肖 鵬，王海鵬，曹 雷，王明瑞，孫大慶，曹 濤

XIAO Peng1, WANG Hai-peng1, CAO Lei2, WANG Ming-rui2, SUN Da-qing2, CAO Tao2

（1.山東電力研究院 國家電網(wǎng)電力機器人技術(shù)實驗室，濟南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南 250101）

0 引言

隨著科技進步和電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化程度已有了很大提高，很多變電站實現(xiàn)了遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能，為少人或無人值班變電站，但一定程度上都還存在因無人在現(xiàn)場及時監(jiān)視、巡視而帶來的一系列問題甚至留下隱患[1,2]。變電站智能巡檢機器人則可攜帶檢測設(shè)備對變電站內(nèi)電力設(shè)備進行檢測，在一定程度上解決了上述問題。變電站智能巡檢機器人對電力設(shè)備進行檢測的工作流程為：首先機器人按預(yù)定路線運行至指定位置；然后調(diào)用安裝于機器人頂部云臺的預(yù)置位功能，云臺帶動檢測設(shè)備對準待檢電力設(shè)備；最后采集電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控后臺。在整個檢測過程中，云臺處于承上啟下的位置，其性能直接影響到巡檢機器人完成巡檢任務(wù)的質(zhì)量。

由于各個變電站內(nèi)環(huán)境一般都不相同，并且待檢電力設(shè)備數(shù)量眾多，這就要求云臺具有控制靈活、適應(yīng)性強、預(yù)置位數(shù)量大、便于集成等特點。目前，云臺生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品基本上都只有諸如64、128、256等這些有限數(shù)量的預(yù)置位且控制協(xié)議相對封閉，很多情況下無法滿足變電站現(xiàn)場多種功能實現(xiàn)的需要。針對巡檢任務(wù)對云臺性能需求的特殊性，本文設(shè)計了巡檢機器人云臺控制系統(tǒng)，詳細描述了其軟硬件的設(shè)計過程。

1 系統(tǒng)特點及結(jié)構(gòu)

本文所述云臺本體采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊堅固，具有IP67防護等級，最大載重16Kg，運行范圍水平為0°至365±2°，垂直為-20°至90°，齒輪嚙合間隙小于0.1°；云臺控制電路采用優(yōu)化的電路設(shè)計及合理抗干擾措施，保證了其能在惡劣的電磁環(huán)境中長期穩(wěn)定運行；系統(tǒng)軟件方面，采用了基于時間和事件觸發(fā)的混合式系統(tǒng)設(shè)計模式，并利用了自頂向下逐步求精的開發(fā)方法，保證了控制軟件的高可靠性和實時性；通過軟硬件的配合，實現(xiàn)了對云臺姿態(tài)的高精度控制、云臺運行參數(shù)和狀態(tài)可在線設(shè)置和查詢、預(yù)置位多達1000個（硬件存儲時）至無窮多個（需控制協(xié)議配合）等一系列功能，保證了巡檢機器人可靠高效的完成巡檢任務(wù)。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示的云臺控制系統(tǒng)包含直流伺服電機、角度傳感器、硬件限位和云臺控制板4部分，它們分別負責云臺水平和垂直運動時的驅(qū)動、位置反饋、行程保護和系統(tǒng)控制，整個系統(tǒng)采用機器人內(nèi)部24V電池供電，并通過RS485總線與機器人工控機連接，工控機負責轉(zhuǎn)發(fā)機器人監(jiān)控后臺下發(fā)的云臺控制指令至云臺控制板。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

云臺控制系統(tǒng)硬件核心是云臺控制板，如圖2所示，其由微處理器模塊、電機驅(qū)動模塊、角度采樣模塊、通信模塊及供電模塊五部分構(gòu)成。

圖2 云臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 微處理器模塊

該模塊由ATmega128單片機與外圍IO電路構(gòu)成。ATmega128單片機是Atmel公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的AVR?8位微處理器，具有先進的RISC結(jié)構(gòu)和指令集，由于其單時鐘周期指令執(zhí)行時間，工作于16MHz時性能高達16MIPS[3]。單片機內(nèi)128K字節(jié)程序存儲器和4K字節(jié)EEPROM被分別用來存儲控制系統(tǒng)程序、系統(tǒng)參數(shù)和預(yù)置位數(shù)據(jù)；該模塊利用片上PWM輸出口與電機控制模塊連接，云臺角度采樣模塊和通信模塊則分別與單片機SPI端口和串行口連接。

2.2 電機驅(qū)動模塊

根據(jù)云臺負載條件，云臺水平和俯仰各伺服電機通過的最高電流可達2A，本文選用了美國國家半導體公司(NS)推出的專用于直流電動機驅(qū)動的H 橋驅(qū)動芯片LMD18200。該芯片最高工作電壓可達55V，峰值輸出電流可高達6A，能持續(xù)輸出3A電流，并具有溫度報警和過熱保護功能[4]，由于其集成了電機驅(qū)動常用功能，可有效減少外圍電路原器件數(shù)量，有助于提高系統(tǒng)可靠性。該模塊原理圖如圖3所示（以水平方向的電機驅(qū)動電路為例，垂直方向與水平方向電路相同）。

圖3 電機驅(qū)動模塊原理圖

2.3 角度采樣模塊

由于云臺水平和垂直運行角度采用模擬量反饋方式，因此需要對得到的模擬信號進行AD轉(zhuǎn)換，雖然ATmega128單片機集成了片上AD轉(zhuǎn)換功能，由于其為10位分辨率，云臺水平運動時其角度分辨率最高約為0.36°（以一周365°計算，下同），因云臺機械傳動精度小于0.1°，故不能達到所需定位精度。本文外擴一片12位AD轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，從而將云臺水平運動的角度分辨率提高至0.09°。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程，提供的最大采樣速率為66ksps，工作范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時間，供電電流僅需1mA（典型值）[5]，由于其數(shù)據(jù)傳輸使用SPI串行通訊端口，可以很方便的與ATmega128連接。

2.4 通信和供電模塊

通信和外圍供電電路設(shè)計主要從提高硬件電路抗干擾性出發(fā)，對相關(guān)電路進行優(yōu)化設(shè)計，保證系統(tǒng)運行的可靠性。通信模塊選擇了RS485通信方式，同時采用通信模塊電源與微處理器模塊電源隔離及信號傳輸光電隔離等手段，切斷干擾由通信線路傳輸至微處理器控制電路的通道，降低了干擾由通信線路引入的可能性?？紤]到系統(tǒng)電源會受到云臺電機運行時電刷換向及PWM輸出的干擾，通過增加PCB內(nèi)部電源層和地層、合理的元器件布局及增加去耦電容等方法予以抑制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件電路設(shè)計好后，系統(tǒng)軟件設(shè)計是最重要的部分，由于系統(tǒng)功能主要利用軟件實現(xiàn)，這樣就使得硬件電路設(shè)計的簡化和成本低可以得到實現(xiàn)，同時也方便日后對系統(tǒng)功能的升級。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含系統(tǒng)功能、控制算法和控制軟件的設(shè)計三部分。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

巡檢機器人在控制云臺過程中，一方面需要云臺能夠按要求動作，另一方面也需要云臺滿足一些特殊的功能要求，如參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)監(jiān)控等。根據(jù)這些要求，云臺控制系統(tǒng)提供的主要功能有：云臺姿態(tài)調(diào)整、預(yù)置位設(shè)置及調(diào)用、直接數(shù)據(jù)控制、控制參數(shù)設(shè)置、控制精度補償、云臺運行狀態(tài)查詢等。值得說明的是，“直接數(shù)據(jù)控制”功能是指云臺可以通過協(xié)議接收數(shù)據(jù)并運動至相應(yīng)姿態(tài)的一種云臺控制方式，云臺預(yù)置位可獨立于云臺控制板存儲，因此允許預(yù)置位以任意方式存儲于任意位置，而預(yù)置位個數(shù)也可達到無限多個。

為方便系統(tǒng)功能的使用，本文開發(fā)了一套私有的云臺控制協(xié)議，巡檢機器人可通過該控制協(xié)議訪問云臺控制系統(tǒng)功能，此外本文所述云臺控制系統(tǒng)也支持其它標準云臺控制協(xié)議，如：PELCO_D、PELCO_P等，因此其也可應(yīng)用于一般安防監(jiān)控領(lǐng)域。控制系統(tǒng)私有協(xié)議幀格式如圖4所示。

圖4 云臺控制協(xié)議幀格式

圖4所示幀長度固定為9個字節(jié)，其中： SYN字節(jié)為同步字節(jié)，以指示協(xié)議的開頭；ADR為地址字節(jié)，用以支持總線上的多個云臺的識別；C1和C2節(jié)為功能字節(jié)，該字節(jié)表明當前云臺需要完成的要功能；D1至D4為數(shù)據(jù)字節(jié)，包含了功能所需的標志或參數(shù)；CHK字節(jié)為校驗字節(jié)。

3.2 控制算法設(shè)計

云臺控制主要是對云臺運行速度和姿態(tài)的控制。由于無速度反饋，因此云臺運行速度控制為開環(huán)控制，水平和垂直運行速度直接由PWM脈寬占空比給出，而云臺姿態(tài)控制則需要根據(jù)水平和垂直方向上的角度反饋閉環(huán)進行。為精確的控制云臺姿態(tài)，文本使用了PID控制方法，其離散的PID控制律為

式中：u(k)為k時刻控制器的輸出量；KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e(k)為當前時刻的云臺水平（垂直）方向當前角度值與期望值之差；e(k-1)為上次采樣時刻的云臺水平（垂直）方向角度值與期望值之差。

在PID控制中，積分環(huán)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。對于本控制系統(tǒng)，由于直接利用角度偏差進行控制，角度偏差在控制開始階段較大，如果此時引入積分環(huán)節(jié)就會造成PID的積分累積，導致系統(tǒng)超調(diào)較大，不利于云臺動作的穩(wěn)定性。因此，本文針對控制系統(tǒng)的特點，采用了積分分離PID控制，控制算法的執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)積分分離PID計算流程

圖5中當系統(tǒng)偏差e(k)絕對值大于ε（設(shè)定的偏差閾值）時，取消積分環(huán)節(jié)，采用PD控制，避免由于積分累積引起系統(tǒng)較大的超調(diào)；當e(k)小于等于ε時，引入積分環(huán)節(jié)，采用PID控制，以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。積分分離PID控制算法可表示為

式中，α為積分項的開關(guān)系數(shù)，當|e(k)|＞ε時取1，否則取0。

3.3 控制軟件設(shè)計

對云臺運行過程分析可知，云臺角度采樣和電機控制是控制系統(tǒng)始終需要關(guān)注的核心功能，與其相關(guān)的代碼應(yīng)由系統(tǒng)周期性地執(zhí)行。另一方面，控制系統(tǒng)也需要處理一些隨機性事件，如：與外部通信、異常事件輸入等。為此云臺控制系統(tǒng)采用了基于時間和事件觸發(fā)的混合式系統(tǒng)架構(gòu)，一個周期性執(zhí)行的系統(tǒng)任務(wù)完成電機控制、角度采樣、系統(tǒng)狀態(tài)采集等功能，而其它隨機性事件則交由各自的中斷處理例程處理?？刂栖浖饕蓸涌刂瞥绦蚝屯ㄐ沤獯a程序，其程序執(zhí)行流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)的核心功能軟件流程圖

圖6（a）所示流程中，考慮到云臺 “速度控制”為開環(huán)控制，而“姿態(tài)控制”為閉環(huán)控制，兩種控制量增量的計算方式不同，程序流程中對此進行了判斷并分別處理；為了保證云臺平穩(wěn)精確的運行，需要對系統(tǒng)運行的加速度和速度進行限制，在程序流程中是通過對控制量增量和絕對控制量的限制予以實現(xiàn)。在具體實現(xiàn)上，由單片機定時器產(chǎn)生一個周期性的定時器中斷，本程序流程代碼在中斷處理程序中執(zhí)行。圖6（b）為由串口中斷接收完一幀數(shù)據(jù)后的解碼執(zhí)行流程，其主要完成了數(shù)據(jù)校驗、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝，協(xié)議轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)功能調(diào)用功能。

4 實驗

本實驗主要目的是驗證云臺控制精度，防止因控制精度不夠?qū)е碌脑婆_姿態(tài)不準的情況。實驗中先將裝有可見光攝像機的云臺固定于云臺底座上；之后調(diào)整云臺姿態(tài)，使攝像機對準預(yù)先安放標志物并設(shè)定預(yù)置位（為便于后續(xù)計算，此時的攝像機處于水平位置），同時采集攝像機圖片并記錄此時的水平和垂直角度AD采樣值分別為3105和1945；然后再控制云臺使攝像機偏移后再調(diào)用該預(yù)置位，當云臺運行到位后再次讀取角度AD采樣值并與之前采樣值相減，取絕對值后得到控制誤差。連續(xù)測試5次后采集到得數(shù)據(jù)如表1所示，測試中使用了三星SDZ-375攝像機，其鏡頭與標志物距離為17m，采集圖像由攝像機放大37倍。

表1 云臺控制精度測試

從上面得到的結(jié)果看，各個圖像偏離程度基本一致，且得到的控制誤差基本一致，其1個AD采樣單位的跳動（AD采樣值變化1）為AD量化誤差（系統(tǒng)誤差），由此可知云臺控制可以達到較高的精度。

5 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計的云臺控制系統(tǒng)控制精度良好，云臺姿態(tài)準確，可以完全滿足巡檢機器人對云臺性能的要求。另外云臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，保證了巡檢機器人可靠高效的完成巡檢任務(wù)，同時得益于模塊化的控制軟件設(shè)計，系統(tǒng)軟件升級方便，可以更好的適應(yīng)今后巡檢機器人系統(tǒng)對云臺系統(tǒng)提出的不同種類的需求。

[1]魯守銀,錢慶林,張斌,等.變電站設(shè)備巡檢機器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(13):94-98.

[2]李向東,魯守銀,王宏,等.一種智能巡檢機器人的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計[J].機器人,2005,27(6):502-506.

[3]Atmel Corporation.ATmega128 Datasheet[DB/OL].Revision V,updated 2/11.

[4]Texas Instruments Corporation.TLC2543 Datasheet[DB/OL].2001.

[5]National Semiconductor Corporation.LMD18200 Datasheet[DB/OL].2005.