付 淵,賈 龍,田月煒

（1．貴陽供電局，貴州貴陽，550000；2．北京方智科技有限公司，北京，100000）

0 引言

變電站人工巡檢方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，主觀因素多，巡檢不到位難以監(jiān)控，檢測質(zhì)量難以控制，巡檢結(jié)果數(shù)字化不便等問題。變電站巡檢機(jī)器人攜帶紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、拾音器等檢測設(shè)備對電力設(shè)備進(jìn)行檢測，在一定程度上解決了上述問題。機(jī)器人巡檢部分替代人工巡檢已經(jīng)成為一種趨勢。巡檢機(jī)器人對電力設(shè)備進(jìn)行檢測的工作流程為：機(jī)器人按照規(guī)劃路線運(yùn)行至設(shè)備檢測位置（檢測點(diǎn)）后，調(diào)用云臺(tái)預(yù)置位，使檢測設(shè)備對準(zhǔn)待檢電力設(shè)備。然后將采集到的電力設(shè)備圖片及狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控后臺(tái)，進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析。整個(gè)檢測過程中，云臺(tái)處于承上啟下的位置，其性能直接影響巡檢機(jī)器人完成巡檢任務(wù)的質(zhì)量。

市場常見云臺(tái)并不能完全滿足變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用要求，主要體現(xiàn)在：

1）變電站內(nèi)待檢電力設(shè)備數(shù)量多，檢測點(diǎn)多，要求云臺(tái)預(yù)置位在1000個(gè)以上。但市場現(xiàn)有的云臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品預(yù)置位最多為256個(gè)。

2）預(yù)置位坐標(biāo)保存在板卡本地，數(shù)據(jù)安全性不高，更換云臺(tái)時(shí)復(fù)用坐標(biāo)不便。

3）不支持坐標(biāo)調(diào)用，不便于進(jìn)行二次開發(fā)和高級(jí)應(yīng)用。

針對上述不足，本文在分析變電站巡檢機(jī)器人應(yīng)用要求的基礎(chǔ)上，研究了云臺(tái)控制系統(tǒng)。重點(diǎn)論述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，電機(jī)選型，驅(qū)動(dòng)控制電路，軟件設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

為使機(jī)器人長期可靠、快速準(zhǔn)確地獲取設(shè)備圖片和狀態(tài)數(shù)據(jù)，要求云臺(tái)具有控制靈活、響應(yīng)迅速、位置精度高、預(yù)置位數(shù)量多、可靠性高、防護(hù)能力強(qiáng)、便于集成及二次開發(fā)等特點(diǎn)。本文所述云臺(tái)專門針對變電站巡檢機(jī)器人室外全天候、強(qiáng)電磁、強(qiáng)震動(dòng)的應(yīng)用場合設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP66，符合國家車載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，具備高電磁兼容度。通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，解決了引言所述市場常見云臺(tái)在變電站巡檢機(jī)器人應(yīng)用中存在的問題。

工控機(jī)根據(jù)監(jiān)控后臺(tái)規(guī)劃的巡檢任務(wù)及當(dāng)前位置信息，通過485接口給云臺(tái)控制板下發(fā)控制指令，包括預(yù)置位調(diào)用、自檢、參數(shù)查詢等。云臺(tái)控制板驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)橫轉(zhuǎn)、俯仰。通過槽型光電開關(guān)的反饋信號(hào)確定云臺(tái)的原點(diǎn)位置。橫轉(zhuǎn)方向電氣連接采用滑環(huán)，不受機(jī)械位置限制。垂直方向±90°設(shè)置有機(jī)械限位。本文所述云臺(tái)的主要運(yùn)行參數(shù)包括：角度：水平：0~360°；垂直 ：-90°（±2°）~+90°（±2°）。勻速階段速度 ：水平 ：9° /s～36°/s；垂直：9°/s～36°/s?？刂贫ㄎ痪龋?.02°。預(yù)置位數(shù)量：本地1000個(gè)，監(jiān)控后臺(tái)可存預(yù)置位數(shù)量視存儲(chǔ)空間而定。

2 電機(jī)選型

2.1 電機(jī)類型

本文采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能夠在開環(huán)條件下對速度和位置進(jìn)行精確控制，控制簡單，精度較高，性價(jià)比高?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)既具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距小的特點(diǎn)，又具有永磁式步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩大、繞組電感小的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁體。定子激磁只需提供變化的磁場即可，所以效率高、電流小、發(fā)熱低、定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。二相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步進(jìn)頻率高、反應(yīng)速度快，是最常用的混合式步進(jìn)電機(jī)之一。

2.2 承載能力計(jì)算

根據(jù)應(yīng)用要求，確定云臺(tái)的最大負(fù)載，選擇具備承載能力的電機(jī)，對保證云臺(tái)穩(wěn)定可靠運(yùn)行非常重要。本文所述云臺(tái)搭載可見光攝像機(jī)及紅外熱像儀，最大負(fù)載約為1kg。采用雙側(cè)載結(jié)構(gòu)，搭載設(shè)備的重心到云臺(tái)回轉(zhuǎn)中心的距離為25mm。垂直方向旋轉(zhuǎn)的最大角度為90°。云臺(tái)承載能力計(jì)算以回轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)。云臺(tái)輸出轉(zhuǎn)矩T必須大于最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，預(yù)留40%裕量，計(jì)算如式1所示：

其中，m為載荷質(zhì)量，重力系數(shù)g取9.8 N/kg，計(jì)算得：T＞0.41N.m。垂直方向是云臺(tái)的主要承載方向，水平方向受到的負(fù)載壓力小于垂直方向。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并考慮采購及庫存管理的便利性，水平方向與垂直方向選用的電機(jī)一致。綜上所述，本文中云臺(tái)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，額定電壓12V，額定電流1A，靜力矩0.53N.m，步距角0.3°。

3 驅(qū)動(dòng)控制電路

歩進(jìn)電機(jī)分辨率受機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，直接控制精度不高。步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪音，頻率突變過大會(huì)造成失步或者過沖的現(xiàn)象，這些都會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的定位精度和使用壽命。為克服上述缺陷，本文采用微步控制技術(shù)，使電機(jī)步進(jìn)角度減小，低頻振動(dòng)減小，分辨率提高，達(dá)到可靠運(yùn)行、精確定位的目的。

步進(jìn)電機(jī)微步控制一般由單片機(jī)進(jìn)行線圈通電順序編碼，控制相對復(fù)雜。本文采用內(nèi)置1/32微步分度器的驅(qū)動(dòng)芯片DRV8824驅(qū)動(dòng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。無需編碼，內(nèi)置分度器即可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)所需的所有波形。云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2所示（以單個(gè)電機(jī)為例，云臺(tái)兩個(gè)電機(jī)控制原理一致）。DIR引腳控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。PWM信號(hào)經(jīng)STEP引腳，控制步進(jìn)電機(jī)的速度和位置。通過nENBL、nRESET和SLEEP引腳設(shè)置驅(qū)動(dòng)芯片工作狀態(tài)。通過MODE2:0引腳設(shè)置驅(qū)動(dòng)微步細(xì)分?jǐn)?shù)。本文中MODE2:0=4，將整步細(xì)分為16個(gè)微步。通過ISENA和ISENB引腳連接采樣電阻，實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)繞組電流，防止過流。

其中，RISENSE為采樣電阻值（R24、R25阻值）和VREFX為參考電壓（引腳AVREF，BVREF電壓）。經(jīng)計(jì)算，本文中電機(jī)繞組電流控制為小于1.1A。

4 軟件開發(fā)

4.1 系統(tǒng)流程

本文所述云臺(tái)控制系統(tǒng)軟件采用基于命令觸發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)，執(zhí)行工控機(jī)的控制命令，并反饋執(zhí)行狀態(tài)。其它隨機(jī)事件由中斷進(jìn)程處理。系統(tǒng)核心功能是云臺(tái)電機(jī)的速度和位置控制。

4.2 通信協(xié)議

本文所述云臺(tái)采用485接口與工控機(jī)通訊，支持通用的PELCO_D協(xié)議，另外為了便于上傳預(yù)置位坐標(biāo)數(shù)據(jù)到監(jiān)控后臺(tái)，支持坐標(biāo)調(diào)用，方便調(diào)試，自行制定了一套私有協(xié)議，格式如圖1所示。

圖1 云臺(tái)控制私有協(xié)議

私有協(xié)議幀長度為9個(gè)字節(jié)，其中：SYN為幀頭同步字節(jié)；ADR為地址字節(jié)；C1和C2為命令字節(jié)，表明云臺(tái)所要執(zhí)行的命令；D1到D4為數(shù)據(jù)字節(jié)，為命令所需的標(biāo)志或參數(shù)；CHK為校驗(yàn)字節(jié)。

系統(tǒng)根據(jù)功能需要設(shè)置的命令包括：版本號(hào)查詢、系統(tǒng)重啟、自檢、姿態(tài)控制、當(dāng)前位置坐標(biāo)讀取、指定預(yù)置位坐標(biāo)讀取、預(yù)置位設(shè)置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋等。使云臺(tái)位置坐標(biāo)的讀取、上傳、存儲(chǔ)、調(diào)用、復(fù)用更加方便、安全。與位置坐標(biāo)對應(yīng)的預(yù)置位數(shù)量理論上擴(kuò)充為無窮。

4.3 速度控制

實(shí)際運(yùn)行過程中，由于巡檢任務(wù)的特殊性，要求云臺(tái)電機(jī)能夠快速啟動(dòng)、高速運(yùn)轉(zhuǎn)、立即停止。歩進(jìn)電機(jī)速度與控制脈沖頻率有關(guān)。啟動(dòng)頻率過高會(huì)使步進(jìn)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)、失歩（步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率必須小于最大牽入頻率）。停止頻率過低會(huì)使步進(jìn)電機(jī)發(fā)生過沖現(xiàn)象。本文采用的啟動(dòng)頻率和停止頻率均為500Hz。即啟動(dòng)時(shí)，控制脈沖頻率為500Hz，然后逐漸提高至目標(biāo)頻率。停止時(shí)，控制脈沖頻率先逐漸降低至500Hz，然后停止輸出控制脈沖。為防止運(yùn)行速度過快，停止沖擊過大，本文中將控制脈沖頻率設(shè)定為不大于2KHz。

本文所述云臺(tái)以單片機(jī)ATmega128為控制核心，采用相頻修正PWM模式控制步進(jìn)電機(jī)的速度和位置。為使步進(jìn)電機(jī)從起始速度平穩(wěn)加速至目標(biāo)速度，需要周期性均勻的改變當(dāng)前速度。本文中使用兩個(gè)定時(shí)器。一個(gè)是速度定時(shí)器，用于產(chǎn)生精確的PWM脈沖，控制每秒步進(jìn)SPS（step per second），即步進(jìn)電機(jī)速度。另一個(gè)是加速度定時(shí)器，用于周期性地改變速度定時(shí)器。速度定時(shí)器TOP數(shù)值SPS_timer_register計(jì)算如式3所示：

本文中采用的晶振為14.7456M，分頻系數(shù)為256。經(jīng)過計(jì)算，SPS_timer_register = 14745600/(2*256*SPS) = 28800/ SPS

改變速度定時(shí)器TOP數(shù)值即可改變電機(jī)速度?？紤]到速度定時(shí)器的位數(shù)限制，且加減速過快影響云臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性等因素，本文設(shè)置ATmega128的定時(shí)器0為加速度定時(shí)器，工作在普通模式。需要調(diào)整云臺(tái)速度時(shí)，加速度定時(shí)器每10ms中斷一次，使速度定時(shí)器TOP數(shù)值增加或減少4個(gè)LSB（Least Significant Bit）。

4.4 位置控制

速度定時(shí)器工作在相頻修正PWM模式時(shí)，其OCRnx寄存器通過雙緩沖方式得到更新的同一個(gè)時(shí)鐘周期里溢出標(biāo)志TOVn置位。根據(jù)溢出中斷進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，可以確定步進(jìn)電機(jī)的相對步進(jìn)數(shù)。根據(jù)原點(diǎn)位置和相對步進(jìn)數(shù)即可確定絕對位置。步進(jìn)電機(jī)斷電后，位置可能發(fā)生變化，所以每次上電后都要進(jìn)行自檢。通過凹槽型光電開關(guān)的反饋信號(hào)確定步進(jìn)電機(jī)的原點(diǎn)位置。

當(dāng)需要執(zhí)行某個(gè)目標(biāo)步進(jìn)數(shù)時(shí)（目標(biāo)步進(jìn)數(shù)執(zhí)行完畢，立即停止電機(jī)），為保護(hù)云臺(tái)電機(jī)，必須不斷對比當(dāng)前步進(jìn)數(shù)與目標(biāo)步進(jìn)數(shù)，控制加減速過程。一般將步進(jìn)總數(shù)的20%用于電機(jī)加速，60%用于電機(jī)恒速，其余20%用于減速。本文考慮程序運(yùn)行速度，將算法簡化。位置控制時(shí)，當(dāng)已執(zhí)行步進(jìn)數(shù)executed steps與目標(biāo)步進(jìn)數(shù)number of steps差值小于設(shè)定值時(shí)，即開始減速，逐漸將控制脈沖頻率降低至500Hz。當(dāng)已執(zhí)行步進(jìn)數(shù)executed steps等于目標(biāo)步進(jìn)數(shù)number of steps-1時(shí)，停止輸出控制脈沖。

5 結(jié)束語

巡檢機(jī)器人為提高變電站的數(shù)字化程度和全方位監(jiān)控的自動(dòng)化水平，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。云臺(tái)作為主要功能部件，在機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)過程中起到關(guān)鍵作用。本文在分析變電站巡檢機(jī)器人應(yīng)用要求的基礎(chǔ)上，研究了云臺(tái)控制系統(tǒng)。

基于內(nèi)置分度器的驅(qū)動(dòng)芯片，細(xì)分控制二相混合式步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)橫轉(zhuǎn)、俯仰，控制相對簡單、控制精度高、穩(wěn)定性好。通過支持絕對坐標(biāo)調(diào)用，并將位置坐標(biāo)上傳至監(jiān)控后臺(tái)，增加預(yù)置位數(shù)量，提高坐標(biāo)數(shù)據(jù)的安全性和易用性。便于進(jìn)行二次開發(fā)和高級(jí)應(yīng)用，也便于更換云臺(tái)時(shí)復(fù)用預(yù)置位。綜上所述，本文研究的巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制系統(tǒng)，較好地解決了常見云臺(tái)在巡檢機(jī)器人應(yīng)用中存在的一些問題，經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證，效果良好。