董飛英

(上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 201507)

灰?guī)熳鳛殄仩t的重要配套設(shè)施，在摻燒經(jīng)濟(jì)煤種的行業(yè)背景下，灰?guī)彀l(fā)生黏壁、板結(jié)、搭橋等問題的頻次明顯增加，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

人工清理灰?guī)斓奈ｋU(xiǎn)系數(shù)極高[1]，為此開發(fā)一套火電廠灰?guī)彀踩謇頇C(jī)器人，替代人工進(jìn)入灰?guī)爝M(jìn)行清理作業(yè)，從而減少意外傷亡事故的發(fā)生，保障“零死亡、零事故”安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2-3]。

1 火電廠灰?guī)旄攀?/h2>

某電廠2臺(tái)鍋爐設(shè)原灰?guī)臁⒋只規(guī)?、?xì)灰?guī)?座灰?guī)?，灰?guī)鞛樗嘟Y(jié)構(gòu)，用于收集并短期儲(chǔ)存除塵器和第二煙道來的飛灰。3座灰?guī)烊萘肯嗟?，總高?0 m，直徑15 m，有效高度16 m，有效容積2 720 m3，人孔門高度13.1 m，人孔門直徑Φ600 mm×800 mm,頂部釋放孔Φ530 mm×14 mm)，能滿足鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(MCR)負(fù)荷45 h灰量的儲(chǔ)灰要求。

灰?guī)炝⒚鎴D如圖1所示?；?guī)靸?chǔ)灰層板底如圖2所示。

圖1 灰?guī)炝⒚鎴D

圖2 灰?guī)靸?chǔ)灰層板底

2 安全清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全清理機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要由釋放孔輔助吊裝裝置、高剛度伸縮機(jī)械臂、水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、豎直旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、清灰機(jī)器人、輔助照明與監(jiān)測單元等構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 清灰機(jī)器人整體架構(gòu)

安全清理機(jī)器人采用庫頂釋放方式，利用釋放孔輔助吊裝裝置的快裝機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與庫頂釋放孔的剛性連接，配合輔助支撐裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在灰?guī)斓姆€(wěn)固安裝，通過豎管快速地連接下放整機(jī)。通過水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、豎直旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)清掃伸縮臂的水平往復(fù)旋轉(zhuǎn)，利用設(shè)置于機(jī)械臂兩端的滾筒狀旋轉(zhuǎn)毛刷完成壁面除灰作業(yè)?；?guī)扈得媲謇砟Ｊ饺鐖D4所示。

圖4 灰?guī)扈得媲謇砟Ｊ?/p>

高剛度伸縮機(jī)械臂上端與吊裝裝置剛性連接，連接后具備水平回轉(zhuǎn)、豎直回轉(zhuǎn)、水平伸縮三自由度可控運(yùn)動(dòng)性能。用于提供清理機(jī)器人及專用清理裝置的可靠支點(diǎn)，主要由水平回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、豎直回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平伸縮機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)柔性末端、輔助牽拉結(jié)構(gòu)、環(huán)境感知單元、綜合防塵結(jié)構(gòu)等部件構(gòu)成。

3 安全清理機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

安全清理機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框架以施耐德M241PLC作為主控模塊，傳感器系統(tǒng)有激光測距、激光雷達(dá)模塊和深度相機(jī)模組。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是通過驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)實(shí)現(xiàn)清掃以及機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)。

3.1 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

控制硬件方面主要是針對應(yīng)用場景、功能需求及電路設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)整體硬件設(shè)計(jì)框架、各硬件模塊的選型及總體硬件原理圖等，可得出一個(gè)相對可行的低成本硬件設(shè)計(jì)方案。

3.1.1 主控模塊

在設(shè)計(jì)中機(jī)器人以施耐德M241 PLC作為主控模塊。主控模塊使用24 V直流電源，包括一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)容量64 Mbit，其中8 Mbit可用于執(zhí)行應(yīng)用程序，閃存128 Mbit用于斷電時(shí)保存程序與數(shù)據(jù)，內(nèi)置I/O口 。主控模塊可使用以下幾種通信端口：CANopen Master、以太網(wǎng)、USBMini-B、串行通信端口1和串行通信端口2。

3.1.2 激光測距模塊

激光測距模塊使用深達(dá)威SW-LDS50B，可提供0.05～50.00 m的非接觸式距離感測功能。

激光測距儀一般采用脈沖法和相位法2種方式來測量距離。該傳感器采用相位法測距原理，通過測量回波信號(hào)的相位并與發(fā)射信號(hào)的相位進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)測距。在戶外或者條件惡劣的測量環(huán)境下也能保證較高的測量精度。

PLC、電腦和激光測距聯(lián)合調(diào)試接線圖如圖5所示。

圖5 PLC、電腦和激光測距聯(lián)合調(diào)試接線圖

3.1.3 深度相機(jī)模塊

深度相機(jī)模塊使用Smart ToF TC_E2模組，該模組是基于飛行時(shí)間(Time of Flight，簡稱TOF)技術(shù)的小型深度CCD相機(jī)模組產(chǎn)品[4-9]，可通過Micro USB 2.0 接口以 60 fps的速度輸出QVGA(320 mm×240 mm)尺寸的深度圖、灰度圖及點(diǎn)云圖。產(chǎn)品采用850 nm LED光源，配合獨(dú)特的光學(xué)、電子、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，支持外部供電。測距范圍可達(dá)6 m，精度可達(dá)毫米級(jí)。

該深度相機(jī)可用于識(shí)別灰?guī)焐系酿そY(jié)物，通過通用串行總線的形式傳輸數(shù)據(jù)。

3.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

主控模塊M241 PLC支持CAN通信，通過CAN總線發(fā)送控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。清灰機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分原理如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路部分原理示意圖

3.2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含路徑規(guī)劃算法和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案。

3.2.1 路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃算法的主要目的是研究人工智能技術(shù)在各種環(huán)境下某系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制的能力?？紤]到清掃任務(wù)的需要, 為提高機(jī)器人的工作效率，有必要為機(jī)器人進(jìn)行合理的路徑規(guī)劃。首先通過深度相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器識(shí)別出灰?guī)毂谏系酿そY(jié)物，然后規(guī)劃出一條速度最快的路徑使清理機(jī)器人迅速移動(dòng)至黏結(jié)物處。采用點(diǎn)到點(diǎn)的路徑規(guī)劃方式，移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)自身的傳感信息自行規(guī)劃出一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的安全可行路線，路徑規(guī)劃算法采用遺傳算法[10-11]。路徑規(guī)劃算法原理如圖7所示。

圖7 遺傳算法流程圖

3.2.2 運(yùn)動(dòng)控制方案

通過CAN總線的方式控制驅(qū)動(dòng)器從而控制電機(jī)，主控模塊通過CAN總線給每一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令，由驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，搭載在機(jī)器人上的傳感器系統(tǒng)將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及灰?guī)斓膸毂谇闆r反饋給上位機(jī)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過讀取電機(jī)編碼器上的參數(shù)來確定。

上位計(jì)算機(jī)位于灰?guī)焐?可完成人機(jī)界面交互、環(huán)境初始值的輸入、作業(yè)任務(wù)的安排、機(jī)器人路徑的規(guī)劃和機(jī)器人的狀態(tài)顯示等。下位計(jì)算機(jī)位于機(jī)器人的機(jī)械本體上，接受來自上位計(jì)算機(jī)的命令,傳送機(jī)器人的信息,檢測和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和清掃作業(yè)裝置的工作等。臍帶多股電纜線用來傳遞信息和輸送動(dòng)力。

激光測距和激光雷達(dá)模塊用來檢測機(jī)器人的位置和姿態(tài)。安全清理機(jī)器人上的激光測距儀用來檢測清掃刷與壁面之間的距離信息。深度相機(jī)既可以顯示機(jī)器人周圍的狀況，又可以檢測清掃情況。

4 結(jié)語

本文對火電廠灰?guī)彀踩謇頇C(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，主要完成了以下幾方面的工作：介紹了清理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；在硬件設(shè)計(jì)方面，分別從主控系統(tǒng)、傳感器部分、驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分等功能模塊闡明了設(shè)計(jì)思想、方案論證和具體電路的實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)軟件設(shè)計(jì)工作提供硬件開發(fā)平臺(tái)；在軟件設(shè)計(jì)方面，從機(jī)器人路徑規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)控制方面闡明了設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及方案實(shí)現(xiàn)方法，通過計(jì)算機(jī)與主控模塊以及主控模塊與各大功能模塊的互連，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了硬件電路設(shè)計(jì)的合理性。