基于狀態(tài)機(jī)的巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

1． 引言[1]

1．1 巡線機(jī)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(jì)的大動脈，其安全可靠的運(yùn)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(shè)施容易損壞，因而定期進(jìn)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(chǔ)。當(dāng)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(shè)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(hù)，給電能的可靠輸送埋下了安全隱患。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為輸電線路的自動巡檢帶來了可能。巡線機(jī)器人就是一類專門應(yīng)用于輸電線路巡檢的機(jī)器人。輸電線路巡檢的主要任務(wù)是檢查桿塔、導(dǎo)線、避雷線、絕緣子和金具的狀態(tài)。這要求機(jī)器人能夠在輸電線路上自主的運(yùn)行，能夠自主的識別并跨越障礙物。為了滿足越障行為對機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求，同時為了最大程度上適應(yīng)輸電線路這種柔性的環(huán)境，巡線機(jī)器人被設(shè)計成兩臂懸掛式機(jī)器人采用兩個具有夾持功能的機(jī)械手臂作為行走機(jī)構(gòu)。正常巡檢時，依靠安裝在兩個手臂上的行走電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人，當(dāng)需要越障時，其中一只手臂上的卡爪夾住輸電線路，由機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)器人轉(zhuǎn)身繞過障礙物。當(dāng)一臂繞過障礙物后，根據(jù)視覺傳感器提供的機(jī)械手和輸電線的相對位置，通過安裝在手臂上的擺臂機(jī)構(gòu)實現(xiàn)夾手和輸電線路的精確對準(zhǔn)。不難發(fā)現(xiàn)，兩臂懸掛式機(jī)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(jī)器人機(jī)械手臂被設(shè)計成雙關(guān)節(jié)形式：機(jī)械臂底部有一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可帶動機(jī)器人做180度旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手中間位置有一個擺動關(guān)節(jié)，可帶動機(jī)械手做向左向右的擺動。之所以設(shè)計成上述結(jié)構(gòu)，主要是方便機(jī)械手脫線和抓線時的姿態(tài)調(diào)整。

1．2 巡線機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)

從上面的敘述可以看出，兩臂懸掛式巡線機(jī)器人越障行為過程比較復(fù)雜，這給運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的困難。巡線機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)主要完成兩大任務(wù)：第一，控制電機(jī)完成相應(yīng)的運(yùn)動過程，達(dá)到需要的動態(tài)特性和穩(wěn)定性要求。第二，運(yùn)動過程中的保護(hù)及定位。本文主要討論運(yùn)動控制系統(tǒng)的保護(hù)及定位功能的設(shè)計與實現(xiàn)。通常而言，運(yùn)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(fù)雜的算法，因而，運(yùn)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(yīng)速度較慢。而巡線機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的第二個功能即各種限位保護(hù)，意外處理，過流過載保護(hù)，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(jī)等故障時，必然會對驅(qū)動電機(jī)和機(jī)器人機(jī)構(gòu)造成很大的損壞。另一方面，機(jī)器人機(jī)構(gòu)對運(yùn)動控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度有較高的要求，當(dāng)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(jī)相應(yīng)的控制信號，以保護(hù)電機(jī)和機(jī)構(gòu)。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(yùn)行的任務(wù)數(shù)量，當(dāng)任務(wù)數(shù)量較多時也存在響應(yīng)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(yīng)速度快，但最大的缺點是靈活性不高，實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。故不宜采用硬件去實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法。

對運(yùn)動控制系統(tǒng)中的第二個主要任務(wù)，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(yīng)速度，同時不需要復(fù)雜的運(yùn)算，屬于邏輯控制功能，比較適宜于采用硬件實現(xiàn)。

1．3 運(yùn)動控制問題描述

就巡線機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)中的保護(hù)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(yīng)的電機(jī)控制信號。也就是說，電機(jī)保護(hù)及定位系統(tǒng)完成控制輸入（傳感器信號）到控制輸出（電機(jī)控制信號）間的映射。電機(jī)保護(hù)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(jī)進(jìn)行設(shè)計。

前面的敘述已經(jīng)大致描述了運(yùn)動保護(hù)及定位系統(tǒng)需要完成的功能。具體的說就是，當(dāng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動至左側(cè)和右側(cè)限位位置時，傳感器均給出相應(yīng)的限位信號，運(yùn)動控制系統(tǒng)據(jù)此停止電機(jī)，且限制機(jī)構(gòu)在這兩個位置的運(yùn)動。即：若機(jī)構(gòu)順時針擺動至限位點，則限位后機(jī)構(gòu)只可逆時針運(yùn)動，順時針方向的運(yùn)動被限制，反之亦然。巡線機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)中的一個較為復(fù)雜的功能是對兩個機(jī)械臂的定位，機(jī)械臂定位要求是，無論機(jī)械手從何方靠近中間的零位位置，總需要機(jī)械手自動停止在一個位置－此位置為機(jī)械手與機(jī)體垂直的位置。由于我們采用的位置傳感器是霍爾效應(yīng)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(dāng)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(dāng)磁鋼進(jìn)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(jìn)入該區(qū)域即認(rèn)為機(jī)械手歸零到位，顯然，當(dāng)機(jī)械手從不同方向歸零時并不能保證機(jī)械手都垂直于機(jī)體。事實上，由于傳感器安裝的位置的影響，加之整個機(jī)械手較長，當(dāng)從不同方向歸零時，機(jī)械手姿態(tài)差別很大。為了保證無論從何方歸零，機(jī)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(dāng)機(jī)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(jī)，認(rèn)為歸零到位；當(dāng)機(jī)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(rèn)為歸零到位。

在我們設(shè)計的運(yùn)動控制系統(tǒng)中，對任一電機(jī)，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(jī)的轉(zhuǎn)向和開停，dira和dirb不同時，電機(jī)方可運(yùn)動，相同時電機(jī)停止。pwm信號也可控制電機(jī)的運(yùn)行，pwm為高電機(jī)可運(yùn)行，反之停止。機(jī)械手的定位調(diào)整系統(tǒng)需要設(shè)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(yùn)動機(jī)構(gòu)則不設(shè)置中間零位傳感器。

2．有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計

2.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計

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

圖1 運(yùn)動保護(hù)及定位系統(tǒng)時序與框圖

從上面的是時序圖可以看出，運(yùn)動控制系統(tǒng)的時序顯著的分為四段：第一段L1：為運(yùn)動機(jī)構(gòu)的左限位階段。即當(dāng)運(yùn)動至左限位點時，控制系統(tǒng)應(yīng)該停止電機(jī)并限制此方向運(yùn)動。第二段L2：僅有機(jī)械手臂具有此段時序特征。當(dāng)機(jī)械手以順時針方向擺向垂直位置時，若到達(dá)垂直位置（sensor_m由高變低）則控制系統(tǒng)停止電機(jī)。但與限位不同，此時控制系統(tǒng)不可限制機(jī)構(gòu)任意方向的運(yùn)動。為了使得機(jī)械手到達(dá)垂直位置后仍可向左或向右運(yùn)動，在我們的設(shè)計中引入另一控制量：電機(jī)的速度信號pwm。第三段L3：與第二段相同，也為機(jī)械手特有。當(dāng)機(jī)械手以逆時針向垂直位置運(yùn)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(jī)，當(dāng)然也不能限制機(jī)構(gòu)任意方向的運(yùn)動。第四段L4：為運(yùn)動機(jī)構(gòu)的右限位階段，與第一段相似，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動至右限位點時，控制系統(tǒng)需要自動停止電機(jī)并限制此方向的運(yùn)動。

根據(jù)運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型時序特征，可以制定出相應(yīng)的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件：首先，設(shè)置初始化狀態(tài)s0，系統(tǒng)上電或者復(fù)位后都自動進(jìn)入該狀態(tài)。上電時，在此狀態(tài)對內(nèi)部信號和輸出進(jìn)初始化。此狀態(tài)也是系統(tǒng)默認(rèn)的電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)。正常運(yùn)動的情況下，機(jī)構(gòu)順時針和逆時針分別對應(yīng)兩個狀態(tài)s1和s2。當(dāng)機(jī)構(gòu)順時針歸零后，與限位不同，由于此時不可限制機(jī)構(gòu)任意方向的運(yùn)動，因而當(dāng)pwm信號拉低后狀態(tài)機(jī)需要進(jìn)入狀態(tài)s3,s3其實為一個過渡狀態(tài)，通過s3,狀態(tài)機(jī)可根據(jù)此時微處理器給出的控制信號進(jìn)入s1和s2運(yùn)行。同樣，當(dāng)機(jī)構(gòu)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(jī)。所以當(dāng)逆時針運(yùn)動時，一旦檢測到sensor_m變低，狀態(tài)機(jī)即進(jìn)入過渡狀態(tài)s5,在此狀態(tài)，若sensor_m變高，即意味著機(jī)構(gòu)已經(jīng)離開傳感器區(qū)域，到達(dá)垂直位置，此時狀態(tài)機(jī)進(jìn)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(jī)構(gòu)歸零，我們分別設(shè)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(jī)構(gòu)任何方向的運(yùn)動，因而需要一個額外的控制輸入作為歸零后狀態(tài)機(jī)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(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

圖2有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.2設(shè)計仿真與實現(xiàn)

2.2.1設(shè)計仿真

本設(shè)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(dāng)sensor_l變低時，dira和dirb同時變低，只有當(dāng)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(guān)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(shè)計的狀態(tài)機(jī)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(jī)構(gòu)歸零后還可以進(jìn)行任意方向的運(yùn)動，滿足了設(shè)計要求。

2.2.2設(shè)計實現(xiàn)

將設(shè)計的狀態(tài)機(jī)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(shè)計的狀態(tài)機(jī)是安全可靠的。

3．結(jié)論

機(jī)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(yīng)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(shè)計了有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。并采用EDA軟件進(jìn)行了綜合，布局布線和仿真，最終在CPLD上實現(xiàn)了所設(shè)計的運(yùn)動控制系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)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(jī)應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并在可編程器件上實現(xiàn)了所做設(shè)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(gòu)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。

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