李軒， 徐志科， 周玲， 金龍， 戴德嵩， 潘志翔， 龔龍中

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

基于超聲波電機(jī)的線路巡檢機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)

李軒， 徐志科， 周玲， 金龍， 戴德嵩， 潘志翔， 龔龍中

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

介紹了一種線路巡檢機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括了對(duì)超聲波電機(jī)、永磁直流齒輪減速電機(jī)等多個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，完成了對(duì)高壓線路上故障的發(fā)現(xiàn)、清除、回收?？刂葡到y(tǒng)以RS232作為主要通信方式，以無(wú)線通信作為主要通信途徑，保證了機(jī)器人在高壓線路工作中的可靠性?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)量的采集，保證了機(jī)器人能夠在規(guī)定電量?jī)?nèi)完成規(guī)定的工作量，提高了線路巡檢工作的效率。

無(wú)線通信；超聲波電機(jī)；永磁直流齒輪減速電機(jī)；狀態(tài)采集；高壓巡檢

Abstract: This paper introduces a servo control system for line inspection robots, which includes coordinated control over the USM, permanent magnet DC gear reduction motor, etc. and fulfills discovery, removal and recovery of faults on high voltage lines. Taking RS232 as main communication mode and wireless communication as main communication way, this control system can ensure the reliability of the robot in its operation on high voltage lines. The control system collects the quantity of working state of the robot to ensure that the robot can complete its prescribed work amount in the specified electric quantity, thus improving the efficiency of line inspection.

Keywords: wireless communication; USM; permanent magnet DC gear reduction motor; state acquisition; high voltage inspection

0 引 言

安全可靠的電力供應(yīng)系統(tǒng)是人們進(jìn)行日常生活、生產(chǎn)作業(yè)的基本條件。長(zhǎng)距離電力傳輸必須依靠高壓輸電線，其能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性。因此，定期對(duì)高壓電力線進(jìn)行巡檢與維護(hù)是一項(xiàng)十分重要的工作。傳統(tǒng)的電力巡檢采用人工巡檢法和直升機(jī)航測(cè)法，存在效率低、成本高、工作量大、作業(yè)危險(xiǎn)等弊端。高壓電力線巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)和開發(fā)，可以提高巡檢效率和精度，降低成本，消除事故隱患[1-2]。本文論述了一種線路巡檢機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。首先對(duì)線路巡檢機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，再對(duì)該系統(tǒng)中所涉及到的主要部分，包括各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，信號(hào)的采集，無(wú)線通信技術(shù)逐一進(jìn)行分析，最后就機(jī)器人的抗電磁干擾進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述。

1 線路巡檢機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1(a)和圖1(b)所示分別為線路巡檢機(jī)器人伺服系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。該系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，信號(hào)采集系統(tǒng)，無(wú)線通信系統(tǒng)三部分組成：

圖1 線路巡檢機(jī)器人

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要包括三部分：(1)控制機(jī)器人行走的走線系統(tǒng)；(2)控制機(jī)器人清除高壓線路障礙的除障系統(tǒng)；(3)控制機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂系統(tǒng)。

信號(hào)采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要用來(lái)采集機(jī)器人在高壓線路上工作時(shí)的電壓值，電流值以及機(jī)器人工作時(shí)的電量狀態(tài)。

無(wú)線通信系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要用來(lái)控制在高壓線路上工作的機(jī)器人完成指定動(dòng)作。由于機(jī)器人在高壓線路上需要進(jìn)行高強(qiáng)度，遠(yuǎn)距離，長(zhǎng)時(shí)間的工作，所以要求無(wú)線通信系統(tǒng)需要有較高的可靠性。

2 機(jī)器人伺服系統(tǒng)

2.1 機(jī)器人走線系統(tǒng)

傳統(tǒng)的線路巡檢機(jī)器人在高壓線路上行走時(shí)，為了防止線路巡檢機(jī)器人在線路上停下來(lái)清除障礙時(shí)，被氣流擾動(dòng)，從而發(fā)生前后移動(dòng)的情況，通常采用大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)來(lái)保證了機(jī)器人在停止時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩使其能夠可靠的停在高壓線路上。但大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)在停止工作時(shí)需要較大的電流完成自鎖，這樣需要耗費(fèi)機(jī)器人的大量電量，使得機(jī)器人的工作時(shí)間縮短。為了提高機(jī)器人的工作時(shí)長(zhǎng)，使得機(jī)器人能夠完成高強(qiáng)度、遠(yuǎn)距離的工作，采用性能更好的超聲波電機(jī)作為機(jī)器人走線系統(tǒng)的主要控制電機(jī)[3]。超聲波電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、直接驅(qū)動(dòng)、低運(yùn)行噪聲、斷電自鎖、控制性能好、響應(yīng)速度快、無(wú)電磁干擾等優(yōu)良特性，這些特性可以更好的控制線路巡檢機(jī)器人在高壓線路上行走[4]。圖2為驅(qū)動(dòng)和控制超聲波電機(jī)的全橋式逆變電路框圖。主控芯片為驅(qū)動(dòng)電路提供4路PWM波，通過(guò)推挽式逆變電路的放大及變壓器和匹配電路的濾波作用，得到兩相高頻交變驅(qū)動(dòng)電壓，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)[5-6]。

圖2 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路框圖

2.2 機(jī)器人除障系統(tǒng)

當(dāng)線路巡檢機(jī)器人檢測(cè)到高壓線路上有障礙物時(shí)，會(huì)利用切刀將障礙物切斷或是剪斷，再將剪斷的障礙物由收納裝置回收，實(shí)現(xiàn)高壓線路上的故障清除。該除障系統(tǒng)控制電路控制原理主要是由主控芯片向該電路輸入一個(gè)控制信號(hào)，當(dāng)該控制信號(hào)為高電平時(shí)，繼電器電路導(dǎo)通，將12 V外部電源接入電機(jī)，為電機(jī)供電。為了控制機(jī)器人的大小，但同時(shí)又為了機(jī)器人能夠徹底清除纏繞在高壓線路上的如氣球、線團(tuán)等的障礙物，這里采用的是體積小、力矩大，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制的永磁直流齒輪減速電機(jī)。

2.3 機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)

機(jī)械臂系統(tǒng)是線路巡檢機(jī)器人中最重要的組成部分，該部分主要用于整個(gè)伺服控制系統(tǒng)中對(duì)于高壓線路障礙的精確定位，所以該電機(jī)的控制電路部分相比較其他電機(jī)控制電路，需要有更高的可靠性要求。本系統(tǒng)通過(guò)蝸桿傳動(dòng)的方式將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。圖3所示為機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制框圖，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的上下移動(dòng)即電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，這里采用驅(qū)動(dòng)芯片為TA8428K驅(qū)動(dòng)電機(jī)。DSP控制模塊向兩路光耦輸出兩路高低電平，當(dāng)輸出高電平時(shí)，光耦芯片導(dǎo)通工作，TA8428K的輸入引腳接收到低電平信號(hào)；當(dāng)輸出低電平時(shí)，光耦芯片關(guān)斷，TA8428K的輸入引腳接收到12 V高電平信號(hào)。TA8428K驅(qū)動(dòng)芯片的輸入管腳包括IN1和IN2，當(dāng)兩路輸入管腳輸入不同的電平值的時(shí)候，芯片輸出管腳輸出+24 V或-24 V，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；當(dāng)當(dāng)兩路輸入管腳輸入相同電平值的時(shí)候，芯片輸出管腳輸出0 V，電機(jī)停止工作。

圖3 機(jī)械臂系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制框圖

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

線路巡檢機(jī)器人的動(dòng)作主要依靠控制系統(tǒng)板發(fā)送的動(dòng)作指令從而完成相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)控制系統(tǒng)板還需要實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人伺服系統(tǒng)中信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的機(jī)器人的工作狀態(tài)，包括機(jī)器人工作電壓、工作電流、機(jī)器人電量?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

在該控制板中，信號(hào)發(fā)送按鈕所使用的按鈕為帶LED燈的防水自鎖按鈕；為了在強(qiáng)光下也能方便觀測(cè)，采集信號(hào)顯示采用紅色數(shù)碼管顯示。

3.1 機(jī)器人信號(hào)采集系統(tǒng)

圖5為機(jī)器人系統(tǒng)信號(hào)采集框圖和采集電路，該電路采用CSM025A系類霍爾電流傳感器，該傳感器共有5種連接方式，這里采用匝數(shù)比為5∶1 000的連接方式，在該連接方式下，傳感器額定輸入電壓為±12 V～±15 V，額定輸入電流5 A，額定輸出電流25 mA。采用的電源模塊為WD20—24S12C1電源模塊，該模塊可將24 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V電壓。當(dāng)外部輸入24 V電壓時(shí)，該電壓信號(hào)會(huì)通過(guò)DC—DC電源模塊轉(zhuǎn)變成12 V電壓，12 V電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)霍爾電流傳感器工作，霍爾電流傳感器將此時(shí)的工作電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ麟娏餍盘?hào)，通過(guò)霍爾電流傳感器的M腳輸出，并通過(guò)一個(gè)200 Ω的電阻，主控芯片的AD采樣引腳采樣此時(shí)電阻上的電壓，將該電壓與5 V電壓的比值乘以外部輸入的24 V電壓值，即為此時(shí)整個(gè)機(jī)器人工作時(shí)的工作電壓，該比值即為機(jī)器人工作電量的百分比值。

圖5 信號(hào)采集電路

3.2 機(jī)器人無(wú)線通信系統(tǒng)

由于所設(shè)計(jì)的線路巡檢機(jī)器人工作在高壓線路，同時(shí)又是帶電工作，故這里采用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)機(jī)器人控制指令的發(fā)送。這里采用的無(wú)線通信芯片為深圳市科易連通訊設(shè)備有限公司所設(shè)計(jì)開發(fā)的KYL-1020L。

圖6 KYL-1020L接線方式

圖6所示為該無(wú)線模塊與機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)板以及控制電路板的連接方式，該模塊連接方式簡(jiǎn)單，只需將7腳連接至控制芯片的TXD引腳，將6腳連接至控制芯片的RXD引腳，5腳連接至控制芯片的DGND，再由外部電源給該模塊供電，即可實(shí)現(xiàn)控制板與驅(qū)動(dòng)板的無(wú)線通信。

3.3 信號(hào)采集顯示模塊

為了精確顯示機(jī)器人在工作過(guò)程中的工作狀態(tài)，伺服系統(tǒng)中加入了高精密電阻進(jìn)行信號(hào)采樣。與之相對(duì)應(yīng)，控制系統(tǒng)中就需要多位數(shù)碼管顯示其采樣值，這里采用數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片HD7279A+多位數(shù)碼管來(lái)完成相應(yīng)的顯示要求，模塊框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)碼管顯示模塊

4 機(jī)器人視頻系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)對(duì)于高壓線路上障礙物的準(zhǔn)確定位，除了可靠的硬件電路，精確的控制算法外，利用視屏系統(tǒng)對(duì)于高壓線路上情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也十分重要。圖8所示為該控制系統(tǒng)的視頻系統(tǒng)。

圖8 視頻系統(tǒng)

攝像頭所拍攝到的畫面，經(jīng)過(guò)電視信號(hào)放大器進(jìn)行信號(hào)放大之后，再由電視信號(hào)放大器的無(wú)線信號(hào)傳輸模塊發(fā)送給位于地面控制箱中的視頻處理模塊；視頻信息經(jīng)處理之后由顯示屏顯示，供操作人員實(shí)時(shí)了解機(jī)器人工作情況。

5 機(jī)器人抗電磁干擾

由于線路巡檢機(jī)器人運(yùn)行在高壓線路，高壓輸電線路運(yùn)行過(guò)程中在其線路附近形成很強(qiáng)的工頻電磁場(chǎng)，為了能使機(jī)器人正常工作，必須考慮電磁場(chǎng)的影響。機(jī)器人對(duì)于電磁場(chǎng)的屏蔽包括對(duì)靜電場(chǎng)的屏蔽和對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽。電場(chǎng)的屏蔽主要根據(jù)法拉第籠的原理，在機(jī)器人外殼形成法拉第籠，機(jī)器人內(nèi)部為等電勢(shì)體，在這里采用屏蔽效果和強(qiáng)度都比較好的鋁作為機(jī)器人外殼的材料[7]。

6 電路板及超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形

如圖9所示是根據(jù)上述原理所設(shè)計(jì)出的機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)電路板。

圖9 線路巡檢機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)板

如圖10所示是根據(jù)上述原理所設(shè)計(jì)出的機(jī)器人控制系統(tǒng)電路板。

圖10 線路巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)電路板

圖11 IR2103輸入端4路PWM信號(hào)

如圖11所示為超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制波形，其中CH1、CH2為A相控制信號(hào)，CH3、CH4為B相控制信號(hào)，兩相對(duì)應(yīng)信號(hào)相位差各相差90°。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一

種線路巡檢機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，較詳細(xì)的闡述了該控制系統(tǒng)的工作原理，該伺服控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

(1)采用較為可靠無(wú)線通信技術(shù)，減少了高壓線路巡檢的工作量，提高高壓線路巡檢的可靠性與安全性；

(2)可上下移動(dòng)的機(jī)械臂系統(tǒng)利用蝸桿傳動(dòng)的方式將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械臂的直線運(yùn)動(dòng)，提高了整個(gè)機(jī)器人的靈活性；

(3)可靠的電磁屏蔽設(shè)計(jì)，保證了機(jī)器人在高壓線路上工作時(shí)能夠可靠工作；

(4)體積小，機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝方便；

[1] 鄭拓,吳功平,嚴(yán)宇,等. 高壓線巡檢機(jī)器人巡檢與通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,56(2):235-240.

[2] 岳湘,王洪光,姜勇,等.一種110 kV輸電線路巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2016,11(2):155-162.

[3] 胡敏強(qiáng),金龍,顧菊平. 超聲波電機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2005.

[4] LIN F J, WAI R J, HONG C M.Recurrent neural network control for LCC-resonant ultrasonic motor drive[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2008, 47 (3).737-49.

[5] 姜楠, 林云生, 劉俊標(biāo), 等. 基于DDS的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的研究[J]. 電子器件, 2007, 30(1):109-112.

[6] 翟曉軍, 胡敏強(qiáng), 曹勝華,等. 基于單片機(jī)的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[J]. 微電機(jī), 2004, 6(9):31-33.

[7] 何緣,吳功平,王偉,等.高壓輸電線路智能巡檢機(jī)器人的研制與應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2016,60(3):446-451,464.

A Servo Control System for Line Inspection Robots Based on USM

Li Xuan, Xu Zhike, Zhou Ling, Jin Long, Dai Desong, Pan Zhixiang, Gong Longzhong

(College of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.004

TM451

A

1000-3886(2017)03-0009-03

定稿日期: 2016-10-17

李軒(1992-)，男，江蘇南通人,碩士生，專業(yè)：電機(jī)控制。