《電子技術(shù)應(yīng)用》
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飛滑式巡線機(jī)器人控制電路的設(shè)計與實現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第11期
余 萍1,,張 虎1,,張 潔2
1.華北電力大學(xué) 電子與通信工程系,,河北 保定071003; 2.鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,,遼寧 鞍山114007
摘要: 為了進(jìn)一步優(yōu)化巡線方式,,解決電力線巡檢問題,設(shè)計了一種結(jié)合現(xiàn)有的四旋翼飛行器與巡線機(jī)器人優(yōu)點的具有飛行與線上巡檢功能的飛滑式巡線機(jī)器人,。詳細(xì)介紹了飛滑式巡線機(jī)器人控制方案的總體構(gòu)成,,設(shè)計了飛行控制和線上避障的硬件電路及控制軟件。實驗結(jié)果驗證了控制電路設(shè)計的可行性,。
中圖分類號: TM755
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)11-0034-03
The research and design of flight-sliding type inspection robot
Yu Ping1,,Zhang Hu1,Zhang Jie2
1.Department of Electronic and Communication Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,,China,; 2.School of Physical Science and Technology, Anshan Normal University, Anshan 114007,China
Abstract: In order to further optimize the methods of patrol and inspection in transmission line, flight-sliding type inspection robot is designed, which combines the advantages of quad rotor and inspection robot. The robot has a flight and online inspection function. The main function of the system,,the hardware structure and the software design are discussed in detail, including flight control and online obstacle avoidance. The experimental results show that the design is feasible.
Key words : inspection in transmission line,;flight-sliding type inspection robot,;control system

    對輸電線路的安全檢查稱為巡線,,主要包括人力巡線、車輛巡線和直升飛機(jī)巡線,。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,,不少巡線機(jī)器人的研究也進(jìn)一步得到發(fā)展,實現(xiàn)機(jī)器巡檢的方式主要有兩種:一種是將巡線機(jī)器人安裝在線路上,,沿線路爬行[1],;另一種是采用飛行機(jī)器人(直升飛機(jī))進(jìn)行飛行檢查[2]。爬行機(jī)器人需要人工幫助安裝到疏導(dǎo)線路,,再沿線路爬行工作,。由于防震錘和耐張段引流線的阻擋,爬行機(jī)器人行走速度緩慢,,巡線時間很長,,實用性差,。而飛行機(jī)器人雖然速度快,但能耗較高,,續(xù)航能力有限,,安全性差;為防止與線路或鐵塔碰撞,,要保持一定的距離,;對飛行導(dǎo)航系統(tǒng)要求精度高。針對這兩種情況,,本文將巡線機(jī)器人和四旋翼飛行器結(jié)合,,提出了飛滑式巡線機(jī)器人的設(shè)計方案。

1 飛滑式機(jī)器人的系統(tǒng)組成
    飛滑式巡線機(jī)器人在實施巡線操作時,,首先從巡線段的地面垂直起飛上升到指定的高度區(qū)域,,然后懸掛在電力線上,借助懸掛動力設(shè)備進(jìn)行線上滑行巡檢,,當(dāng)巡檢遇到防震錘及鐵塔等障礙時啟動飛行單元飛行以繞過障礙物,,再重新懸掛于電力線上繼續(xù)進(jìn)行滑行巡檢[3]。系統(tǒng)設(shè)計主要由兩部分組成:飛行控制單元和線上巡檢單元,。飛滑式巡線機(jī)器人系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

2 硬件設(shè)計
2.1 飛行控制硬件組成

    飛行控制芯片需要實現(xiàn)對傳感器信號做出快速反應(yīng),同時選型芯片還要具有較高的可靠性和數(shù)據(jù)處理能力以及較低的功耗,。而ARM處理器能夠滿足這些要求,。
2.1.1 控制芯片
    機(jī)器人飛行控制主處理器采用NXP公司的LPC11-14FA44芯片,它屬于32位LCP1100系列芯片,,是基于ARM Cortex-M0的MCU,,運行速度高達(dá)50 MHz,其功耗非常低,,平均電流不超過10 mA,。對于電池供電的飛行器來說,芯片選型有助于延長飛行器工作時間,。其功能是負(fù)責(zé)實時解算相關(guān)傳感器采集的數(shù)據(jù),,并根據(jù)相關(guān)的飛行信息,計算輸出控制量,。同時在線上巡檢過程中負(fù)責(zé)與線上巡檢部分的MCU實時通信,,參與避障動作的完成。
2.1.2 傳感芯片
    本設(shè)計是在低空低速飛行狀態(tài),,可以用6個物理量表示其狀態(tài),,在坐標(biāo)軸中有3個位置量和3個姿態(tài)量,因此本文采用三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器,。在本次設(shè)計中,,陀螺儀應(yīng)該滿足精度高,、穩(wěn)定性好、功耗低等特點,,因此選用ST200G三軸(X/Y/Z)陀螺儀,,內(nèi)部集成3個16位ADC,2.1 V~5 V供電,,電壓范圍比較廣,,6 mA低功耗,休眠模式時供電電流僅需5 μA,,具有很好的靈敏度和零偏穩(wěn)定性,,負(fù)責(zé)采集四旋翼飛行器3個方向的角速率。
    MMA8452Q是一款具有12位分辨率的智能低功耗,、三軸加速度傳感器,。這款加速度傳感器具有豐富的嵌入式功能,帶有靈活的用戶可編程選項,,可以配置兩個中斷引腳,。嵌入式中斷功能可以節(jié)省整體功耗,解除主處理器不斷輪詢數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān),。
2.1.3 電機(jī)
    本系統(tǒng)的飛行控制硬件由電機(jī),、電調(diào)和旋翼組成。電機(jī)選擇朗宇X2820KV800電機(jī),,電調(diào)選用好盈天行者40 A無刷電調(diào),,持續(xù)電流40 A,短時電流55 A,,槳直徑30 cm,,滿足作為巡線飛行器的懸掛高度要求,并且安全可靠,。
2.2 線上巡檢控制電路
    線上巡檢過程中,,要求當(dāng)飛行器懸掛于電力線上的同時啟動巡線系統(tǒng),使飛行器能夠在懸掛線上滑行,;當(dāng)遇到障礙物時,,停止電機(jī)運動,,并給飛控部分啟動信號,,啟動飛行器,進(jìn)行越障動作,。
2.2.1 主芯片選型
    線上巡檢系統(tǒng)選STM32F103RBT6作為主芯片,。這是ST公司基于ARM的最新的Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器產(chǎn)品,具有低功耗設(shè)計,,多達(dá)9個通信接口便于巡線系統(tǒng)后期擴(kuò)展,。
2.2.2 傳感模塊
    該機(jī)器人線上巡檢傳感器需要完成兩項工作,。首先當(dāng)飛行器懸掛臂懸掛于線上時,檢測是否已經(jīng)懸掛于線上,,將數(shù)值返回至主處理器,,確認(rèn)掛上后進(jìn)行線上行走。同時,,在線上滑行過程中,,需要探測前方是否有障礙物,以便及時終止線上滑行,。因此,,選用了紅外模塊檢測是否已經(jīng)懸掛于線上,而在線上滑行時則采用超聲波測距模塊探測前方是否有障礙物,。
    紅外傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng),,由一對紅外線發(fā)射與接收管組成,電路圖如圖2所示,。圖中D1,、D2指示是否有信號輸出,D3,、D4是紅外線接收與發(fā)射管,,LM393是雙電壓比較器,不需外加限幅電路就可直接驅(qū)動,。應(yīng)用時將其安裝在懸掛臂的內(nèi)側(cè),,當(dāng)懸掛臂懸掛于電力線上時,輸電線遮擋紅外模塊,,使紅外接收管接收到反射回來的紅外線,,由此檢測懸掛臂上的滑輪是否與電力線接觸完全。

    超聲波避障電路如圖4所示,,圖中T40為超聲波發(fā)射端,,R40為超聲波接收端。主控芯片采用STC11系列單片機(jī),,該芯片具有低功耗,、高速度特點。MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動T40發(fā)送超聲波信號,。由R40接收的信號經(jīng)過TL074放大后輸入到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[4],。

2.2.3 滑行動力
    線上滑行的動力由減速電機(jī)和驅(qū)動板組成。減速電機(jī)采用37GB90-500,,額定電壓為12 V,,當(dāng)電壓在3 V時仍然有相當(dāng)大的扭力,所以比較適用于帶動整個飛行器在線上滑行。驅(qū)動板采用L298P直流減速電機(jī)驅(qū)動器,,其具有高輸入阻抗設(shè)計,,適合MCU直接驅(qū)動。
2.3 電源
    本機(jī)器人采用電池供電,,因采用的芯片供電均在3.3 V左右,,因此需要將5 V的電源轉(zhuǎn)換成3.3 V,本設(shè)計采用AMS1117-3.3 DC-DC芯片實現(xiàn),。電源模塊的系統(tǒng)連接圖如圖5所示,。

 

 

3 軟件設(shè)計
3.1 飛行控制軟件總體設(shè)計

    飛滑式巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體目標(biāo)是啟動飛行控制系統(tǒng)的各個功能模塊并使之正常工作,按照既定規(guī)劃實現(xiàn)穩(wěn)定飛行,。與普通飛行器飛行控制的最大不同點是,,飛滑式巡線機(jī)器人飛行中以輸電線為飛行目標(biāo),接近目標(biāo)時需要減速并柔性接觸,,因此,,控制軟件設(shè)計中要適當(dāng)?shù)剡x取控制量,運用控制理論中模糊PID控制算法對該系統(tǒng)進(jìn)行控制,。飛行單元的主控芯片主要是完成系統(tǒng)初始化,、系統(tǒng)自檢、處理傳感器數(shù)據(jù),、解算導(dǎo)航信息,,以及執(zhí)行控制算法計算輸出控制量,系統(tǒng)啟動流程如圖6所示,。

    在導(dǎo)航解算過程中,,芯片將角速度和線加速度的結(jié)果采樣存放在ADC的結(jié)果寄存器中,采樣流程圖如圖7所示[5],。
3.2 線上避障控制總體設(shè)計
      線上避障控制軟件將控制飛滑式巡線機(jī)器人的線上滑行和避障,。系統(tǒng)啟動后,首先確定在懸掛臂兩側(cè)的紅外傳感器是否被遮擋,,一旦遮擋說明已懸掛于輸電線上,。同時通過超聲波傳感器判定前方是否有障礙物,如沒有障礙,,則控制軟件驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行線上滑行,,否則啟動飛控板實現(xiàn)飛行避障。線上避障控制流程圖如圖8所示,。

4 測試結(jié)果與性能分析
    為使飛滑式巡線機(jī)器人接近輸電線時實現(xiàn)柔性接觸,,其飛行控制采用模糊PID控制算法,通過Matlab仿真可得到相關(guān)的系統(tǒng)階躍響應(yīng),,如圖9所示,。

    圖9中,設(shè)標(biāo)定高度為1,,在0.2 s時系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),,且隨著時間推移,系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定狀態(tài),,沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,。該算法符合飛滑式巡線機(jī)器人飛行標(biāo)定高度控制要求,因此驗證了飛行控制算法的合理性,。
    避障控制的測試采用示波器測量實際電路,,并模擬避障過程。當(dāng)紅外有遮擋且超聲波無障礙時,,使用示波
器測得巡線控制電路主芯片STM32芯片I/O口產(chǎn)生PWM波,,從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動維持線上滑行;一旦超聲波傳感器前遇到障礙,,波形終止產(chǎn)生,,機(jī)器人停止滑行。同時STM32產(chǎn)生持續(xù)低電平,,激活飛行控制板進(jìn)行下一步的飛行越障,。該算法同樣符合越障控制的要求。
    本文結(jié)合四旋翼飛行器和巡線機(jī)器人的特點,,給出了飛滑式巡線機(jī)器人控制電路及軟件的設(shè)計方案,。本文詳細(xì)描述了飛滑式巡線機(jī)器人的飛行控制和越障控制硬件、軟件設(shè)計,。針對飛滑式巡線機(jī)器人的特殊飛行及避障控制要求,,利用模糊PID控制算法可使飛行控制更柔性地接近目標(biāo),采用紅外及超聲感應(yīng)模塊判斷線上懸掛和障礙檢測,,使線上避障控制滿足實際要求,。通過仿真實驗和硬件電路測試,驗證了控制系統(tǒng)的有效性和可行性,。
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