变电站巡检机器人的编码器／惯性无轨导航

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1、第35卷第8期华电技术Vo1．35No．82013年8月HuadianTechnologyAug．2013变电站巡检机器人的编码器／惯性无轨导航王加芳，贾晓霞，房静(1．华北电力大学自动化系，河北保定071003；2．华北电力大学电力工程系，河北保定071003)摘要：研究了目前变电站巡检机器人的导航方式，开发了一种以STM32为核心的编码器／惯性无轨导航系统，并完成了软、硬件设计，采用卡尔曼滤波惯性制导算法和闭环测速以及比例一积分一微分(PID)控速算法，增加了系统的导航精确度，减小了变电站施工周期和

2、施工成本，使巡检机器人具备了更好的应用价值和市场前景。关键词：变电站；巡检机器人；无轨化导航；陀螺仪；编码器中图分类号：U666．11文献标志码：B文章编号：1674—1951(2013)O8—0011—04弥补了普通陀螺仪惯性制导元件的误差时间累积0引言性，并使系统在导航航向角度控制方面具备闭环反编码器／惯性组合导航系统是应用计算机技术馈性能，与编码器闭环控速形成很好的数据整合，从和嵌入式数据采集处理技术，以惯性导航系统而有效地控制巡检机器人在变电站巡检时的航向。(INS)输出的姿态角数据为航向参量，

3、融合编码器该设计采用STM32F103RBT6作为处理器，进行数高精度测速技术，实现闭环控速、提高系统性能的一据实时采集和计算，整个系统硬件模型如图1所示。种组合导航系统。随着电子技术和测量技术的发展，巡检导航设备逐渐向成本低廉、对场地要求小、精确度高、场地施工周期短等方向发展，其导航方式亦向施工周期缩短及成本降低的方向趋近，而目前已用于巡检机器人上的导航方式有磁轨迹导航、激光导航等，其价格昂贵且对场地改造程度大。作者所设计的基于陀螺仪惯性制导和编码器反馈方式测速的导航方式，具有无需改造场地、成本低和精

4、度高等突出特点，符合国家电力行业无轨化巡检要求。1硬件系统目前，在变电站巡检机器人巡检时，采用磁轨迹图1系统硬件模型巡线或立体式激光扫描进行导航。磁轨迹导航虽在整个数据采集系统由INS和编码器组成，INS变电站具有实用性，但由于其需在现场铺设专用磁包含陀螺仪和加速度计，竖直放置在巡检机器人车轨，故导致场地改造大、施工周期长、耗资大、对新场体内，编码器则分置于两轮轴承处与轴承啮合。地适应性差。激光导航是可用于变电站巡检导航的1．1主控芯片一种新兴技术，但激光导航设备购置成本偏高，且当该设计采用Codex—

5、M4内核的STM32嵌人式环境变化时扫描激光信号易产生偏差，故实际应用系统作为主控芯片，其运算处理任务主要包括：一是并不广泛。总而言之，已有的导航方式在变电站领数据采集，其片内AD具有12位精度，可将陀螺仪域均有自己的不适应性。和加速度输出的信号经过A／D转换为数字信号，同本文设计采用编码器测速技术并融合INS姿态时STM32的Timer计数／计时器设置为正交编码器角参量，闭环反馈差速控制车轮实现无轨导航。该模式，用以捕获编码器的脉冲信号；二是数据处理和系统取用编码器高精度、高稳定性和陀螺仪具有的计算，

6、包括陀螺仪和加速度计的卡尔曼滤波融合算动态角速度特性，并配合零点更新补偿算法，很好地法、零点更新补偿算法、编码器差速解算和脉冲宽度调制(PWM)输出参数解算等；三是双PWM信号的收稿日期：2013—04—14输出，包括电机驱动控制信号的数据输出以及电机·l2·华电技术第35卷的速度反馈矫正。的MMA7260模块，是一款三向加速度传感器，具有STM32不仅采集精度高、稳定工作频率高、数3轴加速度感应和输出能力，可同时测量3个坐标据处理速度快、抗干扰能力强、价格低，而且可提供轴(，Y，z)的值并由3个通道输

7、出，有4种灵敏度灵活的外部接口，可方便地与编码器或陀螺仪等模可供选择。其额定工作温度为一20～85℃，可测量块进行数据交换与存储，以完成巡检机器人的导航最大加速度达到±2000g，供电电压为3．6V，具有任务。良好的静态性能。1．2编码器陀螺仪的外围电路设计原理如图2所示，陀螺编码器采用500线E6A2一CW3C欧姆龙双相芯片采用SMD4封装。经仔细研究和多次测试发增量式编码器，其外壳直径为2．5cm，轴径为4．0现，要抑制传感器的噪音，需将陀螺仪信号进行低通mm，小巧精致，编码器转一圈产生脉冲数达50

8、0个，滤波处理再输出，图中滤波电容CIO的选取容量宜最高响应频率为30kHz，精度高、反应快速且双相可在1800pF附近。陀螺仪输出信号GYRO经过此电测正反转转速，用于与STM32正交编码模式接口。路放大并滤波处理后具有很好的动态跟随性和平滑由于增量式编码器内部自带中心有轴的光电码性，可用于导航时的角速度读取。盘，当编码器旋转时光电接收元件捕捉光电发射元加速度传感器的外围电路设计原理如图3所件的光强变化并产生脉冲信号，此脉冲信号可由示，M