡線機(jī)器飛行過程中前方是否具有障礙物，才能較好地終止其在線上的滑行。

飛滑式巡線機(jī)器的紅外線傳感器設(shè)計，紅外線傳感器模塊具有較強的光線適應(yīng)能力，其紅外線傳感器模塊的組成是由紅外線發(fā)射器和接收管組成，整體的傳感器模塊系統(tǒng)不需要借助其他的外加電路，而使用紅外線的應(yīng)用便可以完成[4]。整體的飛滑式巡線機(jī)器傳感器模塊的設(shè)計可以應(yīng)用在懸掛臂中，可以較為科學(xué)準(zhǔn)確地利用當(dāng)輸電線路遮擋紅外線，而紅外線接收器通過接收理論原理，將反射回來的紅外線來進(jìn)行分析和檢測，確定懸掛臂上的整體電力線接觸是否具有較強的安全性能。

而對于整體的飛滑式巡線機(jī)器傳感器中的超聲波設(shè)計應(yīng)用HC-SR04，整體的HC-SOR04的構(gòu)成是由發(fā)射器、接收器和控制電路系統(tǒng)構(gòu)成。利用超聲波的發(fā)射原理以及應(yīng)用過程，發(fā)送出所做相關(guān)設(shè)計需求的高電平信號，同時相關(guān)人員需要科學(xué)正確的記錄分析超聲波發(fā)射出的脈沖方波的回波，同時應(yīng)使用單片機(jī)來捕捉相關(guān)的信號，通過相關(guān)的理論分析和公式來科學(xué)有效地計算出前方的障礙物距離，這樣才能較好地保障飛滑式巡線機(jī)器在巡檢飛行過程中遇到的障礙物問題，同時還可以利用所記錄的信號以及分析出的距離等一系列過程來使MCU進(jìn)行接下來的相關(guān)飛滑式巡線機(jī)器運動系統(tǒng)的控制過程。

（3）減速電機(jī)與驅(qū)動板。減速電機(jī)與驅(qū)動板是飛滑式巡線機(jī)器中保證滑行動力可以較好的運行，在對于飛滑式巡線機(jī)器減速電機(jī)與驅(qū)動板的設(shè)計中應(yīng)采用37GB90-500，同時應(yīng)采用于整體的滑行動力以及飛滑式巡線機(jī)器運行過程相適應(yīng)的電壓，而對于設(shè)計過程中所采用的37GB90-500，雖然其中的額定點壓為12V，但是當(dāng)其中的電壓為3V的時候，同樣具有極大的滑行動力，同時可以較好地帶動起整體的飛滑式巡線機(jī)器的飛行，進(jìn)一步促進(jìn)了飛滑式巡線機(jī)器的科學(xué)有效的巡檢過程。

（4）電源。由上述所設(shè)計的內(nèi)容來進(jìn)行飛滑式巡線機(jī)器的電源設(shè)計，才能有效保障其飛滑式巡線機(jī)器內(nèi)部系統(tǒng)的一體化和統(tǒng)一化，又由于芯片的供電大部分都是采用3.3V，所以，在相關(guān)人員在對飛滑式巡線機(jī)器電源的設(shè)計上應(yīng)將5V的電源改變成3.3V，這樣才能較好地完成系統(tǒng)統(tǒng)一化的標(biāo)準(zhǔn)和體系。另外，在對飛滑式巡線機(jī)器電源設(shè)計中，還應(yīng)該使用AMS1117-3.3的芯片，可以較好地滿足了設(shè)計電源所需要的需求，同時還可以較好地促進(jìn)了整體飛滑式巡線機(jī)器內(nèi)部的硬件設(shè)計，為飛滑式巡線機(jī)器巡檢運行奠定了良好的硬件基礎(chǔ)。

4 軟件設(shè)計

（1）總體飛行控制軟件的設(shè)計。對于飛滑式巡線機(jī)器飛行控制軟件的整體設(shè)計需要根據(jù)所掌握的技術(shù)和可以應(yīng)用的相關(guān)材料所決定，同時對飛行控制軟件的整體設(shè)計需要較為科學(xué)的方向和目標(biāo)，便是在設(shè)計完成后的飛行控制軟件可以較好地滿足飛滑式巡線機(jī)器在整體的飛行過程中所具備的特點和功能性要進(jìn)行極好的保障性，以及在實際過程中應(yīng)達(dá)到所設(shè)計的理想需求。

相較于傳統(tǒng)的飛行器控制，飛滑式巡線機(jī)器的飛行控制軟件設(shè)計具有較大的差異，在控制量等方面的選擇上相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)堅持謹(jǐn)慎、精細(xì)、嚴(yán)格的原則，確保可以使飛滑式巡線機(jī)器有效的飛行和控制，而在設(shè)計飛行控制軟件中，還需要對所控制飛行軟件的芯片多方面的系統(tǒng)檢測和檢查，同時經(jīng)過多次的實驗和分析探究來決定控制量，才能使整體的飛行控制軟件設(shè)計達(dá)到預(yù)期的效果和作用。

（2）線上避障控制設(shè)計。當(dāng)前部分對于巡線檢測的傳統(tǒng)機(jī)器整體的巡檢過程中遇到較大的問題便是在線上避障問題，傳統(tǒng)的避障過程較大增大了人工、成本以及整體系統(tǒng)運行時間，滿足不了新時代中對于控制電路更高的需求[5]。所以，相關(guān)人員在對線上避障控制的設(shè)計應(yīng)確保整體的線上避障系統(tǒng)運行后，可以有效使飛滑式巡線機(jī)器進(jìn)行避障操作和處理。而根據(jù)上述的設(shè)計利用紅外線的線上避障控制，查看紅外線傳感器是否被遮擋，從而較為科學(xué)和快速的得知飛滑式巡線機(jī)器的飛行過程中是否存在障礙物，并作出相關(guān)有效的措施，這樣才能整體使飛滑式巡線機(jī)器的軟件設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步的完善，促進(jìn)了飛滑式巡線機(jī)器人的對輸電線路的檢測工作以及整體的運行。

5 測試結(jié)果與性能分析

科學(xué)正確的設(shè)計好飛滑式巡線機(jī)器人的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計以及整體的飛滑式巡線機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計，再通過理論分析和實驗探究的科學(xué)方法對其進(jìn)行測試，才能得出飛滑式巡線機(jī)器較為準(zhǔn)確的測試結(jié)果，同時可以對其性能進(jìn)行較好的分析，有助于飛滑式巡線機(jī)器技術(shù)更好的發(fā)展和創(chuàng)新[6]。

而對于整體的測試結(jié)果和性能分析，相關(guān)人員用對飛滑式巡線機(jī)器人采用PID的算法來對其進(jìn)行控制算法。其中還要把握好相關(guān)測試所需要的量性要求，確保不會因為測試的量性選擇的失誤，從而帶給整體測試結(jié)果和性能分析的影響。

經(jīng)過大量的分析和測試，得出了較為科學(xué)準(zhǔn)確的結(jié)果，首先在測試前將飛滑式巡線機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)高度設(shè)置，而在測試中實踐達(dá)到0.1秒的時候整體的飛滑式巡線機(jī)器人系統(tǒng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，不斷的經(jīng)過時間的推移，可以較好地看出飛滑式巡線機(jī)器人一直處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，同時也有利證明了對于PID控制算法在測試中的合理性和作用；而對于測試結(jié)果中的避障控制測試采用的方法是利用相關(guān)的示波器來測試電量，并且通過測試中相關(guān)的避障過程實驗，可以較好地分析出當(dāng)紅外線被超聲波傳感器所接收，并且當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)出飛滑式巡線機(jī)器人在運行過程中前方存在障礙，會使波型停止，從而進(jìn)一步使飛滑式巡線機(jī)器人停止了滑行，另外產(chǎn)生持續(xù)的低電平，使飛滑式巡線機(jī)器人進(jìn)行一系統(tǒng)相關(guān)的越障行動。所以，從整體的測試結(jié)果和性能分析中可以較為準(zhǔn)確地得知此算法的合理性以及其整體性能[7]。

6 結(jié)束語

近年來國內(nèi)對輸電線路整體的巡線檢測技術(shù)不斷的發(fā)展和完善，而目前的飛滑式巡線機(jī)器具有較大的發(fā)展?jié)摿σ约鞍l(fā)展空間，但是當(dāng)前還存在一些問題需要進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新和發(fā)展，同時還需要減少相關(guān)的生產(chǎn)成本。而不斷研究和分析飛滑式巡線機(jī)器人控制線路的設(shè)計，可以更好地促進(jìn)飛滑式巡線機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，同時對國內(nèi)整體的科技發(fā)展以及電力領(lǐng)域的進(jìn)步具有極大的促進(jìn)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊杰.飛滑式巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].華北電力大學(xué)，2015.

[2]易興邦.高壓巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D].江蘇科技大學(xué)，2012.

[3]朱衍歡.巡線機(jī)器人視覺檢測方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[4]張瑋.巡線機(jī)器人高精度穩(wěn)定跟瞄技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[5]李振宇.220kv高壓輸電線路巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制[D].武漢大學(xué)，2005.

[6]余萍，張虎，張潔.飛滑式巡線機(jī)器人控制電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（11）：34-36+40.

[7]余萍，楊杰，劉麗沙.飛滑式巡線機(jī)器人自平衡控制方案設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表，2015，52（03）：91-95.