Page 30 - 电力与能源2024年第二期

170 周家玮，等：大型变电站巡检作业平台高精度移动控制装置的研制

编码器减速电机，以此可精确判断四轮的独立运
1 高精度移动控制装置实施方案
动情况，即使出现某轮打滑等极端情况，亦可进行
（1）通用的巡检作业平台控制协议，对接入的 精确控制。轮子减速轴每旋转一周，则尾部编码
外部智能设备提供清晰、简洁、有效的控制指令。 器输出 3 300 个脉冲。将脉冲信号接入控制器，通
（2）研究一种基于多传感器的巡检作业平台 过读取已产生的脉冲数，可以判断该电机产生的
高精度移动控制策略及方法。 位移；通过读取单位时间内产生的脉冲数，则可以
（3）设计并开发一套巡检作业平台高精度移 计算该电机的转速。
动控制装置，实现对上级指令的转化，以及对巡检 （2）九轴传感器。该模块采用的核心芯片为

作业平台的高精度控制。 MPU9250，其内部集成陀螺仪、加速度计和磁力
高精度移动控制装置效果如图 1 所示。 计，输出均为 16 位数字量。可通过集成电路总线

（IIC）接口和单片机进行数据交互，传输速率可达
400 kHz·s 。利用传输速率上级控制平台可精确
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了解移动平台本体的当前姿态，方位、加速度等综
合情况。
（3）超声波传感器。超声波传感器利用压电
晶体的谐振原理工作。计时器在超声波发射时
刻开始计时，在接收器收到反射回的超声波后就

立即停止计时。超声波在空气中的传播速率为
340 m·s ，根据计时器记录的时间 t，便可计算到
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障碍物面的距离。
2.2 硬件框架设计
图 1 高精度移动控制装置效果
高精度移动控制装置使用 4 个高精度独立编
高精度移动控制装置负责收集各类传感器数
码器、1 个九轴传感器和 1 个超声波传感器。其
据，包括多轴传感器、编码器、超声波传感器等，利
中，4 个高精度独立编码器产生巨量的脉冲，假设
用传感数据的处理，判断四轮移动底盘当前的行进
单个轮子在 1 s 内旋转 3 圈，则每秒会产生 3 300×
状态、障碍识别等。高精度移动控制装置将所有数
3×4=39 600 个脉冲。对这些脉冲进行及时准确
据进行整理，并发送给上级控制设备；同时对上级
的记录，需要占用计算单元大量的计算资源，并且
控制设备发送的指令进行解码，并将控制指令转
其记录的准确与否涉及最终的控制精度，因此在
换，对四轮移动底盘实施运动控制。上级控制平台
可以是安装于四轮移动底盘的计算设备，也可以是 设计时将编码器数据的读取单独采用一块计算处
远程控制平台。远程控制平台可以根据装置返回 理板（A 板）。其余两种传感器的数据记录则由另
的现有传感器数据直接进行控制，也可以额外获取 一块计算处理板（B 板）来完成，若后续有其他传

某些必要的传感信息进行综合处理。高精度移动 感器扩展，也将在 B 板完成，如图 2 所示。
控制装置的设计可分为控制装置设计、移动平台优 底层电路板 A 板还需要承担电机驱动的任
化、控制协议设计和系统测试等环节。 务，当 B 板控制指令下发后，A 板需要转换数据，
并输出 4 路独立脉冲宽度调制（PWM）控制信号，
2 高精度移动控制装置硬件设计
驱动电机转动。
2.1 传感器选型 2.3 硬件电路设计
（1）编码器。采用四轮独立编码器作为高精度 底层电路板选用 STM32F103 开发板，包含
移动控制的核心传感器，每个轮子均加装此 12 V 带 4 路独立电机驱动，芯片为 A4950，含 4 路独立脉