王海鹏， 王 飞，王 骞，栾贻青

（1.山东电力研究院 国家电网电力机器人技术实验室，济南 250002；2.山东鲁能智能技术有限公司，济南 250101）

0 引言

随着电力工业向着大机组、大容量和高电压的迅速发展，保障设备运行的可靠性更成为安全生产的突出课题[1]。利用变电站机器人进行电站设备的巡检，可以提高工作效率和质量，降低劳动强度和巡检危险性，真正起到减员增效的作用，能更快地推进变电站无人值守的进程。变电站环境比较复杂，机器人执行巡检任务时，既有静态障碍物环境下机器人的巡检任务，也有动态障碍物环境下机器人的巡检任务[2]，对障碍物的检测成为变电站巡检机器人研究的一项重要课题。

本文设计了一种基于变电站巡检机器人使用的超声波检测系统。超声波是一种非接触式检测技术，不受光线和被测对象颜色等的影响，易于定向发射、方向性好和强度好控制等特点[3]，同时具有成本低和安装方便。为了克服单超声传感器对空间信息检测的盲区大和存在幻影干扰等缺点，本文研究采用了多超声传感器的机器人安全检测技术，同时考虑到变电站强磁环境下，超声波反馈信号易受干扰等问题，在系统的软硬件设计上提出了许多防干扰措施，从而在实际应用中获得了良好的检测效果。

1 系统硬件设计

1.1 总体设计

本系统采用ATMEGA128芯片作为核心处理器，其片上集成了丰富的片内外设资源，设计时充分利用了这一特点，简化外围电路，降低了系统功耗。同时在设计上，移动机器人的超声检测系统采用了四路超声传感器来进行避障物的检测和定位[4]。根据电路中各部分实现的功能，整个体统可分为以下四个模块：电源模块、超声波发射模块、超声波接收模块和通讯模块等。超声检测系统总体硬件结构图如图1所示。

图1 超声检测系统结构框图

1.2 电源设计

系统设计的电源电路设计原理图如图2所示。5V电源由12V电源经过 RC 滤波和一个线性稳压器K7805变换产生，为单片机以及整流滤波电路提供工作电压。考虑到超声反馈信号对电压的稳定性比较敏感，为保证5V电源纹波小于100mV，在电源部分做适当的处理，采用 LC-π型滤波电路。

图2 电源电路图

系统电源电路设计原理图中5V 电源包括模拟电源（AVCC）和数字电源（DVCC），其中DVCC为电路中数字部分提供供电压，包括单片机及通讯电路等；而AVCC则为模拟部分提供工作电压，包括放大器等。在进行PCB设计时，模拟电源要远离数字电源，避免对模拟电源造成干扰。

1.3 超声波发射电路设计

本系统中采用的传感器是一体式全封闭防水超声传感器，此传感器的谐振频率为42±1k（KHz）。系统中采用中周变压器对超声传感器驱动信号进行升压处理，可以加大发射信号的功率，增加系统的检测距离。超声传感器与中周的匹配很重要，否则会影响系统的性能及稳定性，在选择上应该满足公式：

式中f为超声传感器的谐振频率，L为中周变压器的电感量，C为超声传感器的电容量。

图3 超声波发射电路

图3为超声波发射电路原理图，中周工作时，会对12V电源产生干扰，所以在每一路超声驱动电路中加入一个100uF的电解电容进行滤波，将产生的交流毛刺滤除，并在其输入端两端接一个续流二极管，保护元器件不被线圈产生的感应电压击穿或烧坏。单片机引脚无法直接驱动中周，硬件电路上通过三极管进行驱动，图中OC0接单片机的输出引脚，通过该管脚单片机可以输出标准的40KHz PWM方波，来驱动超声传感器工作。

1.4 超声波接收电路设计

超声波的回波信号一般为几mV，有时候甚至小于1mV，因此在设计接收电路时需要考虑信号的放大、整形和滤波等。由于使用的是一体式超声传感器，传感器发射超声波信号后，有一定的惯性，会产生余振信号，如果此时进行信号采集，会使系统产生误报，所以在进行设计时，必须在余振信号停止后再对回波信号进行采集。

如图4所示为超声信号接收电路，接收电路主要由SIG0处直接连接超声传感器，用来采集超声传感器的回声信号。超声波接收电路采用LM324四运放放大器芯片，具有电源电压范围宽，低功耗，自带高增益平率补偿，对微弱信号的放大效果好[5]，并可单电源使用。电路中，R2与R8为放大器U1A提供直流偏置点，偏置电压为2.14V。原理图中BAV99DW有两个作用，左上角二极管起到限幅作用，它防止无超声信号时，放大器U1B反相输入端输入电压超过4V，防止共模输入电压越限。右下角的二极管与外围电阻电容及放大器U1C组成倍压检波电路，当有超声信号时，放大器输出端输出低电平。在进行PCB设计时，超声传感器的信号线要远离电源并尽量短，走线宽度应在 20mil且不要穿孔。

1.5 通讯电路设计

系统电路中，采用拨码开关设定报警检测距离，每一路超声传感器都有一个指示灯与其对应，指示灯与电路中的拨码开关相互配合，当超声传感器检测到的距离少于设定的距离时，与传感器对应的指示灯便会亮起，起到警示作用。系统通讯模块采用RS232与主机进行通讯，在没有障碍物情况下，系统会停止向主机输出信号，在有障碍物的情况，系统会依次发送多路超声传感器与障碍物之间的距离值，实现机器人避障功能。

图4 超声波接收电路

2 系统软件设计

系统软件包括初始化程序、定时器中断程序、超声波收发程序及串口通信程序。系统软件流程图如图5所示。

图5 系统软件流程图

为验证系统设计的精度及稳定性，将系统安装在机器人上在变电站现场进行测试，并通过FLUKE激光测距仪对距离进行标定。表1 是测量数据与测距仪标定数据比照表，检测数据最大误差约为0.5%。应用数据说明该系统测试结果准确，应用效果良好。

表1 测量数据与测距仪标定数据比照表

3 结束语

该超声检测系统通过硬件及软件上的一系列抗干扰措施，成功解决了变电站环境复杂、强磁干扰的问题。在机器人进行巡检任务过程中，该系统有效地维护了机器人的运行安全，提高了机器人的可靠性，拓宽了机器人的应用范围。

[1] 孙国凯, 韩刚.变电站巡检方式对比及其智能巡检机器人的研究与设计[J].电气时代2008(7): 92-94

[2] 刘喜昂, 周志宇.基于多超声传感器的机器人安全避障技术[J].测控技术, 2004(3): 71-73

[3] 陈可中, 谭 翔, 董建杰, 等.红外测温仪的设计[J].电子测量技术, 2007(10): 11-14

[4] 杨东鹤, 刘喜昂.智能移动机器人的超声避障研究[J].计算机工程与设计, 2007(15): 3659-3660

[5] 杜婧, 孙志峰, 等.基于NIR技术的PET/PVC废旧塑料分离系统.传感器与微系统[J], 2011(9): 98-101