余 萍，張 虎，張 潔

(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)

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。

圖1 系統(tǒng)框圖

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。

圖2 紅外模塊電路圖

超聲波模塊采用HC-SR04，該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。首先單片機(jī)I/O口TRIG發(fā)送一個20 μs的高電平信號，隨即超聲波發(fā)射模塊產(chǎn)生 8個周期40 kHz的脈沖方波并由輸入捕捉模塊捕獲超聲波回波；單片機(jī)捕捉到回波的觸發(fā)信號，并記錄回波時間長度,按照公式計算出前方障礙物距離。此模塊可以用來檢測線上運動時的障礙物，并能返回距離信號使MCU做出相關(guān)運動控制反應(yīng)。避障控制信號時序如圖3所示。

圖3 避障控制信號時序圖

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]。

圖4 超聲波避障電路圖

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。

圖5 電壓轉(zhuǎn)換電路圖

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]。

圖6 系統(tǒng)啟動流程圖

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。

圖8 避障算法流程圖

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。

圖9 模糊PID系統(tǒng)階躍響應(yīng)

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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[4]花俊，靳鵬云，陳勁操.超聲波功率驅(qū)動與測量裝置設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(3)：78-81，85.

[5]劉乾，志峰.基于ARM的四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2011，28(10)：1237-1240.