劉培焱，劉豐碩，沈 瑤，孫 敏

（西安交通大學 電工電子教學實驗中心，陜西 西安 710049）

0 引 言

電力系統(tǒng)變電站是電力傳輸與分配的樞紐，變電站設備的可靠運行，直接影響到輸變電站生產安全?，F(xiàn)在電力系統(tǒng)的規(guī)模及巡檢環(huán)境復雜性不斷增加，巡檢任務強度也不斷上升，巡檢內容變得更加復雜，信息化對變電站巡檢工作的數(shù)據(jù)保存以及實時評估等方面的要求也越來越高[1]。隨著計算機技術、信息通信技術及人工智能技術的不斷發(fā)展，機器人智能化巡檢系統(tǒng)逐漸進入人們的視野，許多變電站逐步引入智能機器人代替人工巡檢。智能巡檢機器人能夠實現(xiàn)全天候不間斷巡檢，一方面有效提高巡檢質量、降低人工勞動強度和安全風險[2]，另一方面提高了變電站工作的自動化程度，減少了電力系統(tǒng)現(xiàn)場運維人員的投入。

隨著技術的不斷發(fā)展，智能監(jiān)測系統(tǒng)不斷更新，功能不斷完善，其必在不久的將來完全取代傳統(tǒng)的巡檢方式，在巡檢工作中發(fā)揮巨大的作用。提升智能巡檢系統(tǒng)的巡檢效率和完善后臺程序是未來智能巡檢系統(tǒng)明確的發(fā)展方向[3]。此外，變電站智能巡檢機器人契合“信息化、數(shù)字化、自動化、互動化”為特征的智能電網(wǎng)建設的深入，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”信息化模式下的智能巡檢將推動“智能電網(wǎng)”建設。

本文以樹莓派4B 為上位機，STM32F103RCT6 為主控芯片，設計了一款用于變電站智能巡檢的兩輪差速機器人。為了實現(xiàn)智能巡檢，機器人應能夠自主運行并規(guī)劃路徑，本文重點研究了智能機器人主體搭建、速度閉環(huán)控制及ROS系統(tǒng)中的建圖和導航功能，為實現(xiàn)機器人智能巡檢奠定基礎。

1 系統(tǒng)硬件設計

在機器人硬件設計方案中采用分立模塊進行設計，圖1所示為控制系統(tǒng)硬件設計框圖，主要模塊包括：

圖1 控制電路硬件設計框圖

（1）樹莓派4B，安裝Ubuntu 20.04 系統(tǒng)，并在Ubuntu系統(tǒng)上安裝ROS Noetic 系統(tǒng)，用以實現(xiàn)地圖構建和導航。

（2）激光雷達，與樹莓派配合實現(xiàn)地圖構建。

（3）主控板STM32F103RCT6，用于控制機器人運動，獲取各種傳感器信息，如航向角MPU6050、藍牙和編碼器信號。

（4）帶編碼器電機和電機驅動，電機驅動A4950 接收主控板STM32 的PWM 信號，驅動電機旋轉，同時電機輸出正交編碼信號，用于測速。

智能巡檢機器人系統(tǒng)所包含的硬件模塊如圖2所示，分別是機器人車體、車輪、帶編碼器電機及驅動、STM32 單片機、安裝Ubuntu 20.04+ROS Noetic 系統(tǒng)的樹莓派和各種傳感器。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊

各個模塊的具體參數(shù)和功能如下：

（1）上位機。本項目選用樹莓派4B 作為上位機。樹莓派（Raspberry Pi）是一款基于ARM 的微型計算機主板，以SD/MicroSD 卡為內存硬盤，主板周圍有4 個USB 接口和1 個10/100 以太網(wǎng)接口，具備PC 的基本功能。在本項目中，樹莓派4B安裝Ubuntu 20.04和ROS Noetic系統(tǒng)，用于建圖和導航。

（2）單片機控制板。STM32F1 系列微控制器是當前使用最為廣泛的單片機，具有豐富的接口資源。基于STM32CubeMX[4]的圖形化開發(fā)環(huán)境為學習者提供了極大的便利，提高了開發(fā)效率。本項目使用的主控芯片是STM32F103RCT6，優(yōu)點是輕便、簡單，包含基本電源模塊和USB 接口，芯片的所有引腳均引出，易于開發(fā)。

（3）車體選擇。本項目選擇金屬結構的兩輪差速機器人，該機器人共有3 個輪，前端一個全向輪，后端兩個驅動輪，通過兩個驅動輪的差速配合可以實現(xiàn)前進、后退、轉彎等運動。電機為帶霍爾編碼器的直流減速電機。編碼器能夠將電機的轉動信息轉換為脈沖信號，采用正交編碼，當電機旋轉時，編碼器輸出兩路相位相差為90°的脈沖信號，通過檢測兩路脈沖信號的相位關系可以確定電機的旋轉方向，可用于測速。

（4）藍牙模塊。藍牙技術是取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術[5]。藍牙模塊是指集成藍牙功能的基本電路集合，用于無線網(wǎng)絡通信。本項目使用藍牙HC-05 模塊與單片機串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在智能手機端安裝SPP 藍牙助手，實現(xiàn)機器人遠程控制。

（5）MPU6050 模塊。MPU6050 內部整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速度傳感器，利用自帶的數(shù)字運動處理器（Digital Motion Processor,DMP）硬件加速引擎，通過I2C 接口，向單片機輸出完整的9 軸融合演算數(shù)據(jù)。本項目中用于為ROS機器人的建圖導航提供航向角數(shù)據(jù)。

（6）激光雷達。激光雷達是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。本項目所使用的激光雷達型號為思嵐A1，在ROS 系統(tǒng)中運行Rviz 可視化界面即可得到激光雷達建立的點云模型，配合機器人的運動數(shù)據(jù)以及ROS建圖功能包可以實時構建地圖信息。

各硬件模塊相互聯(lián)系和配合，構成如圖3所示兩輪差速智能巡檢機器人的整體結構。

圖3 兩輪差速機器人車體

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 機器人運動控制

根據(jù)各模塊的特點，先列出各硬件模塊所需要的資源，見表1所列。

表1 單片機硬件資源需求

根據(jù)硬件模塊資源需求及主控芯片各引腳的功能，對STM32CubeMX 中主控芯片的管腳進行分配。在分配好管腳之后，就可以開始對各模塊進行測試。

機器人運動的軟件控制框圖如圖4所示。上電啟動后，先對定時器和串口進行初始化配置，如啟動定時器TIM6開始定時，開啟UART4 接收手機藍牙信號。當手機藍牙發(fā)送機器人運動命令后，機器人開始運動，同時在TIM6的定時中斷服務函數(shù)中讀取編碼器數(shù)據(jù)，進行速度PID控制。

圖4 機器人系統(tǒng)軟件控制框圖

2.2 速度PID 控制

在自動控制系統(tǒng)中，PID 控制器是最為廣泛應用的一種控制方法，它具有原理簡單、參數(shù)整定簡便和易于實現(xiàn)的優(yōu)點。PID 算法采用閉環(huán)控制，通過比例、積分和微分控制有效地糾正被控制對象的偏差，從而使其達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

本系統(tǒng)的控制目標是控制機器人兩個電機的速度一致，以便構建地圖。由于電機轉速與電機外加電壓（即PWM 波占空比）的大小成正比，這就構成了PID 調節(jié)的基礎。速度閉環(huán)控制的方法是，通過編碼器檢測單位時間內的脈沖數(shù)來測量電機的轉速，并與設定的轉速目標值對比，得到控制偏差；通過對控制偏差進行比例、積分和微分控制，得到PWM 波脈寬的增量，根據(jù)PWM 波脈寬的增量重新計算并更新PWM，實現(xiàn)機器人速度閉環(huán)控制的目的。

模擬PID 控制器的數(shù)學模型可以用式（1）的微分方程表示：

式中：u(t)是t時刻調節(jié)器的輸出；Kp是比例系數(shù)；e(t)是調節(jié)器的輸入；Ti是積分時間常數(shù)；Td是微分時間常數(shù)。

由于單片機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制量直接進行計算，而且得到的速度值也為離散值，故必須對式（1）的PID 算式進行離散化處理。采用數(shù)字式的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，得到增量式離散PID 公式：

式中：Kp、Ki和Kd分別稱為比例、積分和微分系數(shù)；e(k)為本次偏差；e(k-1)為上一次偏差；e(k-2)為上上次的偏差[6-8]。

要對速度實現(xiàn)PID 閉環(huán)控制算法，首先要測量速度，在本項目中根據(jù)測量單位時間內編碼器輸出的脈沖信號個數(shù)來計算速度。主控芯片的定時器自帶編碼器接口模式，極大地簡化了速度測量過程。由表1可知，選擇定時器TIM2 和TIM3 為編碼器接口模式，分別測量兩個車輪的轉速。定時器TIM6 每隔10 ms 產生定時中斷，在中斷函數(shù)中，首先獲取當前編碼器的數(shù)值，根據(jù)式（2）對當前獲取的編碼器速度值與設定的目標值的偏差進行PID 運算，得到每個輪子的PWM 脈寬增量，在定時器TIM6 的定時中斷函數(shù)中更新每個輪子的PWM 脈寬，實現(xiàn)實時調節(jié)速度。

在PID 算法中，調節(jié)Kp、Ki和Kd系數(shù)是非常關鍵的。在本系統(tǒng)中，通過多次實際測試，最終選擇Kp=8、Ki=1 和Kd=0。表2所示為對PID 算法的測試情況，由表2可知，本文所用PID 算法可以實現(xiàn)對差速機器人的速度控制。

表2 速度PID 算法測試

2.3 基于ROS 的地圖構建與導航

ROS（Robot Operating System）是一個用于編寫機器人軟件的靈活框架，它集成了大量的工具、庫、協(xié)議，提供了類似操作系統(tǒng)所提供的功能，可以極大簡化繁雜多樣的機器人平臺下的復雜任務創(chuàng)建與穩(wěn)定行為控制[9]。在ROS 系統(tǒng)中，用戶可以將實現(xiàn)特定功能的程序和啟動文件放入同一文件夾中，交由ROS 系統(tǒng)檢查編譯，使用時通過相應的ROS 命令啟動文件夾中的程序，即可實現(xiàn)對應的功能。該文件夾則稱為一個功能包。

為實現(xiàn)智能巡檢機器人的地圖構建與導航功能，本文基于ROS 系統(tǒng)，編寫了多個功能包。巡檢小車的功能實現(xiàn)過程如下：

（1）串口通信。為了實現(xiàn)智能機器人的地圖構建和SLAM 導航功能，ROS 系統(tǒng)需要不斷與STM32 單片機之間通信，在ROS 系統(tǒng)中編寫串口通信的功能包serial_demo，通過串口線連接樹莓派和STM32 進行通信。機器人每隔10 ms 將運動信息例如左右輪速度、航向角等發(fā)送給ROS 系統(tǒng)，同時ROS 也可以給機器人發(fā)送運行指令。

（2）地圖構建。為了實現(xiàn)智能巡檢，首先需要構建一張巡檢區(qū)域的地圖，為機器人路徑規(guī)劃做準備。構建地圖需要機器人獲取自身所處的環(huán)境信息。本項目采用激光雷達作為傳感器，通過rplidar_ros 功能包控制激光雷達工作。在該功能包的launch 文件中設置激光雷達的掃描參數(shù)和掃描范圍。啟動launch 文件后，激光雷達開始對環(huán)境中的障礙物進行掃描，同時發(fā)布掃描到的環(huán)境信息。

在構建地圖時，可以運用ROS 系統(tǒng)中的開源建圖功能包hector 和gmapping。為滿足工程需求，保證導航精度，本項目采用gmapping 功能包進行地圖構建。使用gmapping功能包時，首先需要獲取機器人的里程計信息。本文通過serial_demo 功能包中的C++節(jié)點文件serial_demo.cpp 接收STM32 發(fā)送的運動信息，并通過C++節(jié)點文件odom_pub.cpp 對運動信息進行整合，從而將其轉換為里程計信息并發(fā)布，使里程計信息可以被gmapping 功能包識別運用。

地圖構建功能的實現(xiàn)則通過mbot_navigation 功能包完成。首先在該功能包中編寫啟動gmapping建圖的launch文件，依次編寫調用serial_demo功能包中的C++節(jié)點文件serial_demo.cpp 和odom_pub.cpp、加載機器人模型參數(shù)、對地圖坐標系和機器人坐標系進行TF 變換、啟動激光雷達和加載Rviz 可視化界面的命令，最后運行該launch 文件，即可開始構建地圖。圖5為機器人在實驗室環(huán)境下，實時構建的地圖。

圖5 機器人在實驗室構建的地圖

（3）導航。在變電站中，機器人的自主導航功能十分重要，它可以幫助機器人自動運行至指定位置，并保持正確的姿態(tài)，便于進行下一步巡檢工作。本文運用move_base 功能包實現(xiàn)智能機器人的導航功能。該功能包允許用戶在rviz可視化界面中，根據(jù)所建立的地圖選擇智能機器人的目標位置和方向。move_base功能包在運行過程中會不斷發(fā)布Twist消息，經過C++節(jié)點文件odom_pub.cpp處理后，Twist消息可以轉換為運動控制指令，并通過serial_demo.cpp將其發(fā)送至下位機STM32 中，從而控制機器人運動至指定位置并保持正確的方向。

啟動導航功能時，需要在mbot_navigation 功能包的launch文件中加入運行move_base功能包對應的launch文件。導航時，在Rviz 視圖中已建立的地圖上選取目標位置和方向，系統(tǒng)就會自動規(guī)劃路徑，并通過串口實時交換機器人的運動信息和運動控制指令，控制智能機器人自動導航至指定位置，并保持正確的位姿[10-12]，如圖6所示。

圖6 機器人自動導航至指定位置

3 結 語

本項目是大學生創(chuàng)新訓練項目的設計成果，以電力系統(tǒng)變電站智能巡檢為背景，設計了一款可在室內進行實時建圖與導航的智能機器人，主要研究成果包括：

（1）搭建了智能機器人系統(tǒng)。自行組裝兩輪差速機器人底盤，整合電源模塊、穩(wěn)壓模塊、主控板STM32 和傳感器構建了機器人硬件平臺。

（2）速度閉環(huán)控制。采用霍爾編碼器功能測量轉速，用PID 算法實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，保證兩輪速度一致，為構建地圖打下基礎。

（3）樹莓派安裝Ubuntu+ROS 環(huán)境，配合激光雷達和SLAM 算法實現(xiàn)實時地圖構建與導航。

本項目所設計的智能機器人，為變電站的智能巡檢工作奠定了基礎，在未來將繼續(xù)增加儀表識別功能，實現(xiàn)真正的智能巡檢工作。該項目為學生提供了一個良好的實踐鍛煉機會，激發(fā)了學生的學習興趣，增強了學生自信心，提高了學生解決工程問題的能力和創(chuàng)新能力。