傳感與控制-機(jī)器人控制器的一種模塊化設(shè)計(jì)方法重點(diǎn)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專(zhuān)心---專(zhuān)注---專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心---專(zhuān)注---專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專(zhuān)心---專(zhuān)注---專(zhuān)業(yè)*基金項(xiàng)目:北華大學(xué)重點(diǎn)科研項(xiàng)目2004重第7號(hào)北華大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目2005第6號(hào)基于PC104的巡線(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*吳俊飛1,吳爽1,姜生元2,王新智1(1青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島;2北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,吉林吉林摘要:本文介紹了高壓輸電線(xiàn)巡線(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高壓輸電線(xiàn)巡線(xiàn)機(jī)器人的越障、線(xiàn)路檢測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好,具有良好的可靠性和實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵字:PC104;檢測(cè)機(jī)器人;控制系統(tǒng);高壓輸電線(xiàn)中圖分類(lèi)號(hào):TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BDesignofControlSystemforInspectionRobotBasedonPC104WUJun-fei,WUShuang,JIANGSheng-yuan,WANGXin-zhi(1.CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong,.2.SchoolofMechanicalEngineering,BeihuaUniversity,JilinJilin,,ChinaAbstract:ThepaperintroducesthecontrolsystemofArm-suspendedInspectionRobotalongHighVoltageTransmissionLines.Thisrobotcanobservethetransmissionlineandmonitoringbycomputer.Experimentsshowtheproposedsystemhavingsatisfactoryrunningstateandpracticalapplicationpotential.Keywords:PC104;inspectionrobot;controlsystem;highvoltagetransmissionlines1.引言高壓輸電線(xiàn)及桿塔附件長(zhǎng)期暴露在野外,因受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷,如不及時(shí)修復(fù)更換,原本微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大,最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此,電力公司需要定期對(duì)線(xiàn)路設(shè)備進(jìn)行巡檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷并加以評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果安排必要的維護(hù)和修復(fù),從而確保供電的安全可靠性。傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦,特別是對(duì)于山區(qū)和大江大河等的輸電線(xiàn)路巡檢存在很大困難,甚至一些巡檢項(xiàng)目靠常規(guī)方法都難以完成。因此,采用機(jī)器人自動(dòng)巡線(xiàn)成為保障高壓輸電線(xiàn)安全運(yùn)行的一種必要手段。高壓輸電線(xiàn)路巡線(xiàn)機(jī)器人屬于特種機(jī)器人的研究范疇,主要完成高壓供電線(xiàn)纜的無(wú)損探傷、懸垂絕緣子絕緣特性檢測(cè)、輸電線(xiàn)附件輸電性能測(cè)試、機(jī)械連接牢固性檢查、線(xiàn)纜異物清除等高空作業(yè)。國(guó)外在巡線(xiàn)機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較早,研究水平較高,1988年,日本東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線(xiàn)巡檢移動(dòng)機(jī)器人,該機(jī)器人可以沿地線(xiàn)爬行,遇到障礙物時(shí),可以通過(guò)弧形手臂輔助跨越。加拿大魁北克水電研究院的Montambault等人于2000年研制成功了輸電線(xiàn)遙控機(jī)器人,該遙控機(jī)器人可以消除電力傳輸線(xiàn)上的積冰,并可以用來(lái)線(xiàn)路巡檢平臺(tái)。國(guó)內(nèi)關(guān)于輸電線(xiàn)路巡線(xiàn)機(jī)器人的研究還處于起步階段,只有武漢水利大學(xué)、山東大學(xué)、中科院等作過(guò)一些研究。2.機(jī)器人概述由于高壓輸電線(xiàn)的線(xiàn)纜附件種類(lèi)多、形狀復(fù)雜,因此,越障成為巡線(xiàn)機(jī)器人要具備的首要功能。本文所述的機(jī)器人采用3個(gè)自由擺動(dòng)的吊臂跨越線(xiàn)纜附件,當(dāng)遇到障礙物時(shí)擺動(dòng)3個(gè)吊臂,使3個(gè)吊臂依次通過(guò)障礙物。機(jī)器人本體如圖1所示,該機(jī)器人可以在四分裂、二分裂、單股等高壓輸電線(xiàn)纜上爬行,可自主跨越懸垂絕緣子、隔離棒、防振錘、線(xiàn)夾等線(xiàn)纜附件,具有輸電線(xiàn)纜的檢測(cè)功能。機(jī)器人綜合性能指標(biāo)如下:1本體外形:850×300×700mm;2本體重量45Kg;3纜徑適應(yīng)性Ф10~Ф25mm;4移動(dòng)速度0~25m/min;5爬升角度0~30°;6控制方式:自主運(yùn)行和主從遙控操作;7故障處理:手動(dòng)/自動(dòng)。3.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)分本體控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分,如圖2所示。本體控制系統(tǒng)用來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡,控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)構(gòu)件,確保機(jī)器人可靠快速的越過(guò)障礙物,并實(shí)現(xiàn)與地面基站的命令、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸;地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的手動(dòng)/自動(dòng)控制,并監(jiān)控機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。為機(jī)器人設(shè)計(jì)自動(dòng)和手動(dòng)兩套控制系統(tǒng)的增加了機(jī)器人的靈活性與可靠性,當(dāng)其中一套系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可啟動(dòng)另一套控制系統(tǒng),另外在某些特殊的場(chǎng)合可只用手動(dòng)系統(tǒng),降低了機(jī)器人野外作業(yè)的難度,增加了機(jī)器人的應(yīng)用性。3.1機(jī)器人本體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)以嵌入式PC104工控機(jī)為核心,并配有輸入輸出擴(kuò)展板HT-750和A/D采集擴(kuò)展板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(shè)計(jì)上,而且PC104的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和擴(kuò)展都非常方便。PC104與通用PC和PC/AT標(biāo)準(zhǔn)(IEEEP996完全兼容,可以很快掌握其軟、硬件的使用,并且具備嵌入式控制的特殊要求,為嵌入式應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)平臺(tái)[1]。3.1.1故障檢測(cè)輸電線(xiàn)纜附件種類(lèi)多,形狀復(fù)雜,對(duì)機(jī)器人判斷障礙物類(lèi)型帶來(lái)了極大的困難。因此有必要攜帶多種傳感器,將多種線(xiàn)路故障檢測(cè)器集成到巡線(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上,運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù),以便提高故障探測(cè)的效率、精度和準(zhǔn)確度。主要的傳感器有CCD視覺(jué)模塊、紅外溫度傳感器、超聲波傳感器等。視覺(jué)檢測(cè)CCD模塊使用PC104上的COM2串口,用于識(shí)別高壓輸電線(xiàn)各類(lèi)附件,從原始圖像中找到目標(biāo)(防振錘、絕緣子、連接金具、隔離棒等附件所在區(qū)域,利用圖像處理技術(shù),提取障礙物特征尺寸,自動(dòng)判斷輸電線(xiàn)路上的障礙物類(lèi)型、距離,并向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制單元提供越障信息[2],形成下一步的越障策略。另外,視覺(jué)檢查一般能發(fā)現(xiàn)架空線(xiàn)表面故障現(xiàn)象,如輸電線(xiàn)表面損傷,連接金具松脫等;紅外溫度傳感器則利用高壓輸電線(xiàn)在故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生異常溫升的特點(diǎn),檢測(cè)線(xiàn)纜的異常溫升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳感器來(lái)檢測(cè)線(xiàn)纜的異常溫升,以達(dá)到檢測(cè)線(xiàn)纜故障的目的。3.1.2運(yùn)動(dòng)控制由于機(jī)器人的動(dòng)作較復(fù)雜,多數(shù)吊臂式巡線(xiàn)機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案,即用6個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)吊臂與行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方案機(jī)器人較為靈活,但多電機(jī)增加了機(jī)器人的重量,不利于機(jī)器人自身平衡。本文用2個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)需要的動(dòng)作,通過(guò)3個(gè)電磁離合器與圖2中的電機(jī)1配合控制三個(gè)吊臂的擺動(dòng),用電機(jī)2控制機(jī)器人行走。為了增加檢測(cè)的靈活性,在機(jī)器人上增加了兩個(gè)可升降的傳感器支架,分別用電機(jī)3和電機(jī)4帶動(dòng)。驅(qū)動(dòng)框圖如圖3所示,用SiliconLab公司的高性能單片機(jī)C8051F047和H橋組件LMD18200T來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。LMD18200T是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS推出運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用H橋組件,內(nèi)部集成了CMOS控制電路和DMOS驅(qū)動(dòng)電路,峰值輸出電流高達(dá)6A,連續(xù)輸出電流3A,工作電壓高達(dá)55V,具有溫度報(bào)警和過(guò)熱與短路保護(hù)功能。本文所選電機(jī)的連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流在3A左右,因此選用LMD18200T芯片可以滿(mǎn)足使用要求。電機(jī)1與電機(jī)2使用數(shù)字PID算法調(diào)速。數(shù)字PID算法是一種常用的控制算法,由等間隔時(shí)間光電編碼器的數(shù)值與給定的速度值進(jìn)行比較,通過(guò)PID算法,改變C8051F047的PWM的占空比,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制,即:Tkekekiekkekkudkiip1(((((1??++=∑=(1(1其中pk為比例系數(shù),ik為積分系數(shù),dk為微分系數(shù),T為采樣周期[3]。電機(jī)3和電機(jī)4只用來(lái)控制支架升降,對(duì)速度無(wú)具體要求,因此只需采集編碼器脈沖數(shù)。3.1.3數(shù)據(jù)傳輸機(jī)器人爬行時(shí),要將自身狀態(tài)信息、采集到的數(shù)據(jù)、抓拍的圖片等信息發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng);而在特殊情況下,監(jiān)控系統(tǒng)也要向機(jī)器人發(fā)送指令,這就需要在兩者之間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)傳輸距離<2Km,本文使用一對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊SRWF-108完成此功能。機(jī)器人本體的SRWF-108占用PC104上的COM1端口[4],波特率9600bps,8位數(shù)據(jù)位,共有狀態(tài)幀、指令幀和文件幀三種格式。3.1.4電源設(shè)計(jì)巡線(xiàn)機(jī)器人在高空作業(yè),只能使用自備電源。本文使用4節(jié)12V鉛酸蓄電池,由B1205S、B1212S、LM2678等電源轉(zhuǎn)換芯片得到系統(tǒng)需要的+12V,±5V等電平。為了保證機(jī)器人有充足的能源,有必要監(jiān)控電池電量,本文使用DS2438Z芯片,DS2438Z芯片是DALLAS公司推出的新一代智能電池監(jiān)測(cè)芯片,具有功能強(qiáng)大、體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),并且用1-Wire總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù),硬件接線(xiàn)簡(jiǎn)單,可用來(lái)檢測(cè)電池溫度,電壓剩余電量等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池電量不足時(shí),機(jī)器人本體會(huì)向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警,提示更換電池。3.1.5控制系統(tǒng)的軟件PC104控制系統(tǒng)的軟件用C語(yǔ)言編程,開(kāi)發(fā)周期短,效率高。程序需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、串行通訊、動(dòng)作輸出、故障處理、異常情況處理、電源監(jiān)測(cè)等功能,其程序流程圖如圖4所示。與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以采用查詢(xún)或中斷方式,查詢(xún)方式的優(yōu)點(diǎn)是編程容易,但會(huì)占用較多的系統(tǒng)資源,中斷方式則與之相反。機(jī)器人除了要進(jìn)行串口通訊還要完成電機(jī)控制、故障處理等功能,因此查詢(xún)方式不宜使用,本文使用中斷方式。初始化COM1和COM1中斷處理程序[5]如下:voidInitCOM(/*初始化COM1串口,設(shè)置串口參數(shù)*/{outportb(0x3fb,0x80;/*將設(shè)置波特率*/outportb(0x3f8,0x0c;/*波特率9600*/outportb(0x3f9,0x00;outportb(0x3fb,0x03;/*8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)*/outportb(0x3fc,0x08|0x0b;/*設(shè)置MCR*/outportb(0x3f9,0x01;/*開(kāi)中斷*/}voidinterruptfarasyncint({charch;ch=inportb(0x3f8;/*ch為接收到的字符數(shù)據(jù)*/…………}3.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)用VisualBasic6.0軟件開(kāi)發(fā),VB具有面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計(jì)工具、事件驅(qū)動(dòng)編程機(jī)制、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)操縱功能、Active技術(shù)以及應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的要求,采用模塊化思想開(kāi)發(fā)了較完善的監(jiān)控系統(tǒng),其可擴(kuò)展性較強(qiáng),具有電池電量監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、線(xiàn)纜故障數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)、手動(dòng)自動(dòng)切換等功能。能將輸電線(xiàn)的故障信息保存在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中,并對(duì)故障類(lèi)型、時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)。4.結(jié)束語(yǔ)本文提出了一種以PC104模塊為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng),解決了機(jī)器人的自主越障問(wèn)題,并能識(shí)別部分線(xiàn)纜附件,進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,檢查線(xiàn)纜狀況等,為高壓輸電線(xiàn)的自動(dòng)檢測(cè)提供了便利。參考文獻(xiàn)[1]錢(qián)陸均,沈希.基于PC104總線(xiàn)的嵌入式溫度控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004(15:87-91.[2]熊曉明,梁自澤,譚民.輸電線(xiàn)路障礙物的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[J].高技術(shù)通訊,2005,15(2:39-42.[3]張秀麗,鄭浩峻,趙里遙.一種小型管道檢測(cè)機(jī)器人[J].機(jī)器人,2001,7:626-629.[4]張穩(wěn)穩(wěn),歐陽(yáng)嫻,白永林.PC104串口通訊在工程中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,2:57-59.[5]龔建偉.熊光明.VisualC++/TurboC串口通訊編程實(shí)踐[M].電子工業(yè)出版社.2004作者簡(jiǎn)介:吳俊飛(1968-,男,漢,博士,副教授.研究領(lǐng)域:壓力容器安全工程、機(jī)器人技術(shù)。吳爽(1982-,男,漢,碩士研究生.研究領(lǐng)域:機(jī)器人技術(shù),E-mail:wushuangqu