基于模塊化控制的配電終端智能調試機器人控制系統

陳槾露，楊仁利，何潤泉，王 達，丁 鵬

(廣東電網有限責任公司茂名供電局，廣東 茂名 525000)

0 引言

配電開關監控終端(FTU)簡稱配電終端，主要負責故障檢測、遙測、遙控和遙信等工作，同時通信連接配電自動化主站，提供配電系統監測所需的各種信息以及系統運行狀況[1-3]。面對日益增加的供電量需求，眾多供電相關企業都不斷加強自身對于配電網的自動化管理水平。在已有研究中有很多有關配電終端智能調試方法與系統，但是這些系統與方法大多數功能單一，在配電網實際使用時對調試造成很多不便[4]。由于配電終端設備眾多，調試工作量巨大，使用人工調試配電終端，既不能保證工人技術均衡，也消耗大量成本，配電終端調試工作效率較低，在實際調試過程中常常出現漏調試與誤調試情況，給企業造成巨大損失，因此使用機器人調試配電終端成為各學者的研究內容[5-7]。目前，我國對于機器人控制技術的研究還重點集中在簡單的運動控制，無法滿足日益增長的數字化、網絡化、模塊化的需求[8-9]。

模塊化控制在實際使用中具備良好的開放性，使用該方法設計系統時能夠增強系統的增減功能，便于重構和修改系統中相關內容。應用于機器人控制系統時，能夠輔助控制者完成機器人的有效控制，實現任意操作實現意圖的目的，在實際操作機器人時，抗干擾性能強，操作精度高，能夠發揮決定性作用[10-11]。本文將模塊化控制作為基礎，設計一種配電終端智能調試機器人控制系統。

1 智能調試機器人控制系統設計

1.1 系統整體結構

配電終端智能調試機器人控制系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

該系統包括電源模塊、運動控制、通信模塊、主控模塊和數據采集模塊[12]。電源模塊中使用動力鋰電池作為電源，為系統內各模塊提供電力能源；數據采集模塊通過溫濕度傳感器、局部放電檢測器、高清攝像機和紅外熱像儀采集配電終端相關數據，并傳遞至主動控制模塊中；無線路由器接收機器人發送的相關信息，經協議轉換器傳遞至通信模塊，通信模塊接收信息并傳遞至主控制模塊，同時接收并匯總通信模塊與數據采集模塊的信息，依據這些數據信息向運動控制模塊下達指令，運動控制模塊中的編輯器、移動裝置、水平機械手與垂直機械手依據指令實行相關操作。

1.2 系統主要模塊設計

1.2.1 主控制模塊設計

通信模塊與數據采集模塊獲得數據信息后，需要主控制模塊處理信息并實行下一步操作，本文使用S3C2410芯片作為主控制模塊的核心，使用遺傳算法作為核心算法輔助機器人規避道路障礙。

機器人在實際調控配電終端時會遇上各種復雜環境影響，數據采集模塊需要采集大量信息，因此使用S3C2410外界存儲芯片滿足主控制模塊對于存儲空間的需求，模塊結構如圖2所示。

圖2 主控制模塊結構

同步動態隨機存取內存(SDRAM)作為核心芯片的拓展內存與核心芯片相互作用；Flash交互式矢量圖為數據采集信息，經核心芯片處理傳輸；觸摸屏可以實現使用者操作，將指令傳輸到芯片，LCD顯示屏顯示芯片展示的信息；在并行通信與串行通信之間，使用異步收發傳輸器(UART)將所需要傳輸的資料進行轉換，UART輔助核心芯片將并行輸入信號轉為串行信號。

1.2.2 運動控制模塊設計

運動控制模塊結構如圖3所示。

圖3 運動控制模塊結構

運動控制模塊中，移動裝置需要帶動整個機器人運動，采用直流電機驅動解決負載較大的問題，且調速效果良好；控制機械手運動時要保證移動的精準度，對于定位有較高的精度要求，因此使用步進電機作為驅動。直流電機所需功率為

Q=(λgm+ma)v

(1)

λ與m分別為移動裝置與地面的摩擦系數和機器人總質量；v與a分別為機器人的最大速度與最大加速度；g為重力加速度。直流電機所需要用到的轉矩R為

R=λmgr

(2)

r為移動裝置車輪半徑。

控制直流電機時使用脈寬調制，利用主控制模塊中的S3C2410芯片產生驅動信號，芯片將信息緩沖后發送給直流電機驅動器[13-15]。通過調整脈沖寬度的占空比，控制移動裝置的速度。

豎直機械手所需要實行的工作量較大，選用減速剎車步進電機作為機械手的電機。保持的力矩R1為

R1=m1gr1

(3)

本文研究的機器人豎直機械手負載質量m1與同步輪半徑r1分別為40 kg與1.5 cm，經計算應該選用的保持力矩為0.060 N·cm，步距角與減速比分別為1.8°和1∶4。步進機上的剎車功能能夠保證突然出現斷電情況時不會發生負載跌落。水平機械手只需要操作簡單的調試工作，所以質量比較小，可以只使用普通類型的步進電機，保持力矩為0.001 N·cm。利用脈沖控制步進電機，主控制模塊中的核心芯片發送脈沖信號，電機驅動器接收信號并調節脈沖信號頻率控制機械手的速度。

(4)

運動控制模塊中，只要1個電機運動，另外2個電機將處于靜止狀態，增量式編碼器與各電機對應，記錄電機運行狀況，并向主控制模塊反饋；限位保護傳感器限制各軸運行范圍，發揮安全保護作用，還能當做零位開關為各個編碼器提供清零信號。

1.3 機器人避障路徑規劃

利用遺傳算法實現機器人避障路徑最優規劃，也就是指在起始點與目的點之間確定既是最優路徑又能夠動態避障的點序列坐標(xi,yi)。空間坐標系內，路徑點序列是一個二維的坐標，需轉換坐標系的坐標，使編碼長度降低，xo′y為轉換后的坐標系，x軸是目標點與起始點之間的連線，將x軸平均劃分為x1,x2,…,xn，將二維坐標簡化為一維的坐標編碼y。

將最短路徑要求與避障要求融合成一個適應度函數，該適應度函數同時滿足這2個需求。通過機器視覺獲得障礙物的速度、位置與個數。規劃機器人最短路徑時可以不考慮障礙物移動速度變化與機器人速度變化。實現動態避障時不僅要滿足路徑內不存在障礙物，還需要滿足上個路徑點與下個路徑點連線中不能存在障礙物。

設置機器人運動時候花費ti時間從一個點D0運動到下一個點Di(xi,yi)，花費Ti-1時間從一個點Di(xi-1,yi-1)運動到下一個點Di(xi,yi)，則有

ti=ti-1+Ti-1

(5)

障礙物不能是路徑點，也就是路徑點(xi,yi)不能在障礙物區域內，則障礙物不包含路徑點的適應度函數F11為

(6)

L為路徑長度；n與i分別為障礙物的個數和工作空間中的全部路徑點。如果障礙物中不存在路徑點(xi,yi)，舒適度為1；如果障礙物中存在路徑點(xi,yi)，舒適度為0。

假設機器人從ti時刻至ti+1時刻將路徑線段確定成DiDi+1集合，則當下路徑點到下個路徑點之間連線和各障礙物區域不發生相較情況的適應度函數F12為

(7)

Oi為此時所有障礙物位置集合。將式(6)與式(7)綜合到一起，獲得機器人避障適應度函數為

F1=F11·F12

(8)

使用適應度函數F2表示確定最短路徑：

(9)

將各個評價函數相乘，以作為遺傳算法的最終綜合適應度函數，即

F=F1·F2

(10)

運動控制具體實現流程如圖4所示。

圖4 運動控制流程

運動控制模塊產生三軸電機驅動信號，三軸電機接收命令并執行具體操作動作。計算機發送終端命令后，運動控制模塊判斷是否執行命令，如果不執行命令仍舊返回等待，如果執行命令則實行下一步判斷是否執行直流電機命令，如果執行，則關閉步進電機1、2，當到達指定點后停止直流電機，實現轉速閉環控制。

2 實例分析

為驗證所設計系統性能，以某市大型發電廠中的配電終端作為研究對象，將本文系統控制的智能機器人用于該供配電終端的智能調試。該發電廠屬于10 MW燃煤發電站，有4×660 MW超超臨界燃煤發電機組，年發電量達到397億kW，配電站電壓等級低于35 kV，容量較小，配電終端產自浙江杭州市，為DTU配電自動化終端，該終端使用ADI高性能32位工業級DSP芯片，有極強的電源管理功能。

2.1 系統界面

系統界如圖5所示。在圖5中，通過本文系統確定配電終端上的坐標位置，在此基礎上機器人對終端上的各部件實行操作調試。可通過點擊系統左側的選項，控制移動裝置運行；點擊垂直機械手控制按鍵與水平機械手控制選項可以對機器人的機械手展開具體操作。

圖5 系統界面

2.2 機器人控制檢驗

機器人主要通過機械手的運動，完成配電終端的調試。為驗證本文系統對機器人機械手的控制情況，使用Kinect V2.0軟件獲取機械手關節位置移動數據，計算得到機械手角度變化數據，如圖6所示。由圖6可知，本文系統控制機器人機械手具有良好的控制效果，角度變化數據隨著時間的變化呈現一個平滑穩定的波動效果，未出現明顯抖動情況，在實際控制機械手電機時，具有良好的效果。而其他系統機械手轉動角度與實際情況存在明顯差異，控制效果差。

圖6 時間變化下機械手轉動角度

2.3 機器人避障檢驗

道路上設置各種障礙物，使用PLC系統、六軸慣導系統和模塊化系統，控制機器人在障礙物中穿行，根據3種障礙物位置分別做100次實驗，機器人避障路徑如圖7所示。為了分析不同機器人系統的避障控制效果，得到結果如圖8所示。

圖7 機器人避障運動路徑

機器人避障準確率是準確避障次數與總次數之比。分析圖8可知，不同的系統避障控制準確率不同。當實驗次數為20次時，PLC系統的避障控制準確率為65%，六軸慣導系統的避障控制準確率為75%，模塊化系統的避障控制準確率為96.67%；當實驗次數為100次時，PLC系統的避障控制準確率為76%，六軸慣導系統的避障控制準確率為74%，模塊化系統的避障控制準確率為96%。所設計系統一直具有較高的避障控制準確率。

圖8 不同系統的機器人避障準確率

2.4 調試性能測試

為驗證系統性能以及機械手調試配電終端的精度，使用本文系統向機器人下達調試指令，人為統計調試結果，觀察機器人是否依據指令完成任務，統計結果如表1所示。

表1 性能測試結果

由表1可知，垂直機械手調試負載時為失敗，水平機械手調試靜電電容器的電流整定時為失敗，分析原因，可能是系統初始階段，出現部分性能測試失敗，經過多次使用和調試后可以達到良好的效果。統計總體調試成功率達到99%，證明本文系統具有較高的實用性。

3 結束語

本文將模塊化控制作為基礎，設計一款配電終端智能調試機器人控制系統，利用模塊化控制機器人中的直流電機與步進電機，使移動裝置與機械手完成工作，對配電終端實行調試，同時使用遺傳算法，將動態避障與最短路徑規劃融合成一個適應度函數。經實際驗證，該系統能夠控制機械手完成終端調試工作且具有良好的性能；同時機器人路徑規劃時能夠規避障礙，選擇最優路徑。