基于模塊化控制的配電終端智能調(diào)試機(jī)器人控制系統(tǒng)

陳槾露，楊仁利，何潤(rùn)泉，王 達(dá)，丁 鵬

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名供電局，廣東 茂名 525000)

0 引言

配電開(kāi)關(guān)監(jiān)控終端(FTU)簡(jiǎn)稱(chēng)配電終端，主要負(fù)責(zé)故障檢測(cè)、遙測(cè)、遙控和遙信等工作，同時(shí)通信連接配電自動(dòng)化主站，提供配電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所需的各種信息以及系統(tǒng)運(yùn)行狀況[1-3]。面對(duì)日益增加的供電量需求，眾多供電相關(guān)企業(yè)都不斷加強(qiáng)自身對(duì)于配電網(wǎng)的自動(dòng)化管理水平。在已有研究中有很多有關(guān)配電終端智能調(diào)試方法與系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)與方法大多數(shù)功能單一，在配電網(wǎng)實(shí)際使用時(shí)對(duì)調(diào)試造成很多不便[4]。由于配電終端設(shè)備眾多，調(diào)試工作量巨大，使用人工調(diào)試配電終端，既不能保證工人技術(shù)均衡，也消耗大量成本，配電終端調(diào)試工作效率較低，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中常常出現(xiàn)漏調(diào)試與誤調(diào)試情況，給企業(yè)造成巨大損失，因此使用機(jī)器人調(diào)試配電終端成為各學(xué)者的研究?jī)?nèi)容[5-7]。目前，我國(guó)對(duì)于機(jī)器人控制技術(shù)的研究還重點(diǎn)集中在簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化的需求[8-9]。

模塊化控制在實(shí)際使用中具備良好的開(kāi)放性，使用該方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的增減功能，便于重構(gòu)和修改系統(tǒng)中相關(guān)內(nèi)容。應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)時(shí)，能夠輔助控制者完成機(jī)器人的有效控制，實(shí)現(xiàn)任意操作實(shí)現(xiàn)意圖的目的，在實(shí)際操作機(jī)器人時(shí)，抗干擾性能強(qiáng)，操作精度高，能夠發(fā)揮決定性作用[10-11]。本文將模塊化控制作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種配電終端智能調(diào)試機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 智能調(diào)試機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

配電終端智能調(diào)試機(jī)器人控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制、通信模塊、主控模塊和數(shù)據(jù)采集模塊[12]。電源模塊中使用動(dòng)力鋰電池作為電源，為系統(tǒng)內(nèi)各模塊提供電力能源；數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)溫濕度傳感器、局部放電檢測(cè)器、高清攝像機(jī)和紅外熱像儀采集配電終端相關(guān)數(shù)據(jù)，并傳遞至主動(dòng)控制模塊中；無(wú)線路由器接收機(jī)器人發(fā)送的相關(guān)信息，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器傳遞至通信模塊，通信模塊接收信息并傳遞至主控制模塊，同時(shí)接收并匯總通信模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的信息，依據(jù)這些數(shù)據(jù)信息向運(yùn)動(dòng)控制模塊下達(dá)指令，運(yùn)動(dòng)控制模塊中的編輯器、移動(dòng)裝置、水平機(jī)械手與垂直機(jī)械手依據(jù)指令實(shí)行相關(guān)操作。

1.2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 主控制模塊設(shè)計(jì)

通信模塊與數(shù)據(jù)采集模塊獲得數(shù)據(jù)信息后，需要主控制模塊處理信息并實(shí)行下一步操作，本文使用S3C2410芯片作為主控制模塊的核心，使用遺傳算法作為核心算法輔助機(jī)器人規(guī)避道路障礙。

機(jī)器人在實(shí)際調(diào)控配電終端時(shí)會(huì)遇上各種復(fù)雜環(huán)境影響，數(shù)據(jù)采集模塊需要采集大量信息，因此使用S3C2410外界存儲(chǔ)芯片滿足主控制模塊對(duì)于存儲(chǔ)空間的需求，模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主控制模塊結(jié)構(gòu)

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(SDRAM)作為核心芯片的拓展內(nèi)存與核心芯片相互作用；Flash交互式矢量圖為數(shù)據(jù)采集信息，經(jīng)核心芯片處理傳輸；觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)使用者操作，將指令傳輸?shù)叫酒琇CD顯示屏顯示芯片展示的信息；在并行通信與串行通信之間，使用異步收發(fā)傳輸器(UART)將所需要傳輸?shù)馁Y料進(jìn)行轉(zhuǎn)換，UART輔助核心芯片將并行輸入信號(hào)轉(zhuǎn)為串行信號(hào)。

1.2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)控制模塊中，移動(dòng)裝置需要帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決負(fù)載較大的問(wèn)題，且調(diào)速效果良好；控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)要保證移動(dòng)的精準(zhǔn)度，對(duì)于定位有較高的精度要求，因此使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)所需功率為

Q=(λgm+ma)v

(1)

λ與m分別為移動(dòng)裝置與地面的摩擦系數(shù)和機(jī)器人總質(zhì)量；v與a分別為機(jī)器人的最大速度與最大加速度；g為重力加速度。直流電機(jī)所需要用到的轉(zhuǎn)矩R為

R=λmgr

(2)

r為移動(dòng)裝置車(chē)輪半徑。

控制直流電機(jī)時(shí)使用脈寬調(diào)制，利用主控制模塊中的S3C2410芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，芯片將信息緩沖后發(fā)送給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[13-15]。通過(guò)調(diào)整脈沖寬度的占空比，控制移動(dòng)裝置的速度。

豎直機(jī)械手所需要實(shí)行的工作量較大，選用減速剎車(chē)步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械手的電機(jī)。保持的力矩R1為

R1=m1gr1

(3)

本文研究的機(jī)器人豎直機(jī)械手負(fù)載質(zhì)量m1與同步輪半徑r1分別為40 kg與1.5 cm，經(jīng)計(jì)算應(yīng)該選用的保持力矩為0.060 N·cm，步距角與減速比分別為1.8°和1∶4。步進(jìn)機(jī)上的剎車(chē)功能能夠保證突然出現(xiàn)斷電情況時(shí)不會(huì)發(fā)生負(fù)載跌落。水平機(jī)械手只需要操作簡(jiǎn)單的調(diào)試工作，所以質(zhì)量比較小，可以只使用普通類(lèi)型的步進(jìn)電機(jī)，保持力矩為0.001 N·cm。利用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，主控制模塊中的核心芯片發(fā)送脈沖信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收信號(hào)并調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)頻率控制機(jī)械手的速度。

(4)

運(yùn)動(dòng)控制模塊中，只要1個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，另外2個(gè)電機(jī)將處于靜止?fàn)顟B(tài)，增量式編碼器與各電機(jī)對(duì)應(yīng)，記錄電機(jī)運(yùn)行狀況，并向主控制模塊反饋；限位保護(hù)傳感器限制各軸運(yùn)行范圍，發(fā)揮安全保護(hù)作用，還能當(dāng)做零位開(kāi)關(guān)為各個(gè)編碼器提供清零信號(hào)。

1.3 機(jī)器人避障路徑規(guī)劃

利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障路徑最優(yōu)規(guī)劃，也就是指在起始點(diǎn)與目的點(diǎn)之間確定既是最優(yōu)路徑又能夠動(dòng)態(tài)避障的點(diǎn)序列坐標(biāo)(xi,yi)?？臻g坐標(biāo)系內(nèi)，路徑點(diǎn)序列是一個(gè)二維的坐標(biāo)，需轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的坐標(biāo)，使編碼長(zhǎng)度降低，xo′y為轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系，x軸是目標(biāo)點(diǎn)與起始點(diǎn)之間的連線，將x軸平均劃分為x1,x2,…,xn，將二維坐標(biāo)簡(jiǎn)化為一維的坐標(biāo)編碼y。

將最短路徑要求與避障要求融合成一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)，該適應(yīng)度函數(shù)同時(shí)滿足這2個(gè)需求。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)獲得障礙物的速度、位置與個(gè)數(shù)。規(guī)劃?rùn)C(jī)器人最短路徑時(shí)可以不考慮障礙物移動(dòng)速度變化與機(jī)器人速度變化。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)避障時(shí)不僅要滿足路徑內(nèi)不存在障礙物，還需要滿足上個(gè)路徑點(diǎn)與下個(gè)路徑點(diǎn)連線中不能存在障礙物。

設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)候花費(fèi)ti時(shí)間從一個(gè)點(diǎn)D0運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)Di(xi,yi)，花費(fèi)Ti-1時(shí)間從一個(gè)點(diǎn)Di(xi-1,yi-1)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)Di(xi,yi)，則有

ti=ti-1+Ti-1

(5)

障礙物不能是路徑點(diǎn)，也就是路徑點(diǎn)(xi,yi)不能在障礙物區(qū)域內(nèi)，則障礙物不包含路徑點(diǎn)的適應(yīng)度函數(shù)F11為

(6)

L為路徑長(zhǎng)度；n與i分別為障礙物的個(gè)數(shù)和工作空間中的全部路徑點(diǎn)。如果障礙物中不存在路徑點(diǎn)(xi,yi)，舒適度為1；如果障礙物中存在路徑點(diǎn)(xi,yi)，舒適度為0。

假設(shè)機(jī)器人從ti時(shí)刻至ti+1時(shí)刻將路徑線段確定成DiDi+1集合，則當(dāng)下路徑點(diǎn)到下個(gè)路徑點(diǎn)之間連線和各障礙物區(qū)域不發(fā)生相較情況的適應(yīng)度函數(shù)F12為

(7)

Oi為此時(shí)所有障礙物位置集合。將式(6)與式(7)綜合到一起，獲得機(jī)器人避障適應(yīng)度函數(shù)為

F1=F11·F12

(8)

使用適應(yīng)度函數(shù)F2表示確定最短路徑：

(9)

將各個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)相乘，以作為遺傳算法的最終綜合適應(yīng)度函數(shù)，即

F=F1·F2

(10)

運(yùn)動(dòng)控制具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制流程

運(yùn)動(dòng)控制模塊產(chǎn)生三軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，三軸電機(jī)接收命令并執(zhí)行具體操作動(dòng)作。計(jì)算機(jī)發(fā)送終端命令后，運(yùn)動(dòng)控制模塊判斷是否執(zhí)行命令，如果不執(zhí)行命令仍舊返回等待，如果執(zhí)行命令則實(shí)行下一步判斷是否執(zhí)行直流電機(jī)命令，如果執(zhí)行，則關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)1、2，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定點(diǎn)后停止直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2 實(shí)例分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能，以某市大型發(fā)電廠中的配電終端作為研究對(duì)象，將本文系統(tǒng)控制的智能機(jī)器人用于該供配電終端的智能調(diào)試。該發(fā)電廠屬于10 MW燃煤發(fā)電站，有4×660 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量達(dá)到397億kW，配電站電壓等級(jí)低于35 kV，容量較小，配電終端產(chǎn)自浙江杭州市，為DTU配電自動(dòng)化終端，該終端使用ADI高性能32位工業(yè)級(jí)DSP芯片，有極強(qiáng)的電源管理功能。

2.1 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界如圖5所示。在圖5中，通過(guò)本文系統(tǒng)確定配電終端上的坐標(biāo)位置，在此基礎(chǔ)上機(jī)器人對(duì)終端上的各部件實(shí)行操作調(diào)試?？赏ㄟ^(guò)點(diǎn)擊系統(tǒng)左側(cè)的選項(xiàng)，控制移動(dòng)裝置運(yùn)行；點(diǎn)擊垂直機(jī)械手控制按鍵與水平機(jī)械手控制選項(xiàng)可以對(duì)機(jī)器人的機(jī)械手展開(kāi)具體操作。

圖5 系統(tǒng)界面

2.2 機(jī)器人控制檢驗(yàn)

機(jī)器人主要通過(guò)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，完成配電終端的調(diào)試。為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人機(jī)械手的控制情況，使用Kinect V2.0軟件獲取機(jī)械手關(guān)節(jié)位置移動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到機(jī)械手角度變化數(shù)據(jù)，如圖6所示。由圖6可知，本文系統(tǒng)控制機(jī)器人機(jī)械手具有良好的控制效果，角度變化數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)一個(gè)平滑穩(wěn)定的波動(dòng)效果，未出現(xiàn)明顯抖動(dòng)情況，在實(shí)際控制機(jī)械手電機(jī)時(shí)，具有良好的效果。而其他系統(tǒng)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)角度與實(shí)際情況存在明顯差異，控制效果差。

圖6 時(shí)間變化下機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)角度

2.3 機(jī)器人避障檢驗(yàn)

道路上設(shè)置各種障礙物，使用PLC系統(tǒng)、六軸慣導(dǎo)系統(tǒng)和模塊化系統(tǒng)，控制機(jī)器人在障礙物中穿行，根據(jù)3種障礙物位置分別做100次實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人避障路徑如圖7所示。為了分析不同機(jī)器人系統(tǒng)的避障控制效果，得到結(jié)果如圖8所示。

圖7 機(jī)器人避障運(yùn)動(dòng)路徑

機(jī)器人避障準(zhǔn)確率是準(zhǔn)確避障次數(shù)與總次數(shù)之比。分析圖8可知，不同的系統(tǒng)避障控制準(zhǔn)確率不同。當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為20次時(shí)，PLC系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率為65%，六軸慣導(dǎo)系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率為75%，模塊化系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率為96.67%；當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為100次時(shí)，PLC系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率為76%，六軸慣導(dǎo)系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率為74%，模塊化系統(tǒng)的避障控制準(zhǔn)確率為96%。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)一直具有較高的避障控制準(zhǔn)確率。

圖8 不同系統(tǒng)的機(jī)器人避障準(zhǔn)確率

2.4 調(diào)試性能測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能以及機(jī)械手調(diào)試配電終端的精度，使用本文系統(tǒng)向機(jī)器人下達(dá)調(diào)試指令，人為統(tǒng)計(jì)調(diào)試結(jié)果，觀察機(jī)器人是否依據(jù)指令完成任務(wù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 性能測(cè)試結(jié)果

由表1可知，垂直機(jī)械手調(diào)試負(fù)載時(shí)為失敗，水平機(jī)械手調(diào)試靜電電容器的電流整定時(shí)為失敗，分析原因，可能是系統(tǒng)初始階段，出現(xiàn)部分性能測(cè)試失敗，經(jīng)過(guò)多次使用和調(diào)試后可以達(dá)到良好的效果。統(tǒng)計(jì)總體調(diào)試成功率達(dá)到99%，證明本文系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將模塊化控制作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款配電終端智能調(diào)試機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用模塊化控制機(jī)器人中的直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)，使移動(dòng)裝置與機(jī)械手完成工作，對(duì)配電終端實(shí)行調(diào)試，同時(shí)使用遺傳算法，將動(dòng)態(tài)避障與最短路徑規(guī)劃融合成一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠控制機(jī)械手完成終端調(diào)試工作且具有良好的性能；同時(shí)機(jī)器人路徑規(guī)劃時(shí)能夠規(guī)避障礙，選擇最優(yōu)路徑。