（电气工程专业论文）变电站设备巡检移动机器人的研究与设计.pdf

l k 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变电站设备巡检移动机器人的 研究与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：印队彳 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 聊虢弛 日期：坐4 j j 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文根据变电站设备巡检的具体要求，结合当前机器人用传感器的实际 情况，设计一种能够沿着变电站内设定的白线自动巡线的移动机器人。首先 详细分析了当前机器人中常用的传感器原理、类型、性能特点。然后对机器 人进行总体设计，该机器人能够沿着变电站内部设定的白线自动行走，行走 机构采用四轮结构，前两轮为万向轮，后两轮有驱动轮，且各自由一大功率 电机驱动t 车底安装有激光光电传感器能够自动检测白线，红外传感器用于 测量距离，避免障碍物。综合考虑传感器接口抗干扰技术，详细设计了自动 巡线移动机器人的传感器接口电路。最后开发了自动巡线移动机器人的控制 软件，最终实现机器人的自动巡线和移动功能。 关键词：变电站，设备巡检，自动巡线，移动机器人 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so ft h es u b s t a t i o ne q u i p m e n ti n s p e c t i o na n d t h ec u r r e n ta c t u a ls i t u a t i o no ft h er o b o ts e n s o r s ，am o b i l er o b o ti sd e s i g n e d ，w h i c hc a n s e ta l o n gt h ew h i t el i n eo ft h es u b s t a t i o nt od e t e c tl i n ea u t o m a t i c a l l y f i r s t l ya n a l y z e s d e t a i l l yt h es e n s o r s p r i n c i p l e ，t y p e sa n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc o m m o n l y u s e di nc u r r e n tr o b o ts e n s o r s t h e nt h et o t a ld e s i g nf o rt h er o b o ti s e s t a b l i s h e d ，t h e r o b o tc a nb es e t a l o n g t h es u b s t a t i o nw h i t el i n e a u t o m a t i c a l l yw a l k ，w a l k i n g m e c h a n i s mw i t hf o u r - w h e e ls t r u c t u r e ，t h ef i r s tt w or o u n d sa r ec a s t e r s ，t h el a t t e rt w oa r e d r i v i n gw h e e l s ，a n de a c ho t h e rd r i v e nb yah i g h - p o w e rm o t o r , v e h i c l ee q u i p p e dw i t h l a s e ro p t i c a ls e n s o rt h a ta u t o m a t i c a l l yd e t e c t sw h i t el i n e s ，i n f r a r e ds e n s o r su s e dt o m e a s u r ed i s t a n c ea n da v o i d o b s t a c l e s c o n s i d e r i n g s e n s o ri n t e r f a c e j a m m i n g t e c h n o l o g y , t h es e n s o ri n t e r f a c ec i r c u i to ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nl i n em o b i l er o b o t i sd e s i g n e dd e t a i l y f i n a l l yt h ec o n t r o ls o i w a r eo ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nl i n e m o b i l er o b o ti s d e v e l o p e d ，a n dt h e a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nl i n ea n dm o b i l e f u n c t i o n a l i t yo ft h em o b i l er o b o tc a nb eu l t i m a t e l ya c h i e v e d z h a n gji n g ( e l e c t i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g g a n g k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ，e q u i p m e n ti n s p e c t i o n ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nl i n e m o b i l er o b o t 0 k 一 il l - - _ - 一 、 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及其意义1 1 2 变电站设备巡检机器人和作业机器人的开发与应用现状2 1 2 1 目前变电站设备巡检现状2 1 2 2 变电站设备巡检机器人和作业机器人研究现状2 1 3 课题研究内容5 第二章机器人中常用的传感器。6 2 1 检测机器人本身状态的传感器6 2 2 检测机器人对外部触觉的传感器6 2 3 光电传感器7 2 4 限位开关8 2 5 电位器9 2 6 本章小结9 第三章设备巡检移动机器人的总体设计1o 3 1 系统结构1 0 3 2 各功能模块选型l l 3 2 1 机器人单片机选择1 l 3 2 2 电源模块1 2 3 2 3 传感器模块1 3 3 2 4 光电隔离板1 4 3 2 5 电机模块1 4 3 2 6 手柄模块1 6 3 2 7 人机界面显示模块1 7 3 3 本章小结1 9 第四章传感器接口电路设计2 0 4 1 接1 2 1 抗干扰技术2 0 4 2 激光光电传感器接1 2 1 电路设计2 2 4 2 1 激光光电传感器工作原理2 2 量 l 1jl l 工 l 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 变电系统是供电企业生产中输、变、配三大系统中的核心系统之，变电管理 工作主要由变电运行、变电检修、电网调度、电能计量等诸多部门协同完成，中心 环节是变电站设备管理。因此变电站设备的安全稳定运行关系到一个供电企业的安 全、经济效益等多项指标，同时变电站设备的品种、数量众多，包括开关、变压器、 避雷器、熔断器、电压互感器、电流互感器、电力电容器、母线，以及各种电缆、 刀闸、耦合电容器、阻波器、接地装置等等。 随着科技进步和电力体制改革的不断深人发展，电力系统自动化程度已有很大 提高，变电站值班也逐渐趋于无人化或少人化。变电站设备的电气信号可以通过监 控与数据采集系统、高压设备绝缘检测、继电保护等装置获得，从而实现了变电站 主设备的远程监控，即“四遥”：遥测、遥信、遥控、遥调功能n 3 。但是四遥在一定 程度上忽略了事后对事故发展的准确判断并降低了对事故处理的快速反应能力。一 旦变电站发生异常，调度人员必须先通知分局变电运行操作队赶到现场了解真实情 况、事故波及设备范围，再由变电运行班人员向调度员、分局领导汇报，分局才组 织维护班或检修公司进行抢修。人员不到变电站就无法准确了解或根本不掌握现场 详细情况，这样一来一往，大大延误了排除缺陷的时间，影响了供电局的售电量和 服务承诺。因此，很多变电站增加了“第五遥 遥视功能，即在变电站内安装摄像 机及各类探头，将无人值班变电站的防火、舫盗以及设备运行、发热和事故直观情 况及波及范围，通过站内电话线或光纤等通道传到调度所，以便调度人员做出正确 的决策。虽然这种远程监视实现了图像、声音信号的数字化以及远距离传送，为解 决变电站远程多媒体监控系统提供了全面的技术支持，但是，这种远程监视只是将 变电站的多媒体信息上传，不进行处理，又由于每个可见光电荷耦合器件摄像机 ( c c d ) 视野的限制、网络通信带宽有限等，制约了远程监视的推广应用。为了保 证变电站设备的安全可靠运行，更快地推进变电站无人值守的进程，利用智能移动 机器人完成电站设备的巡检，就目前的技术而言，可以说是提高工作效率和质量、 减员增效的理想方案之一。因此研制开发变电站设备巡检机器人有比较重要的意 义。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 ，2 变电站设备巡检机器人和作业机器人的开发与应用现状 1 2 1 目前变电站设备巡检现状 目前变电站设备的巡检主要有人工现场就地巡视和远程多媒体监视两种方 式：2 3 1 1 人工现场就地巡视方式 人工现场就地巡视就是变电站运行人员在现场进行设备巡视，对运行设备进行 感观的简单的定性判断，主要通过看、触、听、嗅等去实现的。通过看可以检查设 备有无渗漏情况，检查设备参数是否正常，夜间闭灯检查设备的发光和电晕现象， 检查设备的绝缘情况和有无放电痕迹，雨雪天检查导体上的积雪溶化及雨水的蒸发 情况，刮风时应检查各导线间的摆动情况是否满足绝缘距离的要求。通过触摸运行 设备的外壳( 如电机和变压器) 检查其振动情况和温升变化情况，并与积累经验对 照，从而判断其运行状况。运行设备的故障前兆往往先通过放电的响声或振动的响 声表现出来，所以听往往是发现故障的关键。当运行设备的绝缘发生破坏时，常常 伴随有异味，所以嗅是判断运行设备绝缘的关键。 设备存在缺陷或隐患，有的人能发现，有的人不能发现，这除了与巡视人员对 设备的熟悉程度、业务水平、工作经验、态度、责任心和精神状态有很大关系外， 还与巡视人员采用的巡视设备和记录手段有关。以前，对电力系统设备的缺陷检修 或设备的常规检查等定性状态信息采用手工记录。手工记录常会出现记录不完整， 容易丢失。特别是一些严重缺陷未能及时上报和处理，从而可能发生严重事故，造 成不必要的损失，而且事故发生后缺乏故障分类、系统分析、责任不清，这样很难 满足对供电质量日益提高的要求。 2 远程多媒体监视方式 随着无人值班变电站的广泛推广，传统变电站具备的“四遥 功能在一定程度 上忽略了事后对事故发展的准确判断，并降低了对事故处理的快速反应能力。一旦 变电站发生异常，调度人员必须先通知分局变电运行班( 有的叫操作队) 赶到现场 了解真实情况、事故波及设备范围，再由变电运行班人员汇报调度员、分局领导， 分局才组织维护班( 或检修公司) 进行抢修。人员不到变电站就无法准确了解或根 本不能掌握现场详细情况，这样来一往，大大延误了排除缺陷的时间，影响了供 电局的售电量和服务承诺。 1 2 2 变电站设备巡检机器人和作业机器人研究现状 目前在变电站现场运行的机器人主要有两类：变电设备高压带电清扫机器人和 2 ； l 华北电力大学工程硕士学位论文 变电站设备巡检移动机器人，具体情况如下： l 、变电设备高压带电清扫机器人 文 4 介绍了一种新型带电清扫变电站支柱绝缘子的机器人。变电站支柱绝缘 子由于置身户外，弥漫于空气中的工业污秽和自然污秽易沉积在绝缘子表面形成污 秽层。这些污秽物受雾、小雨等侵害，极易引发污闪事故，因此对绝缘子要定期清 扫。这种带电干清扫2 2 0 3 3 0 k v 变电站支柱绝缘子表面污秽的机器人可解决清污 问题，这种机器人十分复杂，涉及机构绝缘、无线信号传输、视觉对中和定位、液 压自动控制等多种技术。 文 5 介绍了一种带电干清扫设备有便携式软轴连接高压带电清扫杆和叉车配 套型高压带电自动清扫机等。前者需人工把持清扫杆操作，劳动强度大，适用电压 等级低，清扫高度低；后者要靠叉车的移动来调整清扫方向和距离，操作不方便， 自动化相对较低。已经问世的带电作业机器人，绝大部分用于一般高压输电线路的 保全维护，极少有专门用于清扫高压绝缘瓷瓶的。如日本的“p h a s ei i 半自动机 器人可在驾驶室内通过控制面板控制手臂带电进行线路维护操作；山东电力研究院 研制的高压带电作业机器人通过主从手对输配电线路进行维护抢修阳1 。 已经问世的带电作业机器人，绝大部分用于一般高压输电线路的保全维护，极 少有专门用于清扫高压绝缘瓷瓶的如日本的“p h a s ei i 半自动机器人可在驾驶 室内通过控制面板控制手臂带电进行线路维护操作n 1 0 | 。 2 、变电站设备巡检移动机器人 。 文 1 卜1 9 介绍了山东电力研究院鲁能智能公司和清华大学智能技术与系统国 家重点实验室共同研制的基于移动机器人的变电站设备巡检系统，如图1 1 所示。 系统配备有红外热像仪、可见光ccd 摄像机、激光雷达等多种传感器，能够以自 主或遥控的方式，在无人值守或少人值守的变电站对室外高压设备进行实时巡检， 可及时发现变电站设备的热缺陷、异物悬挂等异常现象和其他类型的故障隐患。 该机器人的整体结构主要包括基站、移动体控制系统以及由可见光图像摄像 机、红外图像摄像机和传声器等组成的电站设备检测系统3 部分。移动体是整个机 器人系统的移动载体和信息采集控制载体，主要包括移动车体、移动体运动控制系 统和通信系统。对于移动体还需要进行有效的监视、控制和管理，为此建立了一个 移动机器人监控中心来完成该任务，称其为基站。基站与移动体之间通过无线网桥 组成一个无线局域网，其中无线网桥满足i e e e 8 0 2 1 l a 标准，频段5 8 g h z ，带宽 5 0m b it s ，无遮挡传输距离1 0k m 。整个机器人系统采用基于i p 网络的二级结构， 如图卜2 所示，可见光图像、红外图像通过视频服务器的视频流数据和移动体控制 系统信息等数据汇集到网络集线器后，经无线网桥、网络集线器一起通过电力系统 华北电力大学工程硕士学位论文 内部网络传到运行监控中心，连接到电力系统局域网上的计算机可根据访问权限实 时浏览变电站设备的可见光和红外视频图像、机器人本身运行情况等相关信息，并 且可以控制机器人移动体的运动等。 图1 - 1d j r - 1 0 1 型变电站设备巡检移动机器人 图1 - 2 机器人系统整体网络结构 检测系统由红外热像仪和可见光摄像机等装置组成，均安装在移动体上，该系 统可以完成变电站设备外观图像和内部温度信息的采集和处理。 考虑到机器人的运行环境，其移动体采用四轮轮式移动小车，前2 轮为驱动轮， 由2 个电机分别驱动，差速转向，后2 轮为万向轮。该移动体结构简单，易加工， 直线运动性与转弯性能好，能够以2 个前轮中心点做原地转弯，且无侧滑，对路面 4 华北电力大学工程硕士学位论文 的适应性强，且便于控制系统的设计 文 2 0 则进一步详细介绍了d j r 一1 0 1 型变电站设备巡检移动机器人系统的基于 轨线引导的巡检机器人单目视觉导航方法。对于预先设置的引导轨线和停靠位标 识，采用o p e n c v 和d i r e c t s h o w 软件库来开发视频采集程序，实现道路视频信息 的实时采集；通过h s i 模型对图像进行颜色提取，再采用数学形态学处理去除干扰 信息；最终采用统计8 一连通区的方法将导航线和停靠位标识分割提取出来，用采样 估算方法计算导航线参数，通过比例系数融合导航参数以控制两驱动轮电机实现机 器人的运动控制。实验表明，该方法实现了机器人的自主导航，能够适应绝大部分 光照强度的环境，并具有较好的实时性和可靠性。 1 3 课题研究内容 本文根据变电站设备巡检的具体要求，结合当前机器人用传感器的实际情况， 设计一种能够沿着变电站内设定的白线自动巡线的移动机器人。主要研究内容如 下： ( 1 ) 分析当前机器人中常用的传感器原理、类型、性能特点，以及对于自动 巡线移动机器人的实用性和经济性，为选定变电站设备巡检机器人用传感器提供选 择依据。 ( 2 ) 对变电站设备巡检用的自动巡线移动机器人进行总体设计，并对各功能 模块进行选型。 ( 3 ) 综合考虑传感器接口抗干扰技术，设计自动巡线移动机器人的传感器接 口电路。 ( 4 ) 开发自动巡线移动机器人的控制软件，最终实现机器人的自动巡线和移 动功能。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章机器人中常用的传感器 传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术列为与通信技术 和计算机技术同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。目前敏感元器件 与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字 化、网络化的重要标志心1 。2 7 | 。 2 1 检测机器人本身状态的传感器 检测机器人本身状态( 手臂间角度等) 的传感器，位置和角速度传感器典型的 传感器是电位计，检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。另有光电传感器， 还有固态、液态、气态倾角传感器。角速度传感器中典型的传感器是回转式编码器， 有霍尔编码器、光电编码器等。 2 2 检测机器人对外部触党的传感器 触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓 取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。因此触觉传感器是机器 人外部传感器的重要组成部分。一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、 压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器。 1 接触觉 接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分 布触觉传感器阵列，它柔软易于变形，可增大接触面积，并且有一定的强度，便于 抓握。它有机械式触觉传感器、弹性式触觉传感器、光纤传触觉感器。 2 接近觉 接近觉是一种粗略的距离感觉，接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获 得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对 象的表面形状及倾斜等状态，一般用“l 和“0 两种态表示。在机器人中，主要 用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、 电磁式接近开关和光学接近传感器。 3 滑觉 机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握 紧力不够时，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下， 考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。滑觉传感器有滚动 6 华北电力大学工程硕士学位论文 式和球式。 4 测距 对于智能机器人测量距离是非常重要的，而距离传感器正式提供这一功能的重 要手段。距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人空间内的物 体进行定位及确定其一般形状特征。目前最常用的测距法有两种： 第一，超声波测距法：超声波是频率2 0 k h z 以上的机械振动波，利用发射脉冲 和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是波束较宽，其分辨力受 到严重的限制，因此主要用于导航和回避障碍物。 第二，光测距法：激光或者红外光测距法也可以利用回波法，或者利用光测距 仪。 2 3 光电传感器 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，原理如图2 1 所示。 光敏二极管是最常见的光传感器，光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的 管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，p n 结的面积 做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无 光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小( m ) ，称为光敏二极管的暗电流： 当有光照时，载流子被激发，产生电子一空穴，称为光电载流子。在外电场的作用 下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电 流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化 而变化的电信号。 ! ，：l 发射端 一“ 接收端 图2 - 1 光电传感器原理图 光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测 电路，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管 ( l e d ) 和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二 极管或光电三极管组成，在接收器的前面，装有光学元件，在其后面是检测电路， 它能滤出有效信号和应用该信号。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 红外光电传感器实物图和接线图见图2 - 2 。 一 。- - 。_ 。 图2 - 2 红外光电传感器实物图和接线图 激光光电传感器实物图和接线图见图2 - 3 。 2 4 限位开关 输出 ( 0 3 3 v ) 图2 - 3 激光光电传感器实物图和接线图 电阻) 输出 ( o s v ) 限位开关又称行程开关，可以安装在相对静止的物体( 如固定架、门框等，简称 静物) 上或者运动的物体( 如行车、门等，简称动物) 上。当动物接近静物时，开 关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点 开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。 限位开关主要用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开 关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行 程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是种根据运动部件的行程 位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和 起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。限位升关实物图和接线图如图2 4 所示。 一l j 1 。机 图2 4 限位开关实物图和接线图 华北电力大学工程硕士学位论文 2 5 电位器 电位器是用于分压的可变电阻器。在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金 属触点。触点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值。主要参数为阻值、容差、额 定功率。广泛用于电子设备，在音响和接收机中作音量控制用。 电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组 成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点 在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关 系的电压。它大多是用作分压器，这是电位器是一个四端元件。电位器基本上就是 滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节电位器 是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体 的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的 位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。 电位器的作用调节电压( 含直流电压与信号电压) 和电流的大小。 电位器的结构特点一一电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑 柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值， 从而改变了电压与电流的大小。电位器接线图见图2 - 5 。 2 6 本章小结 电位器 图2 - 5 电位器接线图 本章详细分析了当前机器人中常用的传感器原理、类型、性能特点，包括检测 机器人本身状态的传感器、检测机器人对外部触觉的传感器、光电传感器、限位开 关、电位器等，为选定变电站设备巡检机器人用传感器提供选择依据。 ，j ，。j r， 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 系统结构 第三章设备巡检移动机器人的总体设计 设备巡检移动机器人能够沿着变电站内部设定的白线( 为机器人巡检的路线设 定的) 自动行走。机器人的行走机构采用四轮结构，前两轮为万向轮，后两轮有驱 动轮，且各自由一大功率电机驱动。这一结构能行动快速灵活，转弯易实现，能耗 小。在机器人的信号获取上，安装了多种类型的传感器，车底安装有激光光电传感 器使机器人能够完成场地的寻白线自动行走，红外传感器用于测量距离。 总体的系统结构框图如图3 1 所示。 漩光传癌器 缈 光电开关 衬始设置面板 前菥夫 行走控制打片机( 主机) a t me qa1 2 8 一 状杏信号显录输 控淼h 拽麟控制驱面曙ii 丘亿吧仇 控基垂h 栅机控稍驱动垂广叫1 啦柁吧矾 一 图3 - 1系统结构框图 系统的输入分传感器输入和手柄( 见图3 2 ) 信号输入两种。传感器输入方式 主要适用于机器人沿着设定的白线自动行走，当自动行走出现故障时，可采用手柄 输入信号。传感器包括测距传感器、位置传感器、接触开关能。手柄的控制信号经 模数转换后进入单片机。 图3 - 2 手柄特写 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 各功能模块选型 3 2 1 机器人单片机选择 a t m e g a l 2 8 单片有1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有在写的过程中还可以 读的能力，即r w w ) 、4 k 字节的e e p r o m 、4 k 字节的s r a m 、5 3 个通用i o 口线、3 2 个通用工作寄存器、实时时钟r t c 、4 个灵活的具有比较模式和p w m 功能的定时器 计数器( t c ) 、两个u s a r t 、面向字节的两线接口t w i 、8 通道l o 位a d c ( 具有可选 的可编程增益) 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、s p i 串行端口、与 i e e e l l 4 9 1 规范兼容的j t a g 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试) ，以及六 种可以通过软件选择的省电模式。 空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、t c 、s p i 端口以及中断系统继续工作； 掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作， 寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间 基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；a d c 噪声抑制模式时c p u 和所有的i 0 模 块停止运行，而异步定时器和a d c 继续工作，以减少a d c 转换时的开关噪声；s t a n d b y 模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启 动能力；扩展s t a n d b y 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。 a t m e g a l 2 8 是以a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的。片内i s pf l a s h 可 以通过s p i 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口 来下载应用程序到应用f l a s h 存储器。在更新应用f l a s h 存储器时引导f l a s h 区的 程序继续运行，实现r w w 操作。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f 1 a s h 集 成在一个芯片内，a t m e g a l 2 8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。 a t m e g a l 2 8a v r 有整套的开发工具，包括c 编译器，宏汇编，程序调试器仿真 器和评估板。硬件组成控制的总图见图3 - 3 ，单片机引脚图见图3 4 。 图3 - 3a v r 单片机 1 1 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 2 电源模块 一， 舌呈量i 亏 g ：嚣z 晕i 毫毫 一 图3 - 4a t m e g a l 2 8 引脚图 电源是系统正常工作的基础，因此电源的设计至关重要。单片机模块中接受供 电的部分：传感器模块、单片机模块、驱动电机模块和速度检测模块( 供电系统见 图3 - 5 ) 。其中，单片机系统、传感器、速度检测模块都需要5v 电压，电动机伺服 电机工作电压范围1 2 - 2 4 v 。设计每辆车的动力电和控制信号点分别供电，动力电采 用5 0 0 0 m a h x 6 的大容量锂电池，控制点采用6 节五号电池串联，两者均经过稳压器 稳压后给各个模块供电。由于小车的耗电量很高，因此电源的好坏直接影响小车的 整体性能。为保证小车有充足的电量，通过在电池之后的电压稳定环节，使得小车 在一定时间范围能正常运行，通过刈。各稳压集成块性能指标的查询，决定采用l m 3 3 7 大功率稳压集成芯片，接线电路见图3 - 6 。 图3 - 5 机器人供电系统 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 3 传感器模块 图3 - 6 稳压器接线电路 机器人所需要的传感器需要完成功能包括：自动巡线、转弯测距、爬坡测定、 机器人倾角测定。因此需要激光光电传感器用于自动巡线，见图3 7 ，前后各设置 一排激光光电传感器( 每排9 个、间距3 0 r a m ) 用于自动巡( 白) 线。需要红外传感 器用于测距，用于检测距前端障碍物距离以便调整速度，所有电动机的速度有光电 编码盘测速，见图3 - 8 ，倾角传感器用于检测肩舆的位置。 图3 7 巡线用激光光电传感器安装 。一- 树， 一一一：! ，一。l 、一霉 ，j y 。乏 鞠翻缸蘑；i l 图3 - 8 编码器 华北电力大学工程硕士学位论文 小车驱动功率： 综合效率系数： 最终驱动电机功率： p = t = 1 5 ( 2 3 1 4 9 5 5 ) s o = 1 5 o f ：w )( 3 - 4 ) 0 = 0 7 0 8 ( 3 5 ) p = 1 5 a = l s ( o 8 0 9 ) 2 1 8 7 5 2 5 7 2 ( w )( 3 - 6 ) 考虑到安装是摩擦阻力会增加很多，且在上坡的时候电机负载增加很多，因此 选择功率较大的电机，范围在3 5 、4 0 w 以上。最终选择冯哈勃的2 6 5 7 0 2 4 c r 型直流 有刷电机( 见图3 - 1 0 ) ，具有功率高、可靠性好、运动控制精确等特点。配以2 6 1 型4 3 ：l 减速器，它具有高强度和高精确性的特点，同时配以冯哈勃电机专用i e 2 - 5 1 2 型5 1 2 线编码器。组成闭环控制，使得系统的控制精度进一步提高。其安装尺寸见 图3 一l l 。， 毹 ( 涌 藕 劲u 眵 图3 - 10冯哈勃2 6 5 7 0 2 4 c r 直流有刷电机 磐“确乎? 。j ”：j j l 叫 霹 3 4 “p 4 + 8 虮4 4 4 6 j 图3 一儿2 6 5 7 0 2 4 c r 电机安装尺寸 采用m e is t u d i o 专为中小功率的直流伺服电机设计的m c d c 系列驱动器进行驱 动。该产品具有易于安装、功能全面、体积小巧、联接灵活和同时支持同时控制多 d 曲t 华北电力大学工程硕士学位论文 个运控器等显著特点，在广泛的领域中有着超凡的性能表现。 该驱动器是专门应用于精确控制各种带有旋转编码器的直流微电机系统产品。 具有精确地速度、位置、电流三闭环设计，结合高性能的2 0 0 0 线增量编码器，电 枢定位精度可达到0 0 4 5 0 。高功率密度的单轴运动控制器，将智能控制逻辑和功率 放大两部分集成在一个尺寸为7 0 x5 8 2 9 m m 的外壳内，在同等功率条件下，体积详 单与同类产品的1 4 ，持续输出功率达到2 0 0 瓦，允许峰值电流高至2 0 a 。同时， 该驱动器具有强大的可编程过流报警保护、可编程欠压报警保护、可编程过压报 警保护、以及硬件实现的短时间过压保护、两级过热保护、以及电机堵转检测保 护。 驱动器接线图如图3 一1 2 所示。驱动器的输入和输出：1 指令的输入：通过模 拟或数字形式输入速度值。这个输也可被认为是参考标记信号，在这种模式下，一 个频率信号发生器或者是外加的编码器都可与之联接。2 故障输出端( 允许自定 义) ：这个输出端也可被定义为一个转向控制输入端、数字信号输出端或者是参考 标记输入端。3 第三数字信号输入端：( 仅外部控制器适用) 拥有包括故障输出端 在内的3 个信号输入端，方便的连接各种传感器。4 。通讯端口：系列产品包括r s 2 3 2 与e c a n 2 0 b 两种通讯协议，可以与计算机主机、c a n 节点或其它微控制器设备通 讯和控制程序运行。 7 ，i ，i ( o m p t l l e r l 1 1 卜m ( 【 r s 2 ：2 一 一l xd 叫i t x d - - 一( i i j ! i w m ，l ) j r + 。 s ( ；d ：广a l l a l o g n p u ! ：l h u l l ( ) u 1 1 ) l j l m c i ) c 系西 - j l | 1 n u ：j ： j n p u l 、c ) 4 3 2 6 手柄模块 图3 1 2 驱动器接线图 i ( j l ) i o u 。e i t 一 i - m - 、t ( ( 一_ b 一 s ( ；i ) 一 一) v s g 、d m 、 j ! i ：尘函卜? o 控制手柄要实现对机器人前进、后退、转弯、及加减速的控制，灵活的控制机 器人动作，按预定的轨道行走。 手柄在实现以上功能的同时，还要求操纵灵活、控制精确，而且要与软件相结 合来防止误操作带来的干扰。手柄的加减速及方向控制是由摇杆电位器和模数转换 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 器件组成的。方向及速度控制部分：本手柄中采用的是日本a l p s l 2 1 0 双向摇杆电 位器，实现转弯和速度操纵，与大多游戏机种的操作相仿，适合人们的操纵常识。 内部模数转换是由a d c 0 8 0 4 构成的连续转换电路。它采集摇杆电位器中的电位信号， a d c 0 8 0 4 由不停的转换为数字信号供单片机查询。 手柄内部有装有两块a d c 0 8 0 4 ，是8 位模数转换i c ，能够以较高精度对输入信 号转换成相应的数字信号到主控机上。他们分别对前进和后退速度和左右转向的模 拟信号进行转换，彼此之间相互独立，最后通过1 6 路信号线接到单片机的并行接 口心9 | 。手柄实物图见3 - 1 3 所示。 3 2 7 人机界面显示模块 图3 - 1 3 手柄实物图 人机界面主要是状态显示，便于手动操作手的控制，信号来源为单片机的p 端 口，共八条接口线。 r 口线的分布：p 一o p 一3 的低四位为机器人运行状态显示电路的输入端；p 一4 和p 一6 为检查站指示灯的输入端；p 一7 为机器人运行停止指示灯的输入端。机器 人运行状态时时显示电路主要通过7 4 l s l 5 4 芯片实现，管脚图如图3 - 1 4 。7 4 l s l 5 4 ， 是在单片机系统中常用的4 线一12 线译码器，当选通端( g 1 、g 2 ) 均为低电平时， 可将地址端( a b c d ) 的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。如果将g l 和g 2 中的一个作为数据输入端，由a b c d 对输出寻址，7 4 l s l 5 4 还可作l 线1 6 线数 据分配器。状态表如表3 - i 叫。 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 02，67e， o0 帅 o u t p l r t 5 图3 - 1 47 4 l s l 5 4 管脚图 表3 - 17 4 l s l 5 4 1 6 线数据分配器状态表 i n p u t s dc b a l o wo u t p u t g 1g 2 llllll0 lllllh1 llllhl2 lll lh h3 lllhll4 lllhlh5 lllh hl6 lllh hh 7 l lhlll8 llhllh9 llhlhl1 0 llhlhh1 1 llhhll1 2 llhhlh13 llhhhl14 llhhhhl5 lh hl x hh 在此，使用它的4 一1 6 线译码功能，输出管脚串联一个4 7 0 欧姆的电阻和l e d 灯，用以显示机器人转向、加速以及减速状态时显示。 华北电力大学工程硕士学位论文 3 3 本章小结 本章对变电站设备巡检用的自动巡线移动机器人进行总体设计，并对各功能模 块进行选型，综合考虑机器人的经济性和精度，确定了单片机、电源、传感器、光 电隔离板、驱动电机、手柄等设备型号。 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 接口抗干扰技术 第四章传感器接口电路设计 凡是传感器接口电路都存在小信号处理问题，因为传感器的输出一般都是小信 号，将其精确的放大到所需要的信号( 如0 - - 一5v ) ，并能达到所需要的技术指标， 就必须注意到电路图上未表示出来的某些问题，即抗干扰问题，在进一步讨论电路 元件的选择、电路和系统应用之前，有必要进行讨论。干扰可粗略的分为3 个方面： 第一：局部产生；第二，地线的路径问题；第三，电源频率的干扰。 1 局部产生干扰的消除 在低电平测量中，对于在信号路径中所用的材料必须给予严格的注意，在简单 的电路中遇到的焊锡、导线以及接线柱等都可能产生实际的热电势。且由于传感器 电路板是自己焊接，必定有一些“质量问题 。因此局部干扰文艺严重。要采取措 施尽量使这些成对的热电偶保持在相同的温度下才能尽可能减小干扰，为此一般用 热屏蔽、散热器、沿等温线排列或者将大功率电路和小功率电路分开等办法，其目 的是使热梯度减小到最小。 虽然采用插座开关、接插件、继电器等形式能使更换电器元件或组件方便一些， 但缺点是可能产生接触电阻，热电势或两者兼而有之，他比直接连接系统的分辨力 要差，精度要低，噪声增加，可靠性降低，因为在低电平放大中尽可能不使用开关， 接插件是减少故障，提高精度的重要措施。 2 接地问题干扰的消除 在低电平放大电路中合理接地是减少低噪声干扰的重要措施，必须予以特别注 意。当使用单电源供给多只传感器时，其连接方法如图4 1 所示。以尽赞减少接地 电阻引进的干扰，若供电电源的压降必须减到最小，则电源高端导线也可按相似的 方法接线。 图4 一l 单电源供给多只传感器的连接 2 0 华北电力大学工程硕士学位论文 图中x 、y 、z 为传感器。包括有多个电源和多个传感器的系统则需要考虑更 多一些，通常不管电源是谁供给，将地线汇集到公共点，然后和系统的公共端接在 一起，如图4 - 2 所示，所有电源1 的负载都回到电源1 公共端。所有电源2 的负载 都回到电源2 的公共端，最后用一条粗导线将公共端连在一起，在多电源系统中， 可能需要进行判断性试验，确定地线接法，以达到最佳的解决方案。数字地线通常 有很大的噪声，而且有大的电流尖峰，所有的模拟公共地线应该和数字公共地线分 开走线，然后只在一点汇集在一处，如图4 - 3 所示，这种接法使模拟和数字地线间 的公共阻抗最小。 图4 - 2多个电源供给多只传感器的连接 图4 - 3 地线的连接 3 电源频率干扰的消除 直流电流经过漏电导可以耦合到高阻抗的输入端，这些都可能引入干扰，通过 适当的布局元件，屏蔽和防护可以消除这些干扰。 元件的适当布局包括在高能量和低能量之间以及数字电路和模拟电路之间保 持尽可能大的距离，而在地线之间的连线要求尽可能短。屏蔽包括静电和电磁屏蔽。 电源变压器产生的干扰场是熟知的，而且是不好说明的干扰源，可以采用屏蔽式变 压器或者将电源放到远离高敏感电路的地方。但同一电路既需要靠近变压器中心抽 头以达到高质量的接地，又可能受到强磁场干扰。必要时要通过试验的方法来确定 合理布局。 2 1 华北电力大学工程硕士学位论文 4 2 激光光电传感器接口电路设计 4 2 1 激光光电传感器工作原理 半导体激光二极管的基本结构是有一对p n 结构成，垂直于p n 结面的一对平行 平面构成法布里珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可