基于变电站巡检机器人的超声波检测系统的设计与实现.pdf

务l 匐 似 基于变电站巡检机器人的超声波检测系统的 设计与实现 D e s i g n a n d i mp l e m e n ta ti o n o f u l tra s o n i c d e te c ti o n s y s te m b a s e d o n s u b s ta ti o n i n s p e c ti o n ro b o t 王海鹏 王飞 王骞 栾贻青 W A N G H a l pe n g VVA N G F e i VVA N G Q i a n L U A N Y i q i n g 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 摘要 本文研究开发了一种基于变电站巡检机器人的多超声传感器采集系统 系统选用一体化超声 传感器 以单片机为控制器 设计了超声波的发射和接收电路 完成了与机器人工控机的通 信 并完成了相应的软件程序设计 考虑到变电站的强电磁环境对电子设备的干扰影响 在 电路设计上采用大量的滤波电路 提高了系统的抗干扰能力 实现了测量的实时性和准确 性 变电站环境应用表明 该系统运行稳定 具有较高的测量精度 对变电站巡检器人在变 电站中的应用具有重要意义 关键词 变电站巡检机器人 超声波传感器 滤波电路 中图分类号 TP242 文献标识码 B 文章编号 1 009 01 34 201 2 08 上 一0037 03 D o i 1 0 3969 J i ssn 1 009 01 34 201 2 8 I 11 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 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 口 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 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 A TM EG A 128 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 H 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 收稿日期 20 12 0 1 12 基金项目 国家电网公司科学技术项 目 SG K J 2007 159 作者简介 王海鹏 1982一 男 山东济南人 中级工程师 硕士研究生 研究方向为检测技术与自动化装置 第34卷第8期2012 8 上 37 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 訇 a 化 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 K 7805 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 100m Y 在 电源部分做适当的处理 采用 LC 一 兀型滤波电路 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 A V C C 和数字电源 D V C C 其中 D V C C 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 A V C C 则为模拟部分提供工作电压 包括放大器等 在进行 PC B 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 l k K H z 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 l 1 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 381 第34卷第8期2012 8 上 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 O C 0 接单 片机的输 出引脚 通过该管脚单片机可 以输 出标 准的 40K H z PW M 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 m V 有时候甚至 小于 l m V 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 SIG 0 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 L M 324 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 并可单电源使用 电路 中 R 2 与 R 8 为放大器 U IA 提供直流偏置 点 偏置 电压 为 2 14V 原理 图 中 B A V 99D W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 U 1B 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 U 1C 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 PC B 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 20ra i l 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 R S232 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 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 訇 出 R 2 l 0 0 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 FL U K E 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 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 f 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 参考文献 11l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fJ 电气时代2008 7 92 94 21l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 31l陈可 中 谭翔 董建杰 等 红外测温仪的设计 J 电子