洪永健 马力 刘国建 赵灿辉 肖学明

摘   要：针对电站传统的监测方法所需要的人员多、工作量大以及缺乏实时分析故障等缺点，设计了一款智能的电站巡检机器人的监测系统。所设计的机器人具有自主循迹，智能判断故障，记录事故原因及时报警等特点。详细的阐述了硬件的设计方法以及软件的设计方案。并对电站的异常情况进行了模拟测试，得出所设计的系统满足性能指标，具有一定的工程应用价值。

关键词：巡检机器人;监测;实时;自主

中图分类号： TP29                                               文献标识码：A

Design of Robot Monitoring System Based on Power Station Inspection

HONG Yong-jian？覮，MA Li，LIU Guo-jian，ZHAO Can-hui，XIAO Xue-ming

（Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Yunnan，kunming  650011，China）

Abstract： For power plant，the traditional monitoring methods with more personnels，big workloads and disadvantages such as lack of real time analysis of failure，an intelligent monitoring system of power plant inspection robot. The designed robot is designed with independent tracking，intelligent judgment fault，recording the cause of the accident，alarming in time，etc. The detailed expounds the design method of hardware and software design scheme. And abnormal situation of power station is simulated test，it is concluded that the designed system satisfy the performance index and has certain engineering application value.

Key words： patrol robot;monitoring;real time;autonomously

目前，電力系统的设备都在向着稳定系高、安全性好、智能化高的等方向发展，对设备的维护和日常的检测难度也随之增加，且工作人员的技术水平良莠不齐，对待工作的态度也不一致，很难使得日常的巡检维护得到保障，有时候甚至不能发现已存在问题，如果问题不能及时解决可能会导致巨大的人员伤亡和经济损失。为了解决电站中类似问题的存在，根据电力系统的实际情况，并结合传统的巡街方式，设计了电站巡检机器人[1-2]的检测系统，可以有效的提高电站的巡检故障的效率[3]，减少人员的工作量。本文主要从巡检机器人的硬件部分和软件部分进行了介绍，将硬件部分进行了模块化的处理，主要有CPU最小系统模块，PWM驱动电路模块、编码器接口电路模块、串口电路模块、串口通讯模块等。软件部分主要分为系统运动控制模块，加减速控制算法模块，串口通讯软件设计等。

1   巡检机器人系统的总体设计方案

结合传统的变电站巡检机器人的应用特点和电站在实际应用中的操作环境和方法，本文对电站巡检机器人进行了重新的设计，通过嵌入S曲线加减速控制算法，利用差速驱动转向实现了对机器人的运动状态的改变。系统的整体设计如图1所示，由图可知系统是将传统的四轮控制转化成双轮控制，采用的差速驱动转向，并通过两侧的驱动器发出一个PWM协调型号，来控制左右两侧电极的转速和转向，从而实现了对机器人速度和转向的实时控制和监测[4]。当左边的PWM的信号频率大于右边的PWM信号的时候，左边的转速就会大于右边的转速，此时机器人会右转弯运动，转向的半径大小由系统根据左右两边的转速差计算求得[5]。

2   系统的硬件电路

系统的硬件电路主要是由五个模块组成：STM32F407IGT6最小系统电路模块[6][7]、PWM信号驱动模块、编码器接口电路模块、串口通讯电路模块。如图2所示为系统的控制器的硬件模块，系统的CPU采用的是意法半导体公司开发STM32F407IGT6，通过STM32F407IGT6控制巡检机器人的正常运动。

2.1   STM32F407的最小系统模块

选用32位ARM Cortex-M4内核的STM32F407IGT6单片机，STM32F4系列单片机内核的工作频率高达168 MHz，具有1024 K的FLASH以及192 K的SDRAM。此外STM32F4的最大优势就是增加了硬件FPU单元以及DSP指令，这使得STM32F4尤其适用于需要浮点运算或DSP处理的运用，从而大幅度提高了系统的运算速度。在本系统中STM32F4单片机的主要作用是：通过其产生PWM信号，从而传送至驱动器控制电机的转速，并由其对数据进行处理然后通过RS485将数据传送至PC机的通信端口。最小系统的具体电路图如图3所示。

2.2   PWM信号驱动电路

由于STM32F407系统采用3.3 V电源电压供电，所以STM32的脉冲输出电压的峰峰值最大能达到3.3 V。而市场上的交流伺服电机的驱动电平一般都是5 V，所以本系统采用的交流伺服电机也为5 V，因此必须进行一定的电平转换控制才能实现对交流伺服电机的控制。驱动电路如图4所示，当STM32的I/0口输出高电平的时候Q1导通，Q2截止，OUT输出高电平;当I/O口输出低电平的时候Q1截止，Q2导通，OUT输出低电平。图中的电阻R1是起到限流的作用，二极管D1是防止突发情况下电压反击的作用，两者都起到了保护电路的作用。推挽电路的优点就是设计简单、成本低，可靠性高等。另外在使用推挽电路时，选用的频率不能高出三极管的开关频率（1MHz），本系统设计产生的PWM的频率为333 kHz。

2.2   编码器的接口电路

在编码器接口电路的设计中，本系统采用的是TI公司生产的SN75174编码器信号的接收芯片，并将转换过的信号作为脉冲计数器的输入。其电路原理图如图5所示，VCC采用的是5 V电源供电，该芯片共有四路差分信号的输出，通过控制A端口和EN端口来控制Y和Z的输出。其逻辑转换方式如表1所示，其中H为TTL高电平，L为TTL低电平，X是无输入，Z是高阻态。

2.4   串口通讯电路

本系统是采用RS485的通讯方式将系统采集的数据发送到PC端[8]，RS485的特点主要有：485

电平与TTL电平兼容，方便与TTL电路连接;抗共模干扰能力强;数据传输速率快，高达10 Mbps。本文采用SP3485芯片进行数据通信，它是一款低功耗的芯片且符合RS485协议的收发器，最大传输速率2.5 Mbps，具有一个使能引脚控制芯片数据的发射和接收。SP3485如图6所示，将一个120欧姆的电阻串联在A和B之间，还电阻主要用于通信总线上阻抗匹配，达到吸收总线上反射信号的目的。

3   系统的软件设计

系统的主要使用C语言进行程序编写的，在KEIL5环境下对STM32F407进行软件编程。系统软件主要是根据功能进行模块划分，主要为运动控制功能软件模块、串口通信软件模块。运动控制模块主要是实现对机器人运动转台的控制，主要有：加减速，前进后退、拐弯等，串口通讯模块主要是遵守一定的通讯协议，为机器人提供数据的传输和命令的就接受功能。软件流程图如图7所示，机器启动以后，根据接受到指令进行：停止、直行、转弯。其中停止优先级最高，其次设计转弯、直行。当机器人接受到停止的命令时，将会停止一切动作待在原地。

4   系统性能测试

变电站的巡检机器人的运动都是在室内环境下作业的，且电站内都是有特有的黑色胶带组成的多种线路，供机器人巡检的时候所用。实验中交流电机的输入电压为48 V，发送的PWM的信号最大为333 kHz，此时的占空比为50%。如图8所示给出了机器人以最大的速度前进时候，系统发出的PWM信号和编码器反馈侧的信号关系，由图可知当以最大频率输出PWM信号时候，反馈信号的频率刚好为发送信号频率的1/4。所以有编码器反馈信号可以得出机器人的速度信息，从而完成系统的控制。

为了进一步测试系统的稳定性，当巡检机器人在执行任务时，利用高速摄像机拍下其运行轨迹，用皮尺测出在200 cm，400 cm、800 cm直线距离内运行的实际距离，从而可以根据高速摄像机的输出其时间，然后算出其速度，测试数据如表2所示。从表1的测试结果可以得知，当机器人在运行时，路程不同或速度不同时，都会对其运动的准确性产生一定影响，都会有一定的误差值存在，经过反复的测试，误差控制在2.5 cm以内。

5   结   論

经过试验，设计的运动控制系统性能可靠，实现了对变电站巡检机器人运动控制系统的实时控制，达到系统设计要求。该系统具有在线升级能力，可通过更新软件程序提高系统的实用性和可靠性，为巡检机器的进一步研究开发点奠定基础，具有一定的工程应用价值。

参考文献

[1]    张金贵，李从飞.基于无线技术的变电站自动巡检机器人[J].  电气自动化，2014，21（02）：36—38.

[2]    高青. 山西长治久安变电站巡检机器人的应用研究[D]. 西安：西北工业大学，2012.

[3]    吴益虹. 变电站智能巡检机器人的可靠运用[J].  通讯世界， 2017，23（20）.

[4]    钱平，徐街明，张永，等. 变电站巡检机器人监控系统实现技术与应用功能设计[J].电力信息与通信技术，2017，15（12）： 19—24.

[5]    杨同杰. 基于DSP的直流伺服电机控制器设计与实现[D]. 南京：南京理工大学，2009.

[6]    孙书鹰，陈志佳，寇超. 新一代嵌入式微处理器开发与应用[J].微计算机应用，2010，12（31）：59—63.

[7]    陈启军. 嵌入式系统及其应用： 基于Cortex-M3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发[M]. 上海：同济大学出版社，2011.

[8]    勾慧兰，刘光超，基于STM32的最小系统及串口通信的实现[J]. 工业控制计算机，2012，9（25）：26—28.