变电站巡检机器人运动控制系统分析

张剑鹏 陈德凯

云南电网有限责任公司昆明供电局 云南 昆明 650000

1 行走方式

1.1 轮式 轮式机构是应用最广泛的行走方式之一。轮式机构具有移动灵活、机械结构简单等优点。在相对平坦的地面上,轮式机构具有突出优势,运行速度较高。但轮式移动机构越过壕沟、台阶的能力较低。由于与地面接触面积小,其在较柔软、光滑的路面易发生沉陷或打滑现象。

1.2 履带式 履带式移动机器人的缺点主要有运行速度相对较低、转向不灵活、减振性能差、运动噪声较大、功耗大,而且对地面有较大的剪切破坏作用,当地面环境恶劣时,履带可能磨损甚至磨断。履带机械结构复杂,整体重量大,行走功耗也相对较大。通过对巡检机器人行走方式的长期跟踪研究,从地形适应能力、运行速度、控制精度、功耗、技术成熟度和可靠性等角度综合分析,在变电站地面相对平坦的情况下,巡检机器人行走系统适宜采用轮式结构。本文采用两轮差速驱动,两轮万向随动,具有结构简单、控制灵活等优势。

2 引导与定位方式

在变电站巡检中,机器人按照规划路径行驶,在指定位置停靠,进行设备检查。整个运行过程完全自动化,无需人工干预。运行控制系统要保证机器人不偏离轨道,准确停靠,必须依靠辅助装置提供地理信息。本文中运动控制系统通过磁轨迹引导与RFID定位,获取机器人的位置和姿态信息。在规划的机器人巡检路线下铺设磁条,由机器人前部的磁传感器阵列检测机器人相对于磁轨迹的偏移。根据偏移信息,电机驱动控制模块控制驱动轮差速,万向轮随动,调整机器人运行姿态,跟踪磁轨迹。在巡检路线的相应位置预埋RFID标签,RFID标签的串号与地理位置一一对应。机器人运动时,RFID读卡器读取标签串号并上传给工控机。工控机根据标签串号判断机器人所处位置,下发停车、转弯等相应控制指令给电机驱动控制器,进行运动状态调整。磁轨迹引导与RFID定位简单可靠,精度较高,对传感器要求低,抗干扰能力强。

3 系统硬件设计

1)CPU 控制器：采用高性能、低功耗、宽电压的8 位微处理器ATmega 128L,工作于16 mHz时性能可达16 mIPS。外设丰富,完全满足系统功能要求。2)串口通信：通过串口与上位工控机进行信息交互。3)PWM 输出和编码器采集：PWM 信号经过施密特触发器后接入驱动器,控制永磁无刷直流电机。电机编码器Z相信号经施密特触发器接入CPU 中断源,计算一般行驶距离。B相脉冲经施密特触发器接入CPU 中断源,计算停车定位距离。A/B相信号经D触发器接入CPU 普通I/O引脚,判断运动方向。4)磁传感器和超声传感器：经过接口转换,磁传感器信号和超声传感器信号接入CPU,判断机器人运行姿态和障碍物情况。5)外部存储器：存储配置信息和故障记录等。采用256k B非易失性存储器,内置实时时钟、看门狗等功能。

4 系统软件设计

各模块主要功能：1)速度计算模块：根据编码器信号,判断电机方向和速度。2)距离计算模块：根据编码器信号,判断从指定时刻或位置开始的电机行驶距离。3)运动控制模块：控制机器人运动状态,如直行、转弯等。4)寻磁算法模块：根据磁传感器信号,计算机器人相对磁轨迹的偏离程度。5)停障算法模块：根据超声信号,判断有无障碍,避免发生碰撞事故。6)串口通信模块：按照一定的通信协议,与工控机进行信息交互。7)事项存储模块：以事项形式非易失性存储命令执行和异常发生时的状态。8)实时时钟模块：提供日期和时间信息,可软件校时,防掉电丢失。各功能模块共同构成运动控制系统软件,完成命令处理、信息反馈等任务。各模块不是孤立存在的,而是紧密联系、相互协作的,如运动控制模块中就必须调用寻磁算法模块。

5 运动控制算法

5.1 比例微分寻磁算法 机器人底盘前方固定有8个磁传感器,组成磁传感器阵列。磁传感器检测到磁信号后,输出高电平。通过对磁传感器进行位置编码,为寻磁算法比例调速环节提供支持。将单个磁传感器位置从左至右进行权值编码。当相邻磁传感器同时亮起时,位置编码进行加权计算。为保证机器人跟踪磁轨迹快速平稳,寻磁算法还引入微分调速环节。根据机器人相对磁轨迹的偏离趋势提前反应,及时调整左右轮速度,每5 mS存储一组磁传感器偏离数据,共存储100组,并通过平滑滤波去除干扰。

5.2 分段补偿误差算法 机器人的定位精度受诸多因素影响,比如读卡器读取RFID标签的位置和速度、控制算法的误差等。经测试,机器人的运动误差随速度增加会放大。通过进一步采用分段补偿误差措施,提高不同速度情况的定位精度。使机器人在1.2 m/S速度下定位误差小于2c m,工程应用效果良好。

5.3 S曲线加减速算法 巡检中,机器人在检测点位置频繁启停,如果没有合适的加减速算法,很容易产生抖动,影响电机寿命,定位精度也难以保证。本文选择S曲线加减速算法控制启停,保证机器人平滑稳定运行,降低机械零件的磨损,提高可靠性。因为系统速度变化曲线呈S形,所以称为S曲线控制算法,这是一种速度和加速度变化都非常平滑的加减速运动控制算法。

5.4 脉冲计数转换算法 机器人直行指定距离和以1/2驱动轮轮距为回转半径转过指定角度,都是通过计算转换编码器脉冲数实现的。电机每转一圈编码器输出500个B相脉冲。驱动轮周长为88c m,齿轮减速比为43。即机器人直行1c m 距离对应43×500÷88＝244个编码器B相脉冲。当2个驱动轮速度大小相等、方向相反时,机器人以驱动轮轮距中心为圆心原地转弯。驱动轮轮距为49.2c m,当原地回转360°时,驱动轮走过的距离为π×49.2＝154.5c m,即每转过1°对应的B相脉冲数为(154.5÷360)×244＝105个。

6 结语

本文介绍的变电站巡检机器人运动控制系统采用磁轨迹引导与RFID定位,两轮驱动差速,两轮万向随动,结构简单,可靠性高,控制灵活,抗干扰能力强。停车定位精度高。经工程验证,能满足变电站巡检机器人的应用要求。