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摘要：供电线路除冰机器人是一种集机械、电子、自控、通信等多种领域技术综合体。本文提出了一种供电线路除冰机器人的设计方案，该机器人以STM32F4系列芯片作为主控芯片，由机械系统、传感器系统以及检测系统组成，详细论述了该除冰机器人的机械设计方案以及除冰机器人在除冰过程中的驱动、除冰、越障等一系列动作的控制方案。该除冰机器人能在一定的环境下满足供电线路的除冰要求，在一定程度上减少供电线路人工除冰等方式带来的不利影响。
关键词：除冰机器人；供电线路；STM32；越障；除冰
我国是电力大国，发电总量跃居世界第一位，电力的安全传输关系着我国社会生产力的发展水平。高压供电线路大多数处于环境恶劣、远离人口聚居的山区或者森林等地区，尤其在我国南方地区高压供电线路易受雨雪、冰冻等极端天气影响，严重者可能引发供电线路跳闸、断线、倒杆、烧伤、通信中断等事故，影响电网的安全运营，造成社会经济损失。因此，保证电力安全可靠传送是电力部门必须重视的课题。我国针对供电线路结冰等情况，目前主要由人工攀爬进行敲击除冰，此种工作方式效率低，工作强度很大，且对于除冰工人来说存在巨大安全隐患。因此有必要发展除冰机器人代替人工进行除冰作业。本文提出了一种面向高压供电线路的除冰机器人设计方案，能自主完成在供电线路上“行走”、“越障”、“除冰”等一系列动作，高效灵活地完成除冰任务。
1、总体方案设计
除冰机器人是一个机电一体化系统，涉及机械、电子、自控、通信等多领域技术，主要由机械系统、传感器系统、监测系统、主控系统等组成。其中机械系统由电机驱动装置、行走机构、越障机构、除冰机构等机械机构组成，主要用于控制除冰机器人在除冰过程中的一系列动作过程，是除冰机器人的主要功能系统；传感器系统主要由图像采集传感器以及超声波测距传感器组成，用于机器人周边环境影像及参数的采集，传输至地面监控设备，以便于地面工作人员，对机器人周边环境进行判断，发送控制指令；主控系统由主控芯片及外围电路组成，是除冰机器人的核心部分，用于接收处理各项指令及数据，控制协调整个机器人的工作过程。总体方案系统架构图如图1所示：
图1 方案系统架构图
2、机械系统设计
目前国内外常见的用于机器人机械系统的驱动方式有电机驱动、液压驱动以及气动驱动等方式。电机驱动方式有无污染、运动精度高、易于控制、成本低、效率高等优点，也是机器人中应用最为广泛的驱动装置。直流伺服电机调速方便，且调速范围广、低速性能好，控制电路简单成本低。综合考虑除冰机器人工作环境以及功能要求，选用直流伺服电机驱动方式进行机械系统设计。除冰机器人整体机械示意图如下图2所示。电机安装于驱动轮与升降杆之间，用于控制驱动轮前进，升降杆选用带转向功能的升降杆，便于在机器人越障过程中控制驱动轮的上下移动以及转向等动作。
图3 机器人驱动轮与供电线位置关系示意图
2.2越障机构设计
机器人在供电线上行走过程中会遇到线路上类似绝缘子、防震锤等物体，阻挡机器人前行，因此需要设计机器人越障机构，跨越线路障碍物。越障机构的越障控制过程较为复杂，本文以前驱动轮为例进行越障碍过程的分析讲解，辅助驱动轮与后驱动轮的越障过程与前驱动轮类似。当机器人通过传感器系统，检测到供电线路前方有障碍物时，会将障碍物包括图像、距离等信息传输至地面控制端。地面人员操作机器人进行越障，越障过程分为六步如图4所示。第一步，除冰机器人检测到供电线路前方障碍物并将障碍物信息传送至地面；第二步，中间辅助驱动轮脱离供电线，机器人由前驱动轮与后驱动轮支撑；第三步，中间驱动轮通过升降杆转向上移至供电线上方与前后驱动轮共同支撑除冰机器人；第四步，前驱动轮通过升降杆下移至供电线下方，除冰机器人由中间辅助驱动轮与后驱动轮支撑，共同驱动机器人前进；第五步，机器人由后驱动轮与中间辅助驱动轮驱动前进；第六步，前驱动轮从底部越过障碍物，通过升降杆悬挂至供电线上方，完成前驱动轮的越障。辅助驱动轮与后驱动轮的越障过程与前驱动轮类似，文章中不再详细讲解。除冰机器人越障过程中驱动轮的移动转向等动作由升降杆控制完成。
图4 .除冰机器人越障过程示意图
2.3除冰机构设计
如图2中所示，除冰机构安装于除冰机器人最前方，当传感器系统检测到前方冰层的厚度、形状等参数后，除冰机构开始除冰作业，作业过程中根据输电线上冰层的性能参数由升降杆控制除冰机构的高度，力求达到最好的除冰效果。供电线上冰层为硬脆性物体，若采用硬性敲击杆直接拍打冰层的方式除冰，振动较强，易使除冰机器人在供电线产生晃动，且对除冰机器人造成机械性损伤。本文除冰机器人在设计时受割草机采用尼龙打草绳进行除草作业的启发，除冰机构采用钢丝绳进行除冰。设计示意图如图5所示。驱动盘与升降杆之前安装伺服电机，电机高速转动，带动钢丝绳及敲击锤高速转动，将供电线路上冰层击打敲碎至落下。根据供电线上冰层的厚度以及凝固程度可调整除冰机构电机转速以及钢丝绳长度，除冰机器人钢丝绳的长度，以免高速旋转的敲击锤损伤线路。经过验证，钢丝绳以205mm-355mm之间调节为最佳。
图5 除冰机构示意图
3、控制及传感器系统设计
本文所设计的除冰机器人需在环境恶劣的高空供电线路上稳定工作，且完成机器人前进、后退、越障、加速、减速、除冰等复杂动作的控制，除机械动作控制外，还涉及环境数据的采集、处理、与地面进行信息交互等功能的实现，因此对控制及传感器系统设计要求较高。
3.1主控制器的选型
本除冰机器人主控芯片选用意法半导体公司的32位单片机STM32F446系列芯片作为主控芯片，该芯片采用ARM Cortex-M4内核，主频能达到180MHz，内部集成256KB FLASH和128KB RAM，芯片内部自带一个同步并行的数字摄像头接口（DCMI），能够接受外部8位、10位、12位或者14位CMOS摄像头模块发出的高速数据流。同时STM32F4系列芯片内部集成了DSP（Digital Signal Processing）以及FPU（Float Point Unit）等功能，大大增强了主控芯片数据处理能力与速度，能适应除冰机器人机械动作过程的应力分析以及摄像头大量图像数据的处理要求。
3.2电机驱动电路设计
在控制系统中主控芯片接收传感器系统采集的机器人工作环境数据并进行处理，将处理完成的数据传输至地面控制端。地面操作人员可根据接收的数据对机器人发送操作指令，控制机器人机械系统伺服电机的驱动方式，以此完成除冰过程中前进、后退、加速、减速、除冰等系列机械动作。电机驱动芯片选用步进电机专用芯片STSPIN820步进电机驱动器。该驱动器采用了意法半导体专有的智能功率技术，在一个封装内集成以高精度微型步进电机算法为特色的电机控制逻辑与低导通电阻、保护功能完备的功率级。配备有常见的步进时钟和方向输入引脚，从而简化驱动器与微控制器的之间的通信连接。电机驱动芯片与主控制器的硬件连接电路图如下图所示，主控制器通过设置电机驱动PWM波形占空比控制电机转速，通过模式选择控制电机转动方式。
图6 电机驱动电路硬件连接图
3.3传感器系统的设计
传感器系统在整个除冰机器人系统中，起到监测机器人周边工作环境的作用，主要由摄像头图像采集传感器以及超声波测距模块组成。摄像头采集器采用图像传感器采集机器人前方图像数据，并将图像数据传送给机器人控制箱。在本除冰机器人系统中，选用OV2640图像传感器作为图像采集传感器。该传感器UXGA图像最高可达到15帧/秒，使用人员可根据实际需求调整图像质量参数等。
超声波测距模块利用超声波信号反射原理测量机器人前方物体与机器人之间的距离，并通过回收信号的强弱判定供电线路上冰层的凝固程度以及厚度。超声波测距模块通过IIC方式与主控制器进行数据传送，将检测到的数据传送给除冰机器人控制箱，主控制器进行数据的处理判定，并将结果通过无线方式发送至地面控制端，用于工作人员参考。
传感器系统与主控制器硬件电路设计示意图如下图6所示，图中OV2640传感器与主控芯片通过DCMI端口进行连接，所需2.8V、1.3V参考电压由基准电压芯片提供。超声波模块通过IIC通讯连接方式与主控芯片进行数据交互。
图7. 传感器系统与主控制器硬件电路设计示意图
4、系统控制软件设计
图8 除冰机器人软件控制流程图
在控制系统中主控芯片接收传感器系统采集的机器人工作环境数据并进行处理，将处理完成的数据传输至地面控制端。地面操作人员可根据接收的数据对机器人发送操作指令，控制机器人机械系统伺服电机的驱动方式，以此完成除冰过程中前进、后退、加速、减速、除冰等系列机械动作，电机驱动芯片选用步进电机专用芯片。主控制器通过协调各模块间相互配合工作，实现除冰机器人在各种复杂环境下稳定运行。图8为本除冰机器人软件控制流程图。
5、结语
本文阐述了一种主控制器基于STM32F446系列芯片的除冰机器人的设计方案，详细介绍了该除冰机器人行走驱动方式、越障过程、除冰方式以及系统硬件设计方案。该除冰机器人能在恶劣环境下稳定作业，提高除冰效率以及工作质量，为供电线路除冰提供了一种有效参考方式。
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论文作者:王景致,张国威,刘刚
论文发表刊物:《河南电力》2018年17期
论文发表时间:2019/3/4
标签：机器人论文; 除冰论文; 系统论文; 传感器论文; 芯片论文; 线路论文; 机械论文; 《河南电力》2018年17期论文;