基（jī）於嵌入（rù）式（shì）PC104工控機和C8051F047單片機實現機器人係統的設計
2020-6-30 來源：-- 作者：-
1.引言
高壓輸（shū）電線及杆塔附件長期暴（bào）露在野外，因受（shòu）到持續的機械張力、電（diàn）氣（qì）閃（shǎn）絡、材料老化的影響而產生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時（shí）修複更換，原本微小的破損和缺陷就可能（néng）擴大，最終導致嚴重事故。因此（cǐ），電力公司需要定期對線路設備進行巡檢，及時發現早期損傷和缺陷並加以評估，根據評估（gū）結果（guǒ）安排必要的維（wéi）護和修複，從而確保供電（diàn）的安全可靠性。傳統的人工巡檢方法不僅工作量大（dà）而且條件艱苦（kǔ），特別是對於山區和大江大河等（děng）的輸電線路巡（xún）檢存在很大（dà）困難，甚至一些巡檢項目靠常（cháng）規（guī）方法都難以（yǐ）完成。因此，采（cǎi）用機器人自動巡線成為保障高壓輸電線安全（quán）運行的一種必要手（shǒu）段。
高壓輸（shū）電線路巡（xún）線機器人屬（shǔ）於特種機器人的研究範疇，主要完成高壓供（gòng）電線纜的無損（sǔn）探傷、懸垂絕緣子絕緣特性檢測、輸電線附件輸電性能測試、機械連接牢固（gù）性檢查、線纜（lǎn）異物清除等（děng）高空作業。國外在巡線機器人領域的研究（jiū）起步較早（zǎo），研（yán）究水平較高，1988年，日（rì）本東京電力公司的Sawada等人研製了光纖複合架空（kōng）地線巡檢移動（dòng）機器人，該機器人可以沿地線爬行，遇到障礙物時，可以通過弧形手臂輔助跨越。加拿大魁北克水電研究院的Montambault等人於2000年研製成功了（le）輸電線（xiàn）遙控機器人，該遙控機器人可以消除電力傳輸（shū）線上的積冰，並可（kě）以用來線路巡檢平台。國內關於（yú）輸電線路巡線機器人的研究還處於起步階段，隻有武漢水利大學、山東大學、中科院等作過一些研究。
2.機器人概述（shù）
由於（yú）高壓輸（shū）電線的線纜附件種類（lèi）多、形狀複雜，因此，越障成為（wéi）巡線機器人要具備的首要功能。本（běn）文所（suǒ）述的機器人采用3個自由擺動的吊臂跨越線纜附（fù）件，當遇到障礙物時擺動3個吊臂，使3個吊臂依次（cì）通過障礙（ài）物。機器（qì）人（rén）本（běn）體如圖（tú）1所示，該機器人可以在四分裂、二分（fèn）裂、單股等高壓輸電線纜上爬（pá）行（háng），可（kě）自主跨越懸垂絕緣子、隔離棒、防振錘、線夾等線纜附件，具有輸電線纜的檢測功能。機器人綜合性能指標如下：1）本體外形：850×300×700mm；2）本體重量45Kg；3）纜（lǎn）徑適應性Ф10～Ф25mm；4）移動速（sù）度0～25m/min；5）爬升角度0～30°；6）控製（zhì）方式：自主運行和主從遙控（kòng）操作；7）故障處理：手（shǒu）動/自動。
基於嵌入（rù）式PC104工控機（jī）和C8051F047單（dān）片（piàn）機實現機器人係統的設計
圖1 機器人本體示意圖
3.控製係統的設計
機器人的控製係統分本體（tǐ）控製係統和地麵監（jiān）控（kòng）係（xì）統兩部分（fèn），如圖2 所示。本體控製（zhì）係統用來規劃機器人（rén）的運動軌跡，控製機器人運動構（gòu）件，確保（bǎo）機器人可靠快速的（de）越過障礙物，並實現與地（dì）麵基站的命（mìng）令、數據的遠距離傳輸；地麵監控係統實現機（jī）器人的手動/自動控製（zhì），並監控機器（qì）人的穩定運行。為機器人設計自動和手動兩套（tào）控製係統的增加了機器人的靈活性與可靠性，當其中一套（tào）係統發生故（gù）障時（shí）可啟動另一套控製係統，另外在某些特殊的場（chǎng）合可隻用手（shǒu）動係統，降低了機器人野外作業的難度，增加了機器人的應用性。
3.1 機器人本體控製係統的設計
機器人本體的控製係統以嵌入式（shì）PC104工控機為核心，並配有輸（shū）入輸出擴展板HT-750和A/D采（cǎi）集擴展（zhǎn）板PM-516。采用PC104 作為核心模塊， 可將主要精力放在軟件和接口的設計上， 而且PC104 的開發、維（wéi）護和擴展都非常方便（biàn）。PC104與通用（yòng）PC和PC/AT標（biāo）準（zhǔn）（IEEE P996） 完全兼容， 可（kě）以很快掌握其軟、硬件的使用， 並且具（jù）備嵌入（rù）式控製的特殊要求，為嵌入式應（yīng）用提供了標準（zhǔn）的係統平台。
3.1.1故障檢測
輸電線纜附件種類多，形狀複雜，對機器人判（pàn）斷障礙物類型（xíng）帶（dài）來了極大的困難。因此有必要攜帶（dài）多種傳（chuán）感器，將（jiāng）多種線路故障檢（jiǎn）測（cè）器集成到巡線機器人（rén）移動平（píng）台上，運用（yòng）多傳感器信息融合技術，以便提高故障探測的效率（lǜ）、精度（dù）和準確（què）度。主要的傳感器有CCD視覺模塊、紅外溫度傳感器、超聲波傳感（gǎn）器等。
視覺檢測CCD模塊使用PC104上（shàng）的COM2串口，用於（yú）識別高壓輸電線（xiàn）各類附件，從（cóng）原始圖像中找到目標（防振錘、絕緣子、連接金具、隔離棒等附件）所在區域（yù），利用圖像處理（lǐ）技術，提取障礙物特征（zhēng）尺寸，自動判斷輸電線路上的障礙物類型、距離，並向機器人運動控製單元提供越障信息，形成下一步的越障策略。另外，視覺檢（jiǎn）查一般能發現架空線表麵故障現象，如（rú）輸電線表麵損傷，連接（jiē）金（jīn）具鬆脫等；紅外溫（wēn）度傳感器則利用高壓輸電線在故障點會產生（shēng）異常溫升的特點，檢測線纜的異常溫升（shēng）。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳（chuán）感器來檢測線纜的異常溫（wēn）升（shēng），以達到檢測線纜故障的目的。
3.1.2運動控製
由於機器人的動作較複雜，多數吊臂式巡線機器人采用多電機驅動方案，即用6個電機實現擺動吊臂（bì）與行走輪轉動。這種方案機（jī）器人較為靈活，但多電機增加（jiā）了機器人的（de）重量，不利於機（jī）器人自身平衡。本文用2個電機實現需要的動作，通（tōng）過（guò）3個電磁離合器與圖2中的電機1配合控製三個（gè）吊臂的擺動，用電機（jī）2控製機器人行走。為了增加檢測的（de）靈活性（xìng），在機器（qì）人上增加了兩個可升降的傳感器支架，分別用電機3和電機4帶動。驅動框圖如圖3所示，用Silicon Lab公司的高性能單片機C8051F047和（hé）H橋組件LMD18200T來驅動電機。LMD18200T是美國國家（jiā）半導體公司（sī）（NS）推出運動控製專用（yòng）H橋組件（jiàn），內部（bù）集成了CMOS控製電路和DMOS驅動電路，峰值輸（shū）出電流高達6A，連續輸出電流3A，工作（zuò）電壓（yā）高達55V，具有溫度報（bào）警（jǐng）和過熱與短路保護功（gōng）能。本文所選電（diàn）機的連續堵轉電流在3A左右，因此選用LMD18200T芯片（piàn）可以滿足使用要求。
電機1與電機2使用數字PID算法調速。數字PID算法是一種常用的控製算法，由等間隔時間光電編（biān）碼器的數值與給定的速度值進行比較（jiào），通過（guò）PID算法，改變C8051F047的PWM的占空比，實（shí）現電機的閉環控製，即：
（1）其中Kp為比例係數， Ki為積分（fèn）係數， Kd為微分係數（shù）， T為采樣周期。電機3和電機4隻（zhī）用來控製支架升降（jiàng），對速度無具體要求，因此隻需采集編碼器脈衝數（shù）。
3.1.3 數據傳輸
機器人爬行時，要將（jiāng）自身（shēn）狀態信息、采集到的數據（jù）、抓拍的圖片等（děng）信息發送給監（jiān）控係統；而在特（tè）殊情況（kuàng）下，監控係統也要向（xiàng）機（jī）器人發送指令，這就需要在兩者之間傳輸（shū）數據。設計傳輸距離《2Km，本文使用一對無線數傳模塊SRWF-108完成（chéng）此功能。機器人本體（tǐ）的SRWF-108占用（yòng）PC104上的COM1端口，波特率9600bps，8位數據位，共有狀態幀、指令幀和文件幀三種格式。
3.1.4 電源設計（jì）
巡線機器人在高空作業，隻能使用自備電（diàn）源。本文使（shǐ）用4節12V鉛酸蓄電池，由B1205S、B1212S、LM2678等電源轉換芯片得到係統（tǒng）需要的+12V， ±5V等電平。為了保證機器人（rén）有充足（zú）的能源，有必要監控電池（chí）電量（liàng），本文使用（yòng）DS2438Z芯片，DS2438Z芯片是DALLAS 公司推出的新一代智能電池監測芯片（piàn），具（jù）有功（gōng）能強大、體積小（xiǎo）、價格低廉等優點，並且用1-Wire總線傳（chuán）輸（shū）數（shù）據，硬件接線簡單，可用來檢測電池溫度，電（diàn）壓剩餘電量等參數。當發現電池電量不足時，機器人本體會（huì）向監控係統（tǒng）發出報警，提示更換電池。
3.1.5 控製係（xì）統的軟件
PC104控製係統的軟件用（yòng）C語言編程，開發周期短，效率高。程序需（xū）實（shí）現數據采集、係統狀態檢測、串行（háng）通訊、動作（zuò）輸（shū）出、故障處理、異常情況處理、電源監測等功能，其程序（xù）流程圖如圖4所示。與監控係統的（de）數據傳輸可以采用（yòng）查詢或中斷方式，查詢方（fāng）式的優點是編程（chéng）容易，但會占用較多的係（xì）統資源，中斷方（fāng）式（shì）則與之相反。機器人除了要進行串口通訊還要完成電（diàn）機控製、故障處理等功能，因此查詢方式（shì）不宜使用，本文使用中（zhōng）斷方式（shì）。初始化COM1和COM1中斷處理程序（xù）［5］如下：
void InitCOM（） /＊ 初始化COM1串口，設置串口參（cān）數＊/
｛ outportb（0x3fb，0x80）; /＊將設置波特率＊/
outportb（0x3f8，0x0c）; /＊波特率9600＊/
outportb（0x3f9，0x00）;
outportb（0x3fb，0x03）; /＊8個數據位，1個停止位、無奇偶（ǒu）校驗（yàn）＊/
outportb（0x3fc，0x08|0x0b）;/＊設置MCR＊/
outportb（0x3f9，0x01）; /＊開中斷＊/ ｝
void interrupt far asyncint（）
｛ char ch;
ch=inportb（0x3f8）;/＊ch 為接收到的字符數據＊/
…… ……｝
3.2 監控係統的設計
監控係統（tǒng）用Visual Basic 6.0軟件開發，VB具有（yǒu）麵向對象的可視化設計工具（jù）、事件驅動編程機製、強（qiáng）大的（de）數據庫操縱功（gōng）能、Active技術以及應用程序集成開發環境等優點（diǎn）。根據機器人係統的要求，采用模（mó）塊化（huà）思想開發了（le）較完善的監控係統，其可擴展性較強，具有電池電量監測、運（yùn）動狀態監測、線纜故障數據庫（kù）查詢、手動自動切（qiē）換等功能。能將輸電線的故障信息保存在Access數據庫中，並對故障類型、時間進行查詢。
4.結束語
本文提出（chū）了一種以PC104模塊為核心（xīn）的機器人控（kòng）製係統，解決了機器人的自主越障問題，並能識別部分線纜附件，進行無線（xiàn）數據傳輸，檢查（chá）線纜狀況等，為高壓輸電線的自動檢測（cè）提供了便（biàn）利。
（來源：電子發燒友）
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