基于狀態(tài)機的巡線機器人控制系統(tǒng)設計

1． 引言[1]

1．1 巡線機器人

高壓輸電線路作為電力輸送的主要方式，是國民經(jīng)濟的大動脈，其安全可靠的運行是社會生產(chǎn)和人民生活的重要保障。由于高壓輸電線路特殊的工作環(huán)境，輸電線路上的各種設施容易損壞，因而定期進行高壓輸電線路的巡檢是保證可靠的電力輸送的重要基礎。當前，輸電線路的巡檢方式以人工為主。但是由于輸電線路多架設在崇山峻嶺之間，加之野外環(huán)境比較惡劣，采用人工巡檢的方式受到諸多的限制，這在很大程度上影響了對輸電線路的及時維護，給電能的可靠輸送埋下了安全隱患。機器人技術的發(fā)展為輸電線路的自動巡檢帶來了可能。巡線機器人就是一類專門應用于輸電線路巡檢的機器人。輸電線路巡檢的主要任務是檢查桿塔、導線、避雷線、絕緣子和金具的狀態(tài)。這要求機器人能夠在輸電線路上自主的運行，能夠自主的識別并跨越障礙物。為了滿足越障行為對機器人機械結構的要求，同時為了最大程度上適應輸電線路這種柔性的環(huán)境，巡線機器人被設計成兩臂懸掛式機器人采用兩個具有夾持功能的機械手臂作為行走機構。正常巡檢時，依靠安裝在兩個手臂上的行走電機驅(qū)動機器人，當需要越障時，其中一只手臂上的卡爪夾住輸電線路，由機械臂的回轉(zhuǎn)機構驅(qū)動機器人轉(zhuǎn)身繞過障礙物。當一臂繞過障礙物后，根據(jù)視覺傳感器提供的機械手和輸電線的相對位置，通過安裝在手臂上的擺臂機構實現(xiàn)夾手和輸電線路的精確對準。不難發(fā)現(xiàn)，兩臂懸掛式機器人在越障過程中主要需要解決的問題是穩(wěn)定性和抓線的定位問題。為了實現(xiàn)可靠的越障，巡線機器人機械手臂被設計成雙關節(jié)形式：機械臂底部有一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，可帶動機器人做180度旋轉(zhuǎn)，機械手中間位置有一個擺動關節(jié)，可帶動機械手做向左向右的擺動。之所以設計成上述結構，主要是方便機械手脫線和抓線時的姿態(tài)調(diào)整。

1．2 巡線機器人運動控制系統(tǒng)

從上面的敘述可以看出，兩臂懸掛式巡線機器人越障行為過程比較復雜，這給運動控制系統(tǒng)的設計帶來了極大的困難。巡線機器人的運動控制系統(tǒng)主要完成兩大任務：第一，控制電機完成相應的運動過程，達到需要的動態(tài)特性和穩(wěn)定性要求。第二，運動過程中的保護及定位。本文主要討論運動控制系統(tǒng)的保護及定位功能的設計與實現(xiàn)。通常而言，運動控制系統(tǒng)的上面兩個功能主要有兩種實現(xiàn)方法：基于軟件的實現(xiàn)和基于硬件的實現(xiàn)?；谲浖膶崿F(xiàn)方法靈活性高，可以實現(xiàn)較為復雜的算法，因而，運動控制系統(tǒng)的第一個功能一般由軟件實現(xiàn)。但是基于軟件的實現(xiàn)方法存在最大的缺點是可靠性不夠高，響應速度較慢。而巡線機器人運動控制系統(tǒng)的第二個功能即各種限位保護，意外處理，過流過載保護，零位調(diào)整等都需要較高的可靠性，用軟件實現(xiàn)上述功能時，一旦軟件出現(xiàn)諸如程序跑飛，死機等故障時，必然會對驅(qū)動電機和機器人機構造成很大的損壞。另一方面，機器人機構對運動控制系統(tǒng)的響應速度有較高的要求，當出現(xiàn)意外情況時，控制系統(tǒng)必須以最短的延時給出驅(qū)動電機相應的控制信號，以保護電機和機構。雖然基于實時操作系統(tǒng)的軟件在實時性上有較大的提高，但是這在很大程度上取決于系統(tǒng)運行的任務數(shù)量，當任務數(shù)量較多時也存在響應速度慢的問題。與基于軟件的實現(xiàn)方法相比較，基于硬件的實現(xiàn)方法可靠性高，響應速度快，但最大的缺點是靈活性不高，實現(xiàn)過程較為復雜。故不宜采用硬件去實現(xiàn)較為復雜的控制算法。

對運動控制系統(tǒng)中的第二個主要任務，比較適合采用硬件的方法實現(xiàn)。這主要是考慮到第二個功能要求較高的可靠性和響應速度，同時不需要復雜的運算，屬于邏輯控制功能，比較適宜于采用硬件實現(xiàn)。

1．3 運動控制問題描述

就巡線機器人的運動控制系統(tǒng)中的保護及定位系統(tǒng)而言，其本質(zhì)是根據(jù)傳感器信號給出相應的電機控制信號。也就是說，電機保護及定位系統(tǒng)完成控制輸入（傳感器信號）到控制輸出（電機控制信號）間的映射。電機保護及定位系統(tǒng)的特點決定了其非常適合于采用有限狀態(tài)機進行設計。

前面的敘述已經(jīng)大致描述了運動保護及定位系統(tǒng)需要完成的功能。具體的說就是，當運動機構運動至左側和右側限位位置時，傳感器均給出相應的限位信號，運動控制系統(tǒng)據(jù)此停止電機，且限制機構在這兩個位置的運動。即：若機構順時針擺動至限位點，則限位后機構只可逆時針運動，順時針方向的運動被限制，反之亦然。巡線機器人運動控制系統(tǒng)中的一個較為復雜的功能是對兩個機械臂的定位，機械臂定位要求是，無論機械手從何方靠近中間的零位位置，總需要機械手自動停止在一個位置－此位置為機械手與機體垂直的位置。由于我們采用的位置傳感器是霍爾效應傳感器，傳感器探頭與磁鋼的距離小于某一閾值時傳感器便給出有效信號。因此，當磁鋼從不同方向接近傳感器探頭時，傳感器給出限位信號的位置不同。經(jīng)過實驗驗證，當磁鋼進入某一個區(qū)域時，傳感器即刻給出有效的信號，此區(qū)域?qū)挾却蠹s為1厘米。因此，倘若均以進入該區(qū)域即認為機械手歸零到位，顯然，當機械手從不同方向歸零時并不能保證機械手都垂直于機體。事實上，由于傳感器安裝的位置的影響，加之整個機械手較長，當從不同方向歸零時，機械手姿態(tài)差別很大。為了保證無論從何方歸零，機械手總能停止在同一位置，要求控制器只能采用傳感器的同一邊沿信號作為歸零到位信號。比如：當機械手順時針歸零時，若檢測到傳感器信號的下降沿即停止電機，認為歸零到位；當機械手逆時針歸零時，需檢測到傳感器信號的上升沿（也就是順時針時的下降沿，即同一邊沿信號）時，方可認為歸零到位。

在我們設計的運動控制系統(tǒng)中，對任一電機，控制系統(tǒng)僅給出三個控制信號：兩個方向信號和速度信號（dira,dirb和pwm），其中的兩個方向信號控制電機的轉(zhuǎn)向和開停，dira和dirb不同時，電機方可運動，相同時電機停止。pwm信號也可控制電機的運行，pwm為高電機可運行，反之停止。機械手的定位調(diào)整系統(tǒng)需要設置三個傳感器：左限位傳感器（sensor_l），中間零位傳感器（sensor_m），右限位傳感器（sensor_r）。對不需要歸零的運動機構則不設置中間零位傳感器。

2．有限狀態(tài)機設計

2.1 運動控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)機設計

運動控制系統(tǒng)中的運動保護及定位系統(tǒng)的典型時序如下圖示：

圖1 運動保護及定位系統(tǒng)時序與框圖

從上面的是時序圖可以看出，運動控制系統(tǒng)的時序顯著的分為四段：第一段L1：為運動機構的左限位階段。即當運動至左限位點時，控制系統(tǒng)應該停止電機并限制此方向運動。第二段L2：僅有機械手臂具有此段時序特征。當機械手以順時針方向擺向垂直位置時，若到達垂直位置（sensor_m由高變低）則控制系統(tǒng)停止電機。但與限位不同，此時控制系統(tǒng)不可限制機構任意方向的運動。為了使得機械手到達垂直位置后仍可向左或向右運動，在我們的設計中引入另一控制量：電機的速度信號pwm。第三段L3：與第二段相同，也為機械手特有。當機械手以逆時針向垂直位置運動時，與順時針時不同，它需要在傳感器信號由低變高時方可停止電機，當然也不能限制機構任意方向的運動。第四段L4：為運動機構的右限位階段，與第一段相似，當機構運動至右限位點時，控制系統(tǒng)需要自動停止電機并限制此方向的運動。

根據(jù)運動控制系統(tǒng)的典型時序特征，可以制定出相應的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件：首先，設置初始化狀態(tài)s0，系統(tǒng)上電或者復位后都自動進入該狀態(tài)。上電時，在此狀態(tài)對內(nèi)部信號和輸出進初始化。此狀態(tài)也是系統(tǒng)默認的電機停止狀態(tài)。正常運動的情況下，機構順時針和逆時針分別對應兩個狀態(tài)s1和s2。當機構順時針歸零后，與限位不同，由于此時不可限制機構任意方向的運動，因而當pwm信號拉低后狀態(tài)機需要進入狀態(tài)s3,s3其實為一個過渡狀態(tài)，通過s3,狀態(tài)機可根據(jù)此時微處理器給出的控制信號進入s1和s2運行。同樣，當機構逆時針歸零時，與順時針歸零不同，它需要檢測到中間位置傳感器拉高后才能停止電機。所以當逆時針運動時，一旦檢測到sensor_m變低，狀態(tài)機即進入過渡狀態(tài)s5,在此狀態(tài)，若sensor_m變高，即意味著機構已經(jīng)離開傳感器區(qū)域，到達垂直位置，此時狀態(tài)機進入狀態(tài)s6。從上面的分析可以看出：對于順時針和逆時針兩種不同的狀態(tài)下機構歸零，我們分別設置了兩個特殊的過渡狀態(tài)集{s3,s4}和{s5,s6}。這主要是由于歸零操作不同于限位。歸零后，控制系統(tǒng)不能限制機構任何方向的運動，因而需要一個額外的控制輸入作為歸零后狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號。根據(jù)上面的分析，可以得到狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

圖2有限狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.2設計仿真與實現(xiàn)

2.2.1設計仿真

本設計在ISE8.2i+Modelsim XE III 6.0d平臺上綜合，布局布線和仿真。其布局布線后仿真的時序圖如下：

圖3 時序仿真圖

從上面的后仿真時序可以看出，當sensor_l變低時，dira和dirb同時變低，只有當方向信號dir改變時，dira和dirb才隨之改變。sensor_r的變化同sensor_l相似。仿真時序中比較關鍵的一段是sensor_m兩次變低的情況，分別代表順時針和逆時針歸零的兩種情況。從上圖可以看出，所設計的狀態(tài)機很好的實現(xiàn)了對傳感器同一邊沿信號的識別，同時在加入了控制信號pwm后，使得機構歸零后還可以進行任意方向的運動，滿足了設計要求。

2.2.2設計實現(xiàn)

將設計的狀態(tài)機采用VHDL語言編碼并在xilinx公司的CPLD器件XC9572上實現(xiàn)，經(jīng)過實驗驗證，所設計的狀態(tài)機是安全可靠的。

3．結論

機器人控制系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有兩種方法?；谲浖膶崿F(xiàn)方法在各種苛刻的實際應用中顯示出了種種不足。可編程器件的發(fā)展為控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種全新的模式?；诳删幊唐骷目刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)，可靠性好，實現(xiàn)簡單，靈活性好，相對于傳統(tǒng)的軟件實現(xiàn)和由分離元件實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，基于可編程器件的控制系統(tǒng)有著諸多無法替代的優(yōu)點。本文根據(jù)控制對象對控制器時序要求，抽象出控制系統(tǒng)的行為級描述，并據(jù)此設計了有限狀態(tài)機的狀態(tài)。并采用EDA軟件進行了綜合，布局布線和仿真，最終在CPLD上實現(xiàn)了所設計的運動控制系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)的數(shù)字化設計提供了一種行之有效的方法。

本文的創(chuàng)新點是將有限狀態(tài)機應用于機器人控制系統(tǒng)的硬件設計，并在可編程器件上實現(xiàn)了所做設計。這是對常見的基于軟件的控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法和由分離元件構造的基于硬件的控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法的極大改善，大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性，抗干擾性和實時性。

參考文獻

[1].James R. Armstrong F. Gail Gray: VHDL Design Representation and Synthesis. China Machine Press.

[2].趙世霞，楊豐，劉揭生.VHDL與微機接口設計。 北京，清華大學出版社，2004。

[3].周懷得，肖傳，偉郝志航.基于DSP和CPLD的智能相機系統(tǒng)設計與研制.微計算機信息，2006，Vol.22,No.17

[4].王誠，薛小剛，鐘信潮.Xilinx ISE 使用詳解。北京：人民郵電出版社，2004。

[5].楊慶. 有限狀態(tài)機的設計與優(yōu)化.湖北民族學院學報（自然科學版），Vol.24,No.1,Mar 2006.

[6].鄔楊波，王曙光，胡建平.有限狀態(tài)機的VHDL設計與優(yōu)化.信息技術.VOL.28,NO.1,Jan.2004.

[7].王劍,趙海燕. 基于CPLD的控制器冗余設計.微計算機信息.2005 Vol.12, No.23