變電站巡檢機器人運動控制系統分析

張劍鵬 陳德凱

云南電網有限責任公司昆明供電局 云南 昆明 650000

1 行走方式

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、控制靈活等優勢。

2 引導與定位方式

在變電站巡檢中,機器人按照規劃路徑行駛,在指定位置停靠,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,準確停靠,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。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。

3 系統硬件設計

1)CPU 控制器：采用高性能、低功耗、寬電壓的8 位微處理器ATmega 128L,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256k B非易失性存儲器,內置實時時鐘、看門狗等功能。

4 系統軟件設計

各模塊主要功能：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

5.1 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。

5.2 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2c m,工程應用效果良好。

5.3 S曲線加減速算法 巡檢中,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。

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88c m,齒輪減速比為43。即機器人直行1c m 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49.2c m,當原地回轉360°時,驅動輪走過的距離為π×49.2＝154.5c m,即每轉過1°對應的B相脈沖數為(154.5÷360)×244＝105個。

6 結語

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。停車定位精度高。經工程驗證,能滿足變電站巡檢機器人的應用要求。