胡 楠，張吉沐陽，郭 健，吳益飛

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094)

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配電房軌道式自動巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

胡 楠，張吉沐陽，郭 健，吳益飛

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094)

針對配電房等室內(nèi)電力系統(tǒng)供電設(shè)備自動巡檢的需求，提出了以微控制器MSP430F5438為核心的自動巡檢機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案；采用模塊化方法完成了控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，主要包括：主控模塊、電源模塊、運動控制模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊；介紹了控制系統(tǒng)軟件的總體流程，完成了控制系統(tǒng)嵌入式軟件及其上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計；實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)用于巡檢機器人可以實現(xiàn)對配電房供電設(shè)備的自動巡檢，從而驗證了控制系統(tǒng)的有效性與合理性，具有顯著的推廣應(yīng)用價值。

配電房;軌道式;自動巡檢;機器人

0 引言

配電是電力系統(tǒng)中直接與用戶相連并向用戶分配電能的環(huán)節(jié)，配電設(shè)備的狀態(tài)是否正常直接關(guān)系到用戶用電質(zhì)量，保證配電設(shè)備的正常運行至關(guān)重要。由于目前國內(nèi)配電房內(nèi)的設(shè)備如進線柜、出線柜、電容柜等均不自帶數(shù)據(jù)采集模塊，不能自動向工作人員發(fā)送自身狀態(tài)信息，仍需要人工巡檢[1-2]。由于設(shè)備數(shù)量較多、巡檢工作量較大、工作人員的技術(shù)水平良莠不齊，因此人工日常巡檢維護不能得到充分的保障，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀況，無法及時處理問題，造成錯檢、漏檢等現(xiàn)象，帶來巨大的損失[3-4]。

本文提出一種配電房軌道式自動巡檢機器人控制系統(tǒng)，在接收到放置在配電房內(nèi)的上位機發(fā)送的控制命令后，可控制巡檢機器人本體基于軌道運行，并精確運行至待測位置，通過攜帶的多種檢測傳感器，完成對設(shè)備柜體號、指示燈、開關(guān)按鈕、儀表讀數(shù)、柜體內(nèi)部溫度、柜體內(nèi)部局部放電現(xiàn)象和室內(nèi)環(huán)境溫濕度等信息的采集，同時將信息實時傳送至上位機分析處理，以便工作人員及時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，大大提高了設(shè)備狀態(tài)檢測的準(zhǔn)確性、實時性以及自動化水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

機器人本體外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，本體具有3個自由度，包括軌道小車、豎直機械手和水平機械手。機器人本體在軌道小車的帶動下，基于懸掛在空中的軌道前后運行，能適應(yīng)配電房內(nèi)狹小的空間，避免對設(shè)備造成影響。兩軸機械手攜帶檢測傳感器，以線性同步帶模組為傳動機構(gòu)，豎直機械手上下運動，實現(xiàn)對不同高度設(shè)備信息的檢測；水平機械手左右運動，可以使傳感器緊貼柜體表面，完成柜體內(nèi)部局部放電現(xiàn)象的檢測。

圖1 巡檢機器人本體外形結(jié)構(gòu)圖

巡檢機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)由主控模塊、電源模塊、運動控制模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成[5]。主控模塊以微控制器MSP430F5438為核心；電源模塊包括1塊鋰電池，可為系統(tǒng)其他模塊提供電能；運動控制模塊包括1個軌道小車電機、1個豎直機械手電機和1個水平機械手電機，還包括電機驅(qū)動器、編碼器和限位保護傳感器；通信模塊包括1個無線路由器和1個RS485轉(zhuǎn)TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)機器人與上位機的無線通信；數(shù)據(jù)采集模塊由相關(guān)檢測傳感器組成，包括：高清攝像機、紅外熱像儀、局部放電檢測器和溫濕度傳感器。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊設(shè)計

主控模塊選用TI公司的微控制器MSP430F5438作為主控核心[6]。該主控芯片超低功耗，工作電壓1.8-3.6 V，適合工作于電池供電的系統(tǒng)；處理能力強，內(nèi)核為16位RISC處理器；片內(nèi)資源豐富，I/O口數(shù)量眾多。主要完成以下任務(wù)：與上位機通信；處理編碼器、限位開關(guān)的反饋信號；產(chǎn)生三軸電機驅(qū)動信號并實現(xiàn)調(diào)速；對局部放電檢測器和溫濕度傳感器信息進行預(yù)處理。

主控芯片資源分配圖如圖3所示。通過USCI串口通信模塊UART模式實現(xiàn)異步串行通信和接收局部放電檢測器信息；通過帶中斷能力的P1和P2口接收編碼器、限位保護傳感器的反饋信號；通過具有捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A和Timer_B產(chǎn)生3路電機驅(qū)動信號，驅(qū)動三軸電機；通過多路I/O口控制外部按鍵、繼電器等，并接收溫濕度傳感器信息。主控芯片和其外圍電路集成在1塊主控板上。

圖3 主控芯片資源分配圖

2.2 電源模塊設(shè)計

對于整個控制系統(tǒng)，電源模塊電路圖如圖4所示。電源模塊由電池、電源轉(zhuǎn)換模塊和充放電電路組成等[7]。電池選用24 V/20 Ah動力鋰電池，具有可充電、高倍率、容量大的優(yōu)點。三軸電機驅(qū)動器為24 V供電。檢測傳感器、無線路由器和協(xié)議轉(zhuǎn)換器等設(shè)備均為12 V供電，選用OU-24-12-120W型24 V轉(zhuǎn)12 V模塊將24 V轉(zhuǎn)換為12 V。采用TBV50AS24型霍爾電壓傳感器實時監(jiān)測鋰電池電壓。電機驅(qū)動器供電電路和電池充電電路均采用MGR(JGX)-1 DD220D25型固態(tài)繼電器控制。

圖4 控制系統(tǒng)電源模塊電路圖

對于主控芯片，供電電壓為3.3 V，先由1個HZD10W-24S05型24 V轉(zhuǎn)5 V模塊將電池24 V轉(zhuǎn)換為5 V，再由1塊TPS7333芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V供給主控芯片。主控芯片電源電路圖如圖5所示。

圖5 主控芯片電源電路圖

2.3 運動控制模塊設(shè)計

運動控制模塊組成結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 運動控制模塊組成結(jié)構(gòu)圖

軌道小車電機帶動整個機器人本體運動，負載較大，需要較大力矩，且需要較好的調(diào)速效果，故采用直流電機驅(qū)動。兩軸機械手需要實現(xiàn)精確移動，定位精度要求較高，故采用步進電機驅(qū)動[8]。

機器人本體總質(zhì)量為m=80 kg，機器人最大速度為v=0.3 m/s，機器人最大加速度為a=1 m/s2，軌道小車車輪與軌道間摩擦系數(shù)為μ=0.2，軌道小車車輪半徑為r=0.03 m，直流電機所需功率：

(1)

直流電機所需轉(zhuǎn)矩：

(2)

直流電機所需額定轉(zhuǎn)速：

(3)

故直流電機選用24 V、90 W、100 r/min、5.4 N·m的Z62DP2490-30S型直流減速電機，減速比1:30。

直流電機采用脈寬調(diào)制控制，通過主控芯片的P4.1口產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號DCPWM，經(jīng)過SN74HCT245緩沖芯片后提供給STDQ2430型直流電機驅(qū)動器。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比實現(xiàn)調(diào)速，使軌道小車可以選擇低速、中速、高速等不同的速度。利用P4.2口產(chǎn)生電機方向控制信號DCDIR，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)；利用P4.3口產(chǎn)生驅(qū)動器使能信號DCEN。所有控制信號都經(jīng)過TLP521-1光耦隔離，以提高可靠性和抗干擾能力。

豎直機械手負載質(zhì)量為m1=40 kg，同步輪半徑r1=0.015 m，豎直機械手電機所需保持力矩：

T1=m1gr1=40×10×0.015=6N·m

(4)

故豎直機械手電機選用24 V、6.3 N·m的Y09-59D3-7538M型減速剎車步進電機，步距角1.8°，減速比1:4，剎車起到安全保護作用，防止因系統(tǒng)突然斷電而導(dǎo)致負載跌落。水平機械手負載只有局部放電檢測器，質(zhì)量較輕，故水平機械手電機選用24 V、1.4 N·m的Y07-59D1-3074型步進電機，步距角1.8°。

步進電機采用脈沖控制，由主控芯片的P4.4、P4.5口產(chǎn)生兩路脈沖信號STEP1、STEP2，經(jīng)過SN74HCT245緩沖芯片后分別提供給2臺YARAK'SR Y2SSR型步進電機驅(qū)動器。通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率實現(xiàn)調(diào)速，使兩軸機械手可以選擇低速、中速、高速等不同的速度。由P8.1-P8.4四個I/O口產(chǎn)生兩路方向信號DIR1、DIR2和兩路驅(qū)動器使能信號EN1、EN2。所有控制信號都經(jīng)過TLP521-1光耦隔離，以提高可靠性和抗干擾能力。

當(dāng)3個電機中的1個運行時，另外2個電機保持靜止?fàn)顟B(tài)。3個電機分別對應(yīng)3個2500線增量式編碼器，分別記錄各電機的運行情況，將所記錄的脈沖數(shù)反饋給主控模塊。限位保護傳感器選用TR12-4DN型圓柱形接近開關(guān)，可以限制三軸方向上的運行范圍，在起到安全保護作用的同時，又可以作為零位開關(guān)為3個編碼器提供清零信號。

2.4 通信模塊設(shè)計

通信模塊電路圖如圖7所示。通過主控芯片的USCI串行接口以RS485協(xié)議通信，用MAX3485芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，將主控芯片輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485差分信號。

圖7 RS485通信電路圖

上位機為1臺PC終端計算機。機器人本體攜帶1臺NETGEAR JWNR2000v3型無線路由器，路由器共享一個專有WiFi網(wǎng)絡(luò)，PC終端計算機接入該網(wǎng)絡(luò)，通過5.8 GHz以太網(wǎng)的方式與機器人進行通信。主控芯片不能直接接收以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議信息，需要進行以太網(wǎng)協(xié)議和串口協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，故通信模塊還包括1臺C2000 N1AS型RS485轉(zhuǎn)TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊組成圖8如圖所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊組成圖

高清攝像機選用130萬像素、20倍光學(xué)變焦的DS-2ZCN2006型，采集設(shè)備柜體號、指示燈、開關(guān)按鈕、儀表讀數(shù)的圖像和視頻信息；紅外熱像儀選用MAG32HF型，通過紅外熱成像原理，采集設(shè)備柜體內(nèi)部溫度的圖像和視頻信息；局部放電檢測器通過超聲波和瞬態(tài)地電波檢測原理，采集設(shè)備柜體內(nèi)部局部放電信息；溫濕度傳感器選用AM2301型，采集室內(nèi)周圍環(huán)境的溫度和濕度信息。高清攝像機和紅外熱像儀均通過自帶的網(wǎng)口與無線路由器LAN口相連，無需本地處理，直接將圖像和視頻信息發(fā)送至上位機分析處理并顯示；局部放電檢測器信息和溫濕度傳感器信息經(jīng)過主控模塊預(yù)處理后再傳送至上位機顯示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

機器人控制系統(tǒng)嵌入式軟件使用C語言設(shè)計，基于IAR Embedded Workbench for MSP430開發(fā)環(huán)境開發(fā)，主要包括主程序、通信子程序和運動控制子程序[9]。

主程序主要包括MSP430F5438硬件系統(tǒng)初始化和對子程序的調(diào)用等。硬件系統(tǒng)初始化包括晶振、I/O口方向和功能、定時器、串口等的初始化。硬件系統(tǒng)初始化完成后，進入while(1)循環(huán)，不斷等待上位機發(fā)送的控制命令，當(dāng)接收到控制命令后，解析命令并執(zhí)行相應(yīng)動作，執(zhí)行完相應(yīng)動作后繼續(xù)等待下一個命令。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

通信子程序?qū)崿F(xiàn)了控制命令的解析和相關(guān)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。上位機控制命令通過數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送，協(xié)議長度為6個字節(jié)，格式為：“幀頭+電機選擇+啟停+方向+速度+幀尾”，通信子程序?qū)γ钸M行解析，從而得到應(yīng)執(zhí)行的動作，具體協(xié)議如表1所示。

表1 控制命令協(xié)議

同時，電機運動狀態(tài)信息、局部放電和溫濕度預(yù)處理信息也通過數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送，協(xié)議長度為10個字節(jié)，格式為：“幀頭+X軸位置+Y軸位置+Z軸位置+X軸速度+Y軸速度+Z軸速度+局部放電信息+溫濕度信息+幀尾”，其中，幀頭為“0xFB”，幀尾為“0xBF”。狀態(tài)信息發(fā)送流程圖如圖10所示。

圖10 狀態(tài)信息發(fā)送流程圖

運動控制子程序產(chǎn)生三軸電機驅(qū)動信號，控制三軸電機執(zhí)行具體動作，并對編碼器和限位保護傳感器反饋信息進行處理以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。運動控制子程序流程圖如圖11所示。

圖11 運動控制子程序流程圖

機器人控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計。軟件內(nèi)部集成有網(wǎng)絡(luò)通信、圖像識別、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等功能。具有以下功能：發(fā)出控制命令對機器人運動進行控制；處理機器人發(fā)送的運行狀態(tài)信息，實時顯示當(dāng)前機器人的位置和速度；處理檢測傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)并實時顯示在軟件界面上。工作人員能清楚地從顯示界面上查看機器人當(dāng)前的巡檢情況。

4 控制系統(tǒng)實驗

在配電房現(xiàn)場進行巡檢實驗，通過上位機向機器人發(fā)送控制命令：“0xFA 0x01 0xA0 0xC0 0x20 0xAF”，機器人開始沿軌道運行，到達指定位置后停止；接著發(fā)送控制命令：“0xFA 0x02 0xA00xC0 0x10 0xAF”，豎直機械手開始運動，到達指定位置后停止，由高清攝像機、紅外熱像儀完成信息采集；繼續(xù)發(fā)送控制命令：“0xFA 0x03 0xA0 0xC0 0x10 0xAF”，水平機械手開始運動，到達指定位置后停止，由局部放電檢測器完成信息采集。在所設(shè)計的上位機監(jiān)控軟件界面上實時監(jiān)控狀態(tài)信息。

上位機監(jiān)控軟件界面顯示有：傳感器檢測的實時信息：包括高清攝像機、紅外熱像儀拍攝的圖像和視頻，局部放電檢測器和溫濕度傳感器檢測信息；機器人當(dāng)前的運動狀態(tài)：包括三軸的運動位置和速度，通過模擬配電房設(shè)備分布圖反映機器人本體當(dāng)前在配電房內(nèi)的具體位置。經(jīng)測量：機器人最大速度可達0.32 m/s，定位精度約為2 mm，連續(xù)工作時間可達8小時。

巡檢結(jié)果表明：機器人在所設(shè)計的控制系統(tǒng)控制下，能準(zhǔn)確、快速、可靠地采集到待測信息，并及時向上位機反饋。工作人員能清楚、及時地獲取配電房設(shè)備的實時狀態(tài)，以便對異常情況做出反應(yīng)。機器人較好地完成了巡檢任務(wù)，可代替人工完成配電房的巡檢工作。

5 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種配電房軌道式自動巡檢機器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要運用于控制三軸機器人本體沿軌道運行，實現(xiàn)對配電房內(nèi)供電設(shè)備的自動巡檢?？刂葡到y(tǒng)基于模塊化方法設(shè)計：包括主控模塊、電源模塊、運動控制模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。控制系統(tǒng)以微控制器MSP430F5438為核心，各模塊間相互配合，較好地完成了多種巡檢信息的采集并將結(jié)果實時反饋給工作人員。實際現(xiàn)場巡檢實驗證明了所設(shè)計控制系統(tǒng)的有效性與合理性，控制系統(tǒng)具有顯著的推廣應(yīng)用價值。

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Design and Implementation of Control System for Power Distribution Room Orbital Automatic Inspection Robot

Hu Nan，Zhang Jimuyang，Guo Jian，Wu Yifei

(School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

According to the demand of automatic inspection of the power equipment of indoor power system such as the power distribution room, an overall design scheme of an automatic inspection robot control system with MCU MSP430F5438 as the core is proposed. The control system hardware circuit is designed by a modular design method, including the main control module, the power module, the motion control module, the communication module and the data collection module. The overall flow of the control system software is introduced and the embedded software and the PC monitoring software of the control system are designed. Experiment results show that the designed control system applied to the inspection robot can implement the automatic inspection of the power equipment of power distribution room, which proves the effectiveness and rationality of the control system. The control system has significant application value.

power distribution room; orbital; automatic inspection; robot

2015-11-30；

2016-01-29。

胡 楠(1991-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事機器人控制、嵌入式系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)03-0095-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.026

TP3

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