飞滑式巡线机器人控制电路的设计研究

孟祥荔

摘 要：随着时代的不断发展和科技的进步，当前电力行业以及电力技术在近年来得到了突飞猛进的进步，同时也取得了较大的成果和作用，而面对人们日益提高的电力需求，只有不断提升相关电力技术，并且使用适应于电力企业发展的飞滑式巡线机器人，可以有效保障输电线路的巡检和维护，能保证电力企业的电力质量安全，同时对促进电力企业的发展和增加所带来的经济效益具有极大的促进意义。

关键词：飞滑式巡线机器；控制电路；设计研究

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0091-03

Abstract： With the continuous development of the times and the progress of science and technology， the current electric power industry and power technology have made rapid progress in recent years； meanwhile， it has made great achievements and effects. In the face of people's increasing demand for electricity， only by continuously improving the relevant power technology and using the gliding robot suitable for the development of electric power enterprises can we effectively ensure the inspection and maintenance of transmission lines， and ensure the power quality and safety of power enterprises. At the same time， it is of great significance to promote the development and increase of economic benefits brought by electric power enterprises.

Keywords： flight-sliding line patrol machine； control circuit； design and research

1 飞滑式巡线机器人技术概况

飞滑式巡线机器人是可以有效对电路进行安全性能、线路破坏等多方面进行详细巡检的设备，同时飞滑式巡线机器在整体的巡检运行过程中，是通过模仿传统人工对电路的检测工作，在科技发展和应用的背景下，飞滑式巡线机器技术在极短的时间内取得了较大的发展，当前在对输电线路的安全检查中飞滑式巡线机器发挥了巨大的作用和效果，有效减少了人工成本，同时增加了对输电线路检查的质量性。

而随着科技的发展和巡线技术的不断发展，当前飞滑式巡线机器在检测输电线路中的作用越来越大，相较于传统的对输电线路安全检查，例如人力巡线、车辆巡线等巡线机器人得到了较大的发展和进步，但是仍存在较多的问题和弊端[1]。在巡线过程中一般所使用的爬行机器人难以满足当前新时代的巡线需求，存在半人工化的弊端，需要借助人工的帮助，同时为了应对巡线过程中较高的检测水平以及防震锤等障碍物的阻挡，导致了爬行机器人整体巡线过程中表现出了较慢和落后的特点，而另一种巡线飞行机器人在巡线过程中虽然相较于爬行机器人可以很好的解决了速度较慢的问题，但是飞行机器人在整体运行过程需求消耗大量的能源，并且持续巡线能力较弱，所以飞行机器人整体的实用性较差，而当前不断研究和发展新型的飞滑式巡线机器技术，可以有效解决巡线问题，并有效促进了整体电力企业的进步和发展。

2 飞滑式巡线机器人的系统主要组成部分

飞滑式巡线机器是时代发展和科技进步所带来的必然產物，是在原有的巡线机器人基础上更加的结合、创新和进步，飞滑式巡线机器的系统组成是由自身的飞行控制系统和线上运动控制系统所组成，飞行控制系统又是由三轴角速度传感器、加速度传感器所构成，线上运动控制系统是由悬挂运动控制系统以越障碍系统所构成。而飞滑式巡线机器在整体的巡线运行过程中，首先是从巡线地面上升到一定的高度，可以有效防止和线路或者是其他的碰撞，确保巡线过程整体的安全性；而飞滑式巡线机器在一定高度上借助有关的悬挂动力装置进行有效推动飞滑式巡线机器的运行和巡检；另外在飞滑式巡线机器巡线过程中遇到防震锤或者铁塔等障碍物时可以较好躲避障碍物，从而使整体的巡检过程运行和展开[2]。对于飞滑式巡线机器整体的运行体系的构成又是由地面复制控制、高度传感单元、电子罗盘、导航膜扩、超声波障碍检测等多种构成，同样由于飞滑式巡线机器的整体的巡线系统由较多科技化的构成以及其自身所具备的优良特点，有效地使飞滑式巡线机器可以较好地完成整体的巡线过程。

3 硬件设计

3.1 飞行控制硬件构成部分

（1）控制芯片。整体的飞滑式巡线机器从性能方面系统做划分可以分为飞行控制系统和控制电路系统，其中飞滑式巡线机器的飞行控制系统是保障控制电路系统运行的基础和关键，同时也是整体的巡线系统运行过程中的重点，而为了可以较好的保障飞滑式巡线机器在整体的巡线过程中的质量性和安全性，对其内部的硬件设计要求具有较高的精密性和性能。在飞滑式巡线机器的巡检工作过程中，依靠其内部硬件的控制芯片做到科学有效采集传感器所接受的到相关的信息数据，并进行内部自动化的处理和加工，进一步的计算和分析出相关的飞行、控制，保障了飞滑式巡线机器飞行。所使用的飞滑式巡线机器控制芯片一般采用LPC11-14FA44芯片，这是由于其具有耗电能力较低、质量和性能较强的特点，可以让整体的电流较小，进一步延长了飞滑式巡线机器飞行时长和巡检过程，较好地减少了飞滑式巡线机器过程中所消耗的成本[3]。

（2）传感芯片。飞滑式巡线机器其中内部硬件的传感芯片是发挥传感器性能极为关键的影响因素，可以较为科学准确地把传感芯片有效获取所需要的转角加速度、位移加速度、飞滑式巡线机器的飛行高度、飞滑式巡线机器的定位、障碍物信息等一系统关键信息接受，而这些都是由传感芯片的作用所获取。

一般情况下，飞滑式巡线机器所使用的传感器大多都是三轴陀螺仪，而在三轴陀螺仪上性能较好的传感器是MMA8452Q传感器。因为飞滑式巡线机器本身的传感器就需要具有功能性较强、精密度高等特点，而其传感器可以较好的适应飞滑式巡线机器巡检系统运行特点，并且具有极高的智能化，可以有效的将传感芯片的信息获取，并带有可编程的选项，同时减少了能源消耗；而对于MMA8452Q中的传感芯片一般是选用ST200G的三轴陀螺仪，因其具有着较大的灵敏性和稳定性，可以有效采集出飞滑式巡线机器角速度的相关的信息。

（3）电机。飞滑式巡线机器的系统的电机选择X2820K

V800的电机，因为其可以较好满足整体飞滑式巡线机器的巡检运行过程中所需要的悬挂要求，并且可以有效促进其巡检过质量性更高和安全性更强。

3.2 控制电路

（1）主芯片型号。对于飞滑式巡线机器整体的控制电路系统中，系统主芯片应该选用STM32F103RBT6芯片，其芯片是当前较为先进的飞滑式巡线机器系统主芯片，同时也是在原有芯片上的发展和创新，整体呈现出低消耗的特点，并且由于其具有9个借口。所以，还可以对整体的飞滑式巡线机器巡线过程进行有效的促进作用。

（2）传感模块设计。飞滑式巡线机器需要较好的传感模块设计才能建立较为完善的巡线系统，而当前较为先进的传感模块设计会采用红外线来设计传感模块，对于整体的飞滑式巡线机器传感器设计首先要把握住其中工作的两项原则，第一点是在整体飞滑式巡线机器飞行过程中，对于其所接受和感应到的数据信息能后可以较为准确的传达给处理器；另外一点便是利用红外线检测飞滑式巡线机器飞行过程中前方是否具有障碍物，才能较好地终止其在线上的滑行。

飞滑式巡线机器的红外线传感器设计，红外线传感器模块具有较强的光线适应能力，其红外线传感器模块的组成是由红外线发射器和接收管组成，整体的传感器模块系统不需要借助其他的外加电路，而使用红外线的应用便可以完成[4]。整体的飞滑式巡线机器传感器模块的设计可以应用在悬挂臂中，可以较为科学准确地利用当输电线路遮挡红外线，而红外线接收器通过接收理论原理，将反射回来的红外线来进行分析和检测，确定悬挂臂上的整体电力线接触是否具有较强的安全性能。

而对于整体的飞滑式巡线机器传感器中的超声波设计应用HC-SR04，整体的HC-SOR04的构成是由发射器、接收器和控制电路系统构成。利用超声波的发射原理以及应用过程，发送出所做相关设计需求的高电平信号，同时相关人员需要科学正确的记录分析超声波发射出的脉冲方波的回波，同时应使用单片机来捕捉相关的信号，通过相关的理论分析和公式来科学有效地计算出前方的障碍物距离，这样才能较好地保障飞滑式巡线机器在巡检飞行过程中遇到的障碍物问题，同时还可以利用所记录的信号以及分析出的距离等一系列过程来使MCU进行接下来的相关飞滑式巡线机器运动系统的控制过程。

（3）减速电机与驱动板。减速电机与驱动板是飞滑式巡线机器中保证滑行动力可以较好的运行，在对于飞滑式巡线机器减速电机与驱动板的设计中应采用37GB90-500，同时应采用于整体的滑行动力以及飞滑式巡线机器运行过程相适应的电压，而对于设计过程中所采用的37GB90-500，虽然其中的额定点压为12V，但是当其中的电压为3V的时候，同样具有极大的滑行动力，同时可以较好地带动起整体的飞滑式巡线机器的飞行，进一步促进了飞滑式巡线机器的科学有效的巡检过程。

（4）电源。由上述所设计的内容来进行飞滑式巡线机器的电源设计，才能有效保障其飞滑式巡线机器内部系统的一体化和统一化，又由于芯片的供电大部分都是采用3.3V，所以，在相关人员在对飞滑式巡线机器电源的设计上应将5V的电源改变成3.3V，这样才能较好地完成系统统一化的标准和体系。另外，在对飞滑式巡线机器电源设计中，还应该使用AMS1117-3.3的芯片，可以较好地满足了设计电源所需要的需求，同时还可以较好地促进了整体飞滑式巡线机器内部的硬件设计，为飞滑式巡线机器巡检运行奠定了良好的硬件基础。

4 软件设计

（1）总体飞行控制软件的设计。对于飞滑式巡线机器飞行控制软件的整体设计需要根据所掌握的技术和可以应用的相关材料所决定，同时对飞行控制软件的整体设计需要较为科学的方向和目标，便是在设计完成后的飞行控制软件可以较好地满足飞滑式巡线机器在整体的飞行过程中所具备的特点和功能性要进行极好的保障性，以及在实际过程中应达到所设计的理想需求。

相较于传统的飞行器控制，飞滑式巡线机器的飞行控制软件设计具有较大的差异，在控制量等方面的选择上相关设计人员应坚持谨慎、精细、严格的原则，确保可以使飞滑式巡线机器有效的飞行和控制，而在设计飞行控制软件中，还需要对所控制飞行软件的芯片多方面的系统检测和检查，同时经过多次的实验和分析探究来决定控制量，才能使整体的飞行控制软件设计达到预期的效果和作用。

（2）线上避障控制设计。当前部分对于巡线检测的传统机器整体的巡检过程中遇到较大的问题便是在线上避障问题，传统的避障过程较大增大了人工、成本以及整体系统运行时间，满足不了新时代中对于控制电路更高的需求[5]。所以，相关人员在对线上避障控制的设计应确保整体的线上避障系统运行后，可以有效使飞滑式巡线机器进行避障操作和处理。而根据上述的设计利用红外线的线上避障控制，查看红外线传感器是否被遮挡，从而较为科学和快速的得知飞滑式巡线机器的飞行过程中是否存在障碍物，并作出相关有效的措施，这样才能整体使飞滑式巡线机器的软件设计进行进一步的完善，促进了飞滑式巡线机器人的对输电线路的检测工作以及整体的运行。

5 测试结果与性能分析

科学正确的设计好飞滑式巡线机器人的硬件设计和软件设计以及整体的飞滑式巡线机器系统设计，再通过理论分析和实验探究的科学方法对其进行测试，才能得出飞滑式巡线机器较为准确的测试结果，同时可以对其性能进行较好的分析，有助于飞滑式巡线机器技术更好的发展和创新[6]。

而对于整体的测试结果和性能分析，相关人员用对飞滑式巡线机器人采用PID的算法来对其进行控制算法。其中还要把握好相关测试所需要的量性要求，确保不会因为测试的量性选择的失误，从而带给整体测试结果和性能分析的影响。

经过大量的分析和测试，得出了较为科学准确的结果，首先在测试前将飞滑式巡线机器人的标准高度设置，而在测试中实践达到0.1秒的时候整体的飞滑式巡线机器人系统达到了稳定状态，不断的经过时间的推移，可以较好地看出飞滑式巡线机器人一直处在较为稳定的状态，同时也有利证明了对于PID控制算法在测试中的合理性和作用；而对于测试结果中的避障控制测试采用的方法是利用相关的示波器来测试电量，并且通过测试中相关的避障过程实验，可以较好地分析出当红外线被超声波传感器所接收，并且当超声波传感器感应出飞滑式巡线机器人在运行过程中前方存在障碍，会使波型停止，从而进一步使飞滑式巡线机器人停止了滑行，另外产生持续的低电平，使飞滑式巡线机器人进行一系统相关的越障行动。所以，从整体的测试结果和性能分析中可以较为准确地得知此算法的合理性以及其整体性能[7]。

6 结束语

近年来国内对输电线路整体的巡线检测技术不断的发展和完善，而目前的飞滑式巡线机器具有较大的发展潜力以及发展空间，但是当前还存在一些问题需要进行进一步的创新和发展，同时还需要减少相关的生产成本。而不断研究和分析飞滑式巡线机器人控制线路的设计，可以更好地促进飞滑式巡线机器人技术的发展和创新，同时对国内整体的科技发展以及电力领域的进步具有极大的促进意义。

参考文献：

[1]杨杰.飞滑式巡线机器人控制系统设计与实现[D].华北电力大学，2015.

[2]易兴邦.高压巡线机器人控制系统研究[D].江苏科技大学，2012.

[3]朱衍欢.巡线机器人视觉检测方法研究[D].哈尔滨工业大学，2017.

[4]张玮.巡线机器人高精度稳定跟瞄技术研究[D].吉林大学，2011.

[5]李振宇.220kv高压输电线路巡线机器人控制系统的研制[D].武漢大学，2005.

[6]余萍，张虎，张洁.飞滑式巡线机器人控制电路的设计与实现[J].电子技术应用，2013，39（11）：34-36+40.

[7]余萍，杨杰，刘丽沙.飞滑式巡线机器人自平衡控制方案设计与实现[J].电测与仪表，2015，52（03）：91-95.