基于嵌入式PC104工控机和C8051F047单片机实现机器人系统的设计

时间:2020-06-30 12:36:33点击量:145 作者:张馨予

高压输电线及杆塔附件长期暴露在野外,因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤,如不及时修复更换,原本微小的破损和缺陷就可能扩大,最终导致严重事故。因此,电力公司需要定期对线路设备进行巡检,及时发现早期损伤和缺陷并加以评估,根据评估结果安排必要的维护和修复,从而确保供电的安全可靠性。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦,特别是对于山区和大江大河等的输电线路巡检存在很大困难,甚至一些巡检项目靠常规方法都难以完成。因此,采用机器人自动巡线成为保障高压输电线安全运行的一种必要手段。

高压输电线路巡线机器人属于特种机器人的研究范畴,主要完成高压供电线缆的无损探伤、悬垂绝缘子绝缘特性检测、输电线附件输电性能测试、机械连接牢固性检查、线缆异物清除等高空作业。国外在巡线机器人领域的研究起步较早,研究水平较高,1988年,日本东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线巡检移动机器人,该机器人可以沿地线爬行,遇到障碍物时,可以通过弧形手臂辅助跨越。加拿大魁北克水电研究院的Montambault等人于2000年研制成功了输电线遥控机器人,该遥控机器人可以消除电力传输线上的积冰,并可以用来线路巡检平台。国内关于输电线路巡线机器人的研究还处于起步阶段,只有武汉水利大学、山东大学、中科院等作过一些研究。

2.机器人概述

由于高压输电线的线缆附件种类多、形状复杂,因此,越障成为巡线机器人要具备的首要功能。本文所述的机器人采用3个自由摆动的吊臂跨越线缆附件,当遇到障碍物时摆动3个吊臂,使3个吊臂依次通过障碍物。机器人本体如图1所示,该机器人可以在四分裂、二分裂、单股等高压输电线缆上爬行,可自主跨越悬垂绝缘子、隔离棒、防振锤、线夹等线缆附件,具有输电线缆的检测功能。机器人综合性能指标如下:1)本体外形:850×300×700mm;2)本体重量45Kg;3)缆径适应性Ф10~Ф25mm;4)移动速度0~25m/min;5)爬升角度0~30°;6)控制方式:自主运行和主从遥控操作;7)故障处理:手动/自动。

基于嵌入式PC104工控机和C8051F047单片机实现机器人系统的设计

图1 机器人本体示意图

3.控制系统的设计

机器人的控制系统分本体控制系统和地面监控系统两部分,如图2 所示。本体控制系统用来规划机器人的运动轨迹,控制机器人运动构件,确保机器人可靠快速的越过障碍物,并实现与地面基站的命令、数据的远距离传输;地面监控系统实现机器人的手动/自动控制,并监控机器人的稳定运行。为机器人设计自动和手动两套控制系统的增加了机器人的灵活性与可靠性,当其中一套系统发生故障时可启动另一套控制系统,另外在某些特殊的场合可只用手动系统,降低了机器人野外作业的难度,增加了机器人的应用性。

3.1 机器人本体控制系统的设计

机器人本体的控制系统以嵌入式PC104工控机为核心,并配有输入输出扩展板HT-750和A/D采集扩展板PM-516。采用PC104 作为核心模块, 可将主要精力放在软件和接口的设计上, 而且PC104 的开发、维护和扩展都非常方便。PC104与通用PC和PC/AT标准(IEEE P996) 完全兼容, 可以很快掌握其软、硬件的使用, 并且具备嵌入式控制的特殊要求,为嵌入式应用提供了标准的系统平台。

基于嵌入式PC104工控机和C8051F047单片机实现机器人系统的设计

3.1.1故障检测

输电线缆附件种类多,形状复杂,对机器人判断障碍物类型带来了极大的困难。因此有必要携带多种传感器,将多种线路故障检测器集成到巡线机器人移动平台上,运用多传感器信息融合技术,以便提高故障探测的效率、精度和准确度。主要的传感器有CCD视觉模块、红外温度传感器、超声波传感器等。

视觉检测CCD模块使用PC104上的COM2串口,用于识别高压输电线各类附件,从原始图像中找到目标(防振锤、绝缘子、连接金具、隔离棒等附件)所在区域,利用图像处理技术,提取障碍物特征尺寸,自动判断输电线路上的障碍物类型、距离,并向机器人运动控制单元提供越障信息,形成下一步的越障策略。另外,视觉检查一般能发现架空线表面故障现象,如输电线表面损伤,连接金具松脱等;红外温度传感器则利用高压输电线在故障点会产生异常温升的特点,检测线缆的异常温升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334传感器来检测线缆的异常温升,以达到检测线缆故障的目的。

3.1.2运动控制