飞滑式巡线机器人控制电路的设计与实现

余 萍，张 虎，张 洁

(1.华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003；2.鞍山师范学院 物理科学与技术学院，辽宁 鞍山 114007)

对输电线路的安全检查称为巡线，主要包括人力巡线、车辆巡线和直升飞机巡线。随着机器人技术的发展，不少巡线机器人的研究也进一步得到发展，实现机器巡检的方式主要有两种：一种是将巡线机器人安装在线路上，沿线路爬行[1]；另一种是采用飞行机器人（直升飞机）进行飞行检查[2]。爬行机器人需要人工帮助安装到疏导线路，再沿线路爬行工作。由于防震锤和耐张段引流线的阻挡，爬行机器人行走速度缓慢，巡线时间很长，实用性差。而飞行机器人虽然速度快，但能耗较高，续航能力有限，安全性差；为防止与线路或铁塔碰撞，要保持一定的距离；对飞行导航系统要求精度高。针对这两种情况，本文将巡线机器人和四旋翼飞行器结合，提出了飞滑式巡线机器人的设计方案。

1 飞滑式机器人的系统组成

飞滑式巡线机器人在实施巡线操作时，首先从巡线段的地面垂直起飞上升到指定的高度区域，然后悬挂在电力线上，借助悬挂动力设备进行线上滑行巡检，当巡检遇到防震锤及铁塔等障碍时启动飞行单元飞行以绕过障碍物，再重新悬挂于电力线上继续进行滑行巡检[3]。系统设计主要由两部分组成：飞行控制单元和线上巡检单元。飞滑式巡线机器人系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件设计

2.1 飞行控制硬件组成

飞行控制芯片需要实现对传感器信号做出快速反应，同时选型芯片还要具有较高的可靠性和数据处理能力以及较低的功耗。而ARM处理器能够满足这些要求。

2.1.1 控制芯片

机器人飞行控制主处理器采用NXP公司的LPC11-14FA44芯片，它属于32位LCP1100系列芯片，是基于ARM Cortex-M0的 MCU，运行速度高达 50 MHz，其功耗非常低，平均电流不超过10 mA。对于电池供电的飞行器来说，芯片选型有助于延长飞行器工作时间。其功能是负责实时解算相关传感器采集的数据，并根据相关的飞行信息，计算输出控制量。同时在线上巡检过程中负责与线上巡检部分的MCU实时通信，参与避障动作的完成。

2.1.2 传感芯片

本设计是在低空低速飞行状态，可以用6个物理量表示其状态，在坐标轴中有3个位置量和3个姿态量，因此本文采用三轴陀螺仪和三轴加速度传感器。在本次设计中，陀螺仪应该满足精度高、稳定性好、功耗低等特点，因此选用 ST200G三轴（X/Y/Z）陀螺仪，内部集成 3个 16位ADC，2.1 V～5 V供电，电压范围比较广，6 mA低功耗，休眠模式时供电电流仅需 5 μA，具有很好的灵敏度和零偏稳定性，负责采集四旋翼飞行器3个方向的角速率。

MMA8452Q是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三轴加速度传感器。这款加速度传感器具有丰富的嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置两个中断引脚。嵌入式中断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。

2.1.3 电机

本系统的飞行控制硬件由电机、电调和旋翼组成。电机选择朗宇X2820KV800电机，电调选用好盈天行者40 A无刷电调，持续电流 40 A，短时电流 55 A，桨直径30 cm，满足作为巡线飞行器的悬挂高度要求，并且安全可靠。

2.2 线上巡检控制电路

线上巡检过程中，要求当飞行器悬挂于电力线上的同时启动巡线系统，使飞行器能够在悬挂线上滑行；当遇到障碍物时，停止电机运动，并给飞控部分启动信号，启动飞行器，进行越障动作。

2.2.1 主芯片选型

线上巡检系统选STM32F103RBT6作为主芯片。这是ST公司基于ARM的最新的Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，具有低功耗设计，多达9个通信接口便于巡线系统后期扩展。

2.2.2 传感模块

该机器人线上巡检传感器需要完成两项工作。首先当飞行器悬挂臂悬挂于线上时，检测是否已经悬挂于线上，将数值返回至主处理器，确认挂上后进行线上行走。同时，在线上滑行过程中，需要探测前方是否有障碍物，以便及时终止线上滑行。因此，选用了红外模块检测是否已经悬挂于线上，而在线上滑行时则采用超声波测距模块探测前方是否有障碍物。

红外传感器模块对环境光线适应能力强，由一对红外线发射与接收管组成，电路图如图2所示。图中D1、D2指示是否有信号输出，D3、D4是红外线接收与发射管，LM393是双电压比较器，不需外加限幅电路就可直接驱动。应用时将其安装在悬挂臂的内侧，当悬挂臂悬挂于电力线上时，输电线遮挡红外模块，使红外接收管接收到反射回来的红外线，由此检测悬挂臂上的滑轮是否与电力线接触完全。

图2 红外模块电路图

超声波模块采用HC-SR04，该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。首先单片机I/O口TRIG发送一个20 μs的高电平信号，随即超声波发射模块产生 8个周期40 kHz的脉冲方波并由输入捕捉模块捕获超声波回波；单片机捕捉到回波的触发信号，并记录回波时间长度,按照公式计算出前方障碍物距离。此模块可以用来检测线上运动时的障碍物，并能返回距离信号使MCU做出相关运动控制反应。避障控制信号时序如图3所示。

图3 避障控制信号时序图

超声波避障电路如图4所示，图中T40为超声波发射端，R40为超声波接收端。主控芯片采用STC11系列单片机，该芯片具有低功耗、高速度特点。MAX232芯片进行电平转换驱动T40发送超声波信号。由R40接收的信号经过TL074放大后输入到单片机进行数据处理[4]。

图4 超声波避障电路图

2.2.3 滑行动力

线上滑行的动力由减速电机和驱动板组成。减速电机采用 37GB90-500，额定电压为 12 V，当电压在 3 V时仍然有相当大的扭力，所以比较适用于带动整个飞行器在线上滑行。驱动板采用L298P直流减速电机驱动器，其具有高输入阻抗设计，适合MCU直接驱动。

2.3 电源

本机器人采用电池供电，因采用的芯片供电均在3.3 V左右，因此需要将5 V的电源转换成3.3 V，本设计采用AMS1117-3.3 DC-DC芯片实现。电源模块的系统连接图如图5所示。

图5 电压转换电路图

3 软件设计

3.1 飞行控制软件总体设计

飞滑式巡线机器人控制系统软件设计的总体目标是启动飞行控制系统的各个功能模块并使之正常工作，按照既定规划实现稳定飞行。与普通飞行器飞行控制的最大不同点是，飞滑式巡线机器人飞行中以输电线为飞行目标，接近目标时需要减速并柔性接触，因此，控制软件设计中要适当地选取控制量，运用控制理论中模糊PID控制算法对该系统进行控制。飞行单元的主控芯片主要是完成系统初始化、系统自检、处理传感器数据、解算导航信息，以及执行控制算法计算输出控制量，系统启动流程如图6所示。

在导航解算过程中，芯片将角速度和线加速度的结果采样存放在ADC的结果寄存器中，采样流程图如图7所示[5]。

图6 系统启动流程图

3.2 线上避障控制总体设计

线上避障控制软件将控制飞滑式巡线机器人的线上滑行和避障。系统启动后，首先确定在悬挂臂两侧的红外传感器是否被遮挡，一旦遮挡说明已悬挂于输电线上。同时通过超声波传感器判定前方是否有障碍物，如没有障碍，则控制软件驱动电机进行线上滑行，否则启动飞控板实现飞行避障。线上避障控制流程图如图8所示。

图8 避障算法流程图

4 测试结果与性能分析

为使飞滑式巡线机器人接近输电线时实现柔性接触，其飞行控制采用模糊PID控制算法，通过Matlab仿真可得到相关的系统阶跃响应，如图9所示。

图9中，设标定高度为 1，在 0.2 s时系统到达稳定状态，且随着时间推移，系统始终处于稳定状态，没有出现超调现象。该算法符合飞滑式巡线机器人飞行标定高度控制要求，因此验证了飞行控制算法的合理性。

图9 模糊PID系统阶跃响应

避障控制的测试采用示波器测量实际电路，并模拟避障过程。当红外有遮挡且超声波无障碍时，使用示波器测得巡线控制电路主芯片STM32芯片I/O口产生PWM波，从而驱动电机转动维持线上滑行；一旦超声波传感器前遇到障碍，波形终止产生，机器人停止滑行。同时STM32产生持续低电平，激活飞行控制板进行下一步的飞行越障。该算法同样符合越障控制的要求。

本文结合四旋翼飞行器和巡线机器人的特点，给出了飞滑式巡线机器人控制电路及软件的设计方案。本文详细描述了飞滑式巡线机器人的飞行控制和越障控制硬件、软件设计。针对飞滑式巡线机器人的特殊飞行及避障控制要求，利用模糊PID控制算法可使飞行控制更柔性地接近目标，采用红外及超声感应模块判断线上悬挂和障碍检测，使线上避障控制满足实际要求。通过仿真实验和硬件电路测试，验证了控制系统的有效性和可行性。

[1]王贤华，李建云，鹿宁，等.架空输电线路巡线作业机器人的研制[J].机电信息，2013(3)：146-148.

[2]厉秉强，王骞，王滨海，等.利用无人直升机巡检输电线路[J].山东电力技术，2010（1）：1-4.

[3]高强，余萍.飞行滑行巡线机器人[P].中国：CN202127210U，2012-01-25.

[4]花俊，靳鹏云，陈劲操.超声波功率驱动与测量装置设计[J].电子技术应用，2011，37(3)：78-81，85.

[5]刘乾，志峰.基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统[J].机电工程，2011，28(10)：1237-1240.