在电网规模不断扩大的背景下，配电房的配电设备也越来越多。单纯依靠人力进行配电房的巡检，不仅将产生大量的人力、物力消耗，也将给工作人员带来一定的安全隐患。目前，配电房轨道式自动巡检机器人已经得到了开发，但是依然难以实现自动化操控，仍然需要人工操作进行配电房设备监督管理，导致机器人缺乏实用性。因此，还应加强对配电房轨道式自动巡检机器人控制系统的研究，从而进一步提高配电自动化水平。
1 配电房轨道式自动巡检机器人控制系统设计
1.1 系统总体设计
结合配电房设备状态监控管理需求，设计的轨道式自动巡检机器人控制系统应当根据上位机发送指令对机器人进行操控，使机器人在轨道上运行至待测位置，利用配备的检测传感器对仪表读数、柜体内温度、设备柜体号等各种数据信息进行采集，并通过实时上传数据满足人员监控管理需求。从总体设计来看，系统应由主控模块、运动控制模块、数据采集模块和通信模块等模块构成，操控的机器人则由轨道小车、机械手构成。在轨道小车的带动下，机器人可以沿着轨道前后运行，并利用机械手上的检测传感器进行设备信息检测。
1.2 系统硬件设计
从系统硬件设计上来看，需采用微控制器作为系统核心控制器，并利用高清摄像机、局部放电检测器、红外热像仪和温湿度传感器等进行数据采集。系统运动控制功能实现需要利用轨道小车电机、机械手电机、电机驱动器、限位保护传感器和编码器实现，在通信方面可以采用RS485和TCP/IP协议转换器进行通信。此外，采用动力锂电池，可以为系统供电。
在系统主控部分硬件设计上，主控芯片MSP430F5438可以与上位机通信，并完成编码器等设备反馈的信号处理，提供电机驱动信号，以实现电机速度调节控制。采用主控芯片，也能对传感器提供的信息进行预处理。芯片工作电压在1.8～3.6V之间，可以利用24V/20Ah锂电池供电。芯片内核为16位RISC处理器，拥有较多I/O口和片内资源。在电机驱动方面，系统需要采用单极性H桥方式，其由4个VMOS管构成，在电机转动时，需要将B1截止，使B2导通，然后通过对A1输入信号占空比进行调节完成电机速度的调节，A2输入信号波形需要与之反向。在电机反转时，则要使A2导通，A1截止，然后通过对B1输入信号占空比进行调节实现调速，B2波形与之反向。
在系统运动控制设计上，轨道小车承担的负载较大，需要大的力矩和实现速度的较好调节，所以需要选用直流电机进行驱动。采用的机械手为两轴，能够实现高精度定位和精确移动。系统共两个机械臂，分别为水平机械臂和垂直机械臂，前者负责进行不同高度设备检测，后者负责进行局部放电检测，需要采用多轴控制器进行控制。将限位保护传感器与控制器连接在一起，则能通过实现机械臂位置精确监测加强装置保护，避免机器人在狭小配电房空间内运动时给配电设备带来影响。系统采用的机械手电机为Y09-59D3-7538M型减速刹车步进电机，力矩为6.3N·m，正常工作电压为24V，减速比为1:4，步距角为1.8°。采用该种电机，可以在系统断电时通过刹车作用加强设备安全保护，以免机器人跌落下轨道。水平机械手仅负责进行局部放电检测器的承载，可以选用Y07-59D1-3074型步进电机，力矩为1.4N·m，正常工作电压为24V，步距角为1.8°。机器人在运动的过程中，从指令发布到电机转动为动态的机械传动过程，所以会导致误差的产生。为此，还要利用控制器对电机速度、方向、位置等进行调节，将编码器反馈的信号与指令进行比较，然后采用算法完成电机下一步速度和位置的计算，使位置偏差的问题得到解决。系统采用的控制算法为PID算法，运动控制器则为TMS320LF2407，具有较高的伺服控制性能，能够利用高性能静态CMOS技术。而芯片工作电压为3.3V，可以对控制器能耗进行降低。
在系统数据采集设计上，还要利用DS2ZCN2006型高清摄像头进行柜体实时图像的获取，对柜体开关按钮、指示灯等信息进行采集，并利用MAG32HF型红外摄像仪获取红外图像和柜体温度，利用AM2301型温湿度传感器进行环境温湿度检测，利用局部放电检测器进行柜体内局部放电问题的检测。
在系统通信方面，利用USCI串行接口和RS485协议实现主控芯片通信，并利用5.8GHz以太网实现机器人通信，采用TCP/IP和C2000 N1AS型协议转换器实现串口协议和以太网协议转换，满足系统与机器人通信需求。
在系统供电部分，要分为三路，一路直接为主控芯片供电，一路则要转换为3.3V电压为运动控制器供电，剩下一路需要转换为12V电压为信号采集设备供电。在电源管理设计上，除了需要完成各部分电源转换电路设计，还要完成切换回路实现，确保外接电源能够与锂电池较好的连接，避免系统发生重启问题。此外，还应完成保护回路设计，在电源电路欠压或过流时保证系统供电稳定。
1.3 系统软件设计
在系统软件设计上，还要使系统软件能够在Windows XP操作系统上运行，利用UML进行系统软件模型的建立，并使用C++语言完成系统编程，系统数据库采用开源MySQL。采用UML进行软件设计，可以面向对象完成系统对象动态和静态特征的描述，利用用例实现建模驱动。从系统主程序流程来看，系统开始工作后，首先会完成初始化，然后等待PC终端命令。确定收到命令后，系统会进行命令解析，并通过调动相应子程序进行相应动作，否则会继续等待命令。从系统运动控制子程序来看，系统在获得配电状态发送命令后，会进行编码器读数，然后转换为相应的位置信息。根据系统提供的三轴电机驱动信号，电机会进行具体动作的执行。根据限位保护器和编码器反馈的信息，系统可以实现电机转速闭环控制。直至在达到限定位置后，传感器会进行数据信息读取，系统会得到串口信息，然后转化为以太网信息向上位机传送，最后结束命令。系统在进行控制命令发送时，则要采用数据帧的形式，帧头为0xFA，直流电机为0x01，两个步进电机分别为0x02和0x03，启动和停止分别为0xA0和0xB0，正转和反转分别为0xC0和0xD0，高、中、低速分别为0x10、0x20和0x30，帧尾为0xAF。
在系统软件设计时，还应考虑到机器人在执行命令的过程中可能受配电房设备电磁干扰或雷电干扰等外界干扰。因为在配电房中，包含大量的高压设备和自动化设备，同时需要完成断路器等设备的投切操作，容易导致多种频率分量的衰减震荡和电弧的产生。针对这一情况，在系统程序设计时，还应要求系统受干扰后重新进行路线和目标的确定。具体来讲，就是先对系统进行初始化，使系统各种变量和时钟等得到初始化，使编码器计数重置，并对系统通信协议等进行初始化。完成初始化，系统会重新确认上位机是否进行了运动命令的发送，然后进行目标指令的接收。在此基础上，系统会对编码器信号进行读取，确定机器人当前位置，然后通过比较之前时刻运动位置得到运动增量。控制器通过运算，则能得到机器人运动方向和速度，然后操控机器人完成命令。
2 配电房轨道式自动巡检机器人控制系统实现
2.1 系统实现方法
在系统实现上，还要做好主芯片资源分配，利用UART实现异步串行通信，并进行检测器信息的接收。针对编码器和传感器传送的信号，还要利用P1和P2口接收，并利用16位定时器Time_A获得电机驱动信号，采用I/O口完成传感器信号接收，同时对继电器等设备进行控制。系统传感器和转换器等设备正常工作电压为12V，还要利用TBV50AS24型传感器进行电池电压监测，并采用转换器将24V电压转换为12V，利用MGR-1DD220D25固态继电器进行供电电路控制。采用TPS733芯片，则能将供电电压转换为3.3V。在电机驱动方面，需要利用P4.1口提供的PWM信号进行电机脉宽调制控制，使信号经过缓冲后得到调节，使小车可以高、中、低不同速度运行。利用P4.2和P4.3，可以得到电机方向控制信号，实现电机正反转控制。采用光耦隔离器件TLP521-1，可增强信号传输抗干扰能力。各电机对应不同的增量编码器，其中一个运行，则其余静止。编码器会对电机状态进行记录，并反馈给主控模块。在电平转换上，需使用MAX3485，将TTL电平转换为RS485信号进行传输。
2.2 系统实验分析
在Driver Studio和DDK等平台上完成系统开发后，需要进行系统实验分析，确定系统控制效果。在实验过程中，需要进行0xFA等控制命令的发送，对机器人巡检过程进行控制。从实验效果来看，从上位机监控界面上，可以得到配电房设备的图像和视频，并得到环境温湿度、柜体局部放电检测数据等各种数据信息。根据三轴电机速度和位置，可以确定机器人运动状态。结合设备分布图，对机器人进行操控，可以使机器人以最大0.32m/s速度工作，并且时长能够达到8h，在2mm范围内实现精确定位。因此，采用控制系统，可以完成配电房设备信息的及时、可靠采集，帮助管理人员确定设备实时状态，可以代替人工巡检方式进行配电房的管理。
3 结论
通过研究可以发现，设计轨道自动巡检机器人控制系统，可以利用传感器和机械手进行配电设备运行数据信息的实时采集，并且能够进行数据的及时上传，确保管理人员能够及时发现设备隐患。因此，在配电房管理方面，采用该系统进行巡检机器人控制可以代替人员进行配电房现场巡检，从而在提高配电房自动化水平的同时降低人员工作量，从而更好地满足配电事业的发展需求。
参考文献
[1]罗佳，李伯方，黎立，等．配电开关柜辅助作业机器人应用研究[J]．自动化技术与应用，2018，37（5）.
[2]李天友，黄超艺，蔡俊宇．配电带电作业机器人的发展与展望[J]．.供用电，2016，33（11）.
[3]高焕兵，田国会．面向配电系统的带电抢修作业机器人[J]．山东大学学报（工学版），2015，45（1）.
[4]王吉岱，张良，王森，等．架空输电线路巡检机器人控制系统可靠性设计[J]．机床与液压，2018，46（3）.
[5]邢义，刘晋，钟杨．基于DSP的变电站巡检机器人控制系统研制与应用[J]．电工技术，2018，（3）.
收稿日期：2018-07-22
作者简介：李月芹（1978-），女，山东德州人，大国重器自动化设备（山东）股份有限公司董事长，研究方向：自动化焊接、喷涂机器人。
