基于嵌入式PC104工控机和C8051F047单片机实现机器人系统的设计

引言

高压输电线及杆塔附件长期暴露在野外环境中，面临多种挑战，如机械张力、电气闪络、材料老化等，可能导致断股、磨损、腐蚀等损伤。为确保供电的安全可靠性，电力公司需定期对线路设备进行巡检。鉴于传统人工巡检方法存在工作量大、条件艰苦等问题，特别是在山区和大江大河等地区的输电线路巡检面临巨大挑战，采用机器人自动巡线成为了一种必要手段。

高压输电线路巡线机器人属于特种机器人的研究范畴，主要完成高空作业，如无损探伤、悬垂绝缘子绝缘特性检测等。国外在此领域的研究起步较早，水平较高。例如，日本东京电力公司的Sawada等人研制了能够沿地线爬行的巡检机器人，遇到障碍物时可通过弧形手臂辅助跨越。国内关于输电线路巡线机器人的研究虽处于起步阶段，但已有武汉水利大学、山东大学、中科院等机构进行了一些研究。

本文将详细介绍一种高压输电线路巡线机器人及其控制系统设计。该机器人采用3个自由摆动的吊臂实现线缆附件的跨越，并具备多种传感器进行故障检测。

二、机器人概述

该巡线机器人具备多种功能，可适应不同类型的高压输电线缆。通过3个吊臂的摆动，机器人可以自主跨越悬垂绝缘子、隔离棒、防振锤、线夹等线缆附件，并进行输电线缆的检测。其主要性能如下：本体外形850×300×700mm，重量45Kg；适应线缆直径为Ф10～Ф25mm；移动速度可达0～25m/min；爬升角度可达0～30°；支持自主运行和主从遥控操作，同时具备手动和自动故障处理功能。

三、控制系统的设计

机器人的控制系统分为本体控制系统和地面监控系统两部分。本体控制系统以嵌入式PC104工控机为核心，负责规划机器人的运动轨迹，控制机器人运动构件，确保机器人可靠快速地越过障碍物，并实现与地面基站的命令和数据远距离传输。地面监控系统则实现机器人的手动/自动控制，并监控机器人的稳定运行。这一设计增加了机器人的灵活性与可靠性，当其中一套系统发生故障时可启动另一套控制系统。在某些特殊场合，只使用手动系统可降低机器人野外作业的难度。

3.1 机器人本体控制系统的设计

3.1 运动控制优化

针对吊臂式巡线机器人的复杂动作，多数方案采用多电机驱动，但这一方案增加了机器人重量，对其自身平衡构成挑战。我们的创新方案采用仅两个电机实现所需动作，通过巧妙的机械设计和先进的控制策略，实现了机器人运动的高效与灵活。通过三个电磁离合器与电机1的配合，精准控制三个吊臂的摆动，而电机2则负责机器人的行走。为了提升检测灵活性，我们特设两个可升降的传感器支架，分别由电机3和电机4驱动。机器人的驱动框图展示了Silicon Lab公司的高性能单片机C8051F047与H桥组件LMD18200T的完美结合，为电机提供强劲而精准的动力。

LMD18200T是NS推出的运动控制专用H桥组件，集成了CMOS与DMOS电路，具备强大的电流输出能力和全面的保护功能。我们选择的电机连续堵转电流约为3A，LMD18200T完全可以满足其需求。数字PID算法为电机1与电机2带来数字时代的调速精度，通过光电编码器的数值与给定速度的比较，实现电机的闭环控制。而电机3和电机4则专注于支架升降，无需精确的速度控制，只需监控编码器的脉冲数即可。

3.2 数据传输革新

数据传输是机器人与监控系统之间的桥梁。当机器人在高空作业时，必须实时传送自身状态、采集数据以及抓拍的图片等信息。我们设计了一个传输距离可达2Km的无线数据传输系统，采用SRWF-108数传模块完成这一任务。格式上，机器人本体发送的状态帧、指令帧和文件帧都在SRWF-108之间穿梭，占用PC104上的COM1端口，波特率9600bps，确保数据的快速稳定传输。

3.3 电源设计的革新思路

巡线机器人在高空作业，必须依赖自备电源。我们的设计采用了四节12V铅酸蓄电池，通过精密的电源转换芯片如B1205S、B1212S和LM2678等，转化为系统所需的+12V和±5V电压。为了确保能源充足，我们引入了DS2438Z智能电池监测芯片。这款芯片功能强大、体积小、价格低廉，能检测电池的温度、电压和剩余电量等关键参数。一旦发现电量不足，机器人会立即向监控系统发出警报。

3.4 控制系统软件的精妙编程

PC104控制系统的软件采用高效、简洁的C语言编程。该程序不仅要实现数据采集、系统状态检测等基本功能，还要处理串行通讯、动作输出、故障处理、异常情况以及电源监测等复杂任务。程序流程图如同一个精密的交响乐，各个部分协同工作。考虑到机器人需要与监控系统频繁的数据传输以及其他功能的实现，我们选择了中断方式而非查询方式来进行串口通讯。初始化COM1和COM1中断处理程序的代码展示了我们精湛的技术实力。

3.5 监控系统的现代化设计

监控系统采用Visual Basic 6.0软件开发，该平台具备面向对象的可视化设计工具、事件驱动编程机制以及强大的数据库操纵功能。我们采用模块化思想进行开发，设计出一个功能完善、可扩展性强的监控系统。它不仅能监测电池电量、运动状态，还能查询线缆故障数据库、实现手动自动切换等功能。系统能将输电线的故障信息保存在Access数据库中，方便用户对故障类型和时间进行查询。