CN108663958A - 一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，包括重心调整控制模块、轨迹跟踪控制模块、全自动控制模块、遥控功能模块、故障检测模块、电机控制模块、外设控制模块和滑行控制模块；重心调整控制模块、轨迹跟踪控制模块、全自动控制模块、遥控功能模块、故障检测模块、电机控制模块、外设控制模块和滑行控制模块均与中央处理器CPU连接；由中央处理器CPU对各个模块传递的数据进行运算和逻辑处理，并将控制指令发送给各个模块。
Description
技术领域
本发明涉及高压电线巡线检测机器人领域，特别涉及一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，携带检测设备的巡检机器人逐渐的应用于各种高危、恶劣的工作环境中，如应用于高压输电线路的巡检机器人，应用于变电站检测的巡检的机器人及应用于隧道检测的巡检机器人等等，在这些人工巡检劳动强度大，危险性高的工作岗位，都陆续出现了代替人工巡检的巡检机器人，随着控制技术及人工智能等技术的不断发展，出现了更加智能的巡检机器人，这些机器人能够进行简单的自我决策及实现巡检的自动化，在无特殊的情况下的可以安全、可靠的实现自动化巡检，智能巡检机器人能实现顶层的决策，进而控制顶层的气缸、液压和电机等动力原件的运动，达到所需要的运动。
将巡检机器人应用于高压线特别是超高压输电线路的巡检作业，不仅可以减轻工人的劳动强度，降低巡检作业费用，并且可以提高巡检作业质量和效率，是一种可替代原有巡检方法的切实可行的方案，因此高压输电线路巡检机器人具有强烈的市场需求和广阔的发展前景。因此多功能、多模态高压线路巡检机器人关键技术的研究及其系统开发研制成为电网发展的迫切需要。
基于仿生学原理建立爬滑复合模态巡检机器人模型如图1所示，使巡检机器人能够更好地适应复杂多样的工作环境，充分解决新疆地区天气恶劣，地势险峻，高压输电线路长度长等问题导致的人工巡检困难的现状；通过对复合模态高压巡线机器人的研制，解决恶劣环境下机器人运行的稳定性问题，将会把高压巡检机器人的巡检方式推向复杂环境下的多功能巡检，实现真正意义上的智能巡检。
现有的控制系统和控制方法如：PID控制、模糊PID控制、自适应PID控制、多层人造神经网络及其控制方法、自适应混合学习映射控制等等，但都是针对单个电机的精密控制，而爬滑复合模态巡检机器人由于本身具体结构的原因，电机之间具有很强的耦合性，仅仅通过独立性的电机控制很难达到稳定的控制结果，面对复杂的运行环境，对控制参数的调节也无法达到预定的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，包括重心调整控制模块、轨迹跟踪控制模块、全自动控制模块、遥控功能模块、故障检测模块、电机控制模块、外设控制模块和滑行控制模块；重心调整控制模块、轨迹跟踪控制模块、全自动控制模块、遥控功能模块、故障检测模块、电机控制模块、外设控制模块和滑行控制模块均与中央处理器CPU连接；由中央处理器CPU对各个模块传递的数据进行运算和逻辑处理，并将控制指令发送给各个模块。
进一步的，重心调整控制模块包括视觉和红外检测设备、工控机、时钟树、陀螺仪、IIC、CAN总线模块和电机；陀螺仪通过IIC连接中央处理器CPU，若干电机通过CAN总线模块连接中央处理器CPU；视觉和红外检测设备通过工控机连接中央处理器CPU；时钟树为外设配置时钟，陀螺仪检测机器人姿态，将姿态数据通过IIC传递给CPU，CPU通过CAN总线模块发送的控制指令，根据指令进行运动；电机本身的数据通过CAN总线模块反馈给CPU；重心调整控制模块的控制逻辑步骤如下：
步骤1：配置时钟树，时钟器每隔4ms产生中断，定时器flag置1；
步骤2：flag置1时，中央处理器CPU读取陀螺仪通过IIC发回巡检机器人整体姿态的数据，并对视觉和红外检测设备的数据进行处理，作为辅助判断数据；
步骤3：与步骤2同时进行，flag置1时，电机的编码器将电机的位置和速度信息通过CAN总线模块传递给中央处理器CPU；
步骤4：在步骤1和步骤2之后执行，flag置1时，中央处理器CPU对陀螺仪和电机编码器返回的数据进行处理，根据爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人机构模型，计算机器人的重心；
步骤5：中央处理器CPU根据步骤4重心的偏移情况，计算电机的控制参数，及控制量通过CAN总线模块发送给电机电机3和电机4，实现姿态的调整，定时器flag置0；
步骤6：程序开始重复步骤1～步骤5。
进一步的，轨迹跟踪控制模块包括时钟树、串口模块、直接内存访问模块DMA、脉冲宽度调制模块PWM、I/O口、CAN总线模块、视觉和红外检测设备、工控机、电机、舵机和光电门；视觉和红外检测设备用于检测高压输电线的状况及检测机器人的运行环境信息并将信息传递给工控机，工控机接收检测模块的数据，并对数据进行处理，将处理结果通过串口模块发送数据，数据并通过DMA存储在存储器中，中央处理器CPU读取存储器中的数据，并对数据进行处理运算，通过CAN总线模块控制电机运动，电机通过CAN总线模块将自身状态反馈给中央处理器CPU；中央处理器CPU通过脉冲宽度调制模块PWM控制舵机，通过I/O口读取光电门状态；轨迹跟踪控制模块主要应用于爬行越障时的实际运动轨迹对优化后的理想运动轨迹的跟踪控制，控制逻辑步骤如下：
步骤1：视觉和红外检测设备将视觉和红外等检测模块收集到的信息，发送给工控机；
步骤2：工控机根据检测模块收集到的信息进行处理分类，非突发情况则匹配对应数据库，输出对应的爬行越障的运动轨迹，若为突发情况则暂时挂起其他动力源的控制任务，等待工控机根据情况做出的决策，输出突发情况的运动轨迹，遇见无法决策发送爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人异常信号并挂机等待救助；
步骤3：工控机将爬行越障的运动轨迹，通过串口模块和直接内存访问模块DMA将优化的理想运动轨迹信息存储到固定存储器中，并将越障运动启动的cross_flag置1；
步骤4：cross_flag置1时，中央处理器CPU读取内存中的理想运动轨迹信息，并通过电机耦合控制方法生成对应的控制参数和控制量；
步骤5：中央处理器CPU通过脉冲宽度调制模块控制舵机旋转，松开机器人的机械自锁机构；
步骤:6：读取电机的编码器将电机的位置和速度信息通过CAN总线模块传递给中央处理器CPU；
步骤7：中央处理器CPU根据编码器信息和理想运动轨迹，通过电机耦合控制方法生成对应的控制参数和控制量；通过CAN总线模块发送给电机；
步骤8：重复步骤5和步骤6，中央处理器CPU通过I/O口读取光电门的状态，当光电门的I/O口置高时，通过脉冲宽度调制模块控制舵机旋转，完成机器人抓握的机械自锁；
步骤9：完成一个运动轨迹的跟踪，挂起相应的任务，等待下一个轨迹跟踪的任务。
进一步的，全自动控制模块包括巡检机器人整体控制逻辑和对伺服电机耦合控制方法；
全自动控制模块拥有两种控制模式：全自动控制模式和遥控操作模式，遥控操作模式用于前期调试程序，并且能够作为巡检机器人进入和离开全自动控制模式的可控起止点；控制模式的变量Control_Mode的数值，储存在固定存储器中；每次循环中都会读取Control_Mode的数值进行控制模式的识别，做出相应的控制；
全自动控制的各个模块均以任务的形式编写在主程序中，重心调整控制模块为task_adjust_gravity.c，轨迹跟踪控制模块为task_tracking.c，全自动控制模块为task_auto_control.c，遥控功能模块为task_remote.c，故障检测模块为task_detect.c，电机控制模块为task_motor.c，外设控制模块为task_external_device.c)，滑行控制模块为task_sliding.c；主要步骤如下：
步骤一：判断运行模态是滑行还是爬行，滑行则运行滑行控制模块task_sliding.c；
步骤二：爬行模式，则运行全自动控制模块task_auto_control.c；同时运行重心调整控制模块task_adjust_gravity.c，优先级31，轨迹跟踪控制模块task_tracking.c，遥控功能模块task_remote.c，优先级32，故障检测模块、task_detect.c，优先级30，电机控制模块task_motor.c，优先级29，外设控制模块task_external_device.c，优先级28，这些模块，CPU同时运行各个任务，优先级高的能够打断优先级低的任务，并在运行优先级高的任务后，接着运行优先级低的任务；有些任务中有中断操作的存在，其能够打断所有的任务，运行中断内容后，恢复原来的运行任务；
伺服电机耦合控制方法：
电机控制方法即电流环、速度环、位置环、功率环或视觉闭环方式来实现电机的伺服闭环控制；电机间的互相配合则是通过时钟树，对同一时刻的电机的位置，速度进行控制；引入了电机之间的影响因子β，不同的控制模型，电机间的影响因子也各不相同；
电机的每一个控制参数则是由其本身和其他电机共同决定的，每一个控制参数在某一时刻的控制参数由式计算：各个电机之间的影响系数由巡检机器人的运动学和动力学模型决定；
βi＝βiiΔMotori+β1iΔMotor1+β2iΔMotor2+…+β(n-1)iΔMotor(n-1)+βniΔMotorn
式中：
βi-电机i在时刻t的一个控制参数；
βij电机i在时刻t的对电机j的影响系数；
ΔMotori电机i在时刻t的误差。
进一步的，遥控功能模块包括时钟树、遥控器发射机、接收机和直接内存访问模块DMA；遥控器发射机通过无线传输向接收机发送信息，接收机通过直接内存访问模块DMA将接收到的信息存储到内存中；当中央处理器CPU查看控制模式时，读取存储器里的数据，做出相应的决策。
进一步的，故障检测模块包括时钟树、串口模块、直接内存访问模块DMA、视觉和红外检测设备和工控机；视觉和红外检测设备对周围的环境进行信息的收集，工控机对收集到的信息进行处理，将检测情况及控制有关的距离信息通过直接内存访问模块DMA，将数据信息存储到内存中，等待中央处理器CPU的读取调用。
进一步的，电机控制模块包括中央处理器CPU、时钟树、CAN总线模块和电机；中央处理器CPU根据返回的信息，做出决策，通过CAN总线每隔一时间段将控制信息发送给各个电机，电机所带的编码器将电机的速度，位置信息通过CAN总线反馈给中央处理器CPU，硬件电路将电机的电流信息等反馈给中央处理器CPU，中央处理器CPU综合反馈的信息做出下一个时间段的决策，发出控制信息，形成控制的多层闭环。
进一步的，外设控制模块包括中央处理器CPU、时钟树、脉冲宽度调制模块PWM、I/O口、舵机、电磁阀、LED和光电门；舵机是简单的动力外设元件，中央处理器CPU发送占空比的PWM波就能够实现对舵机的控制；中央处理器CPU通过对I/O口高低电平的设置就能够实现对电磁阀和LED的控制；中央处理器CPU通过读取光电门处I/O口的电平的高低，来读取信息，进而做出决策。
进一步的，滑行控制模块用于控制电机同步运动。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
(1)解决了耦合性强的电机的精确高效的控制问题。
(2)重心调整控制模块、轨迹跟踪控制模块、全自动控制模块这3个创新模块虽然是面向爬滑巡检机器人而设计的控制系统，但这3个控制系统模块具有通用性，也能用于其他的机器人的重心调控，轨迹跟踪和全自动控制，具有很强的普适性和应用性。
(3)该发明中设计的整体控制系统框架并没有列入到发明保护范围，但其也具有普适性和通用性，可用于其他机器人，作为其他机器人的控制系统的框架。
(4)解决了恶劣环境下机器人控制系统的稳定性问题。
(5)该控制系统用于高压巡检机器人的巡检，有利于复杂环境下的多功能巡检，实现真正意义上的智能巡检。
(6)该发明中提到的控制模块及控制系统具有普适性和通用性，也能应用于其他的机器人，推进机器人的控制系统及控制方法的发展。
附图说明
图1是爬滑多模态巡检机器人模型图；
图2是控制系统的整体框架图；
图3是巡检机器人的整体控制逻辑图；
图4重心调整控制模块
图5轨迹跟踪控制模块
图6a-图6b是实时操作系统的运行逻辑图；
图7是电机耦合控制模型图；
图8是遥控模块框架图；
图9是故障检测模块框架图；
图10是电机控制模块框架图；
图11是外设控制框架图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
控制系统整体结构如图3所示，主要包括：重心调整控制模块如图4所示、轨迹跟踪控制模块如图5所示、全自动控制模块即整个控制系统如图2所示、等3个创新模块，此外还有遥控功能模块、故障检测模块、电机控制模块、外设控制模块、滑行控制模块等5个基础功能模块。8个模块主要由中央处理器，时钟树，串口模块USART中；其余串口主要用来接收其他外设传输的数据并通过DMA存储在存储器中)，遥控器发射机)，接收机发送的数据并通过串口模块存储到存储器中)，直接内存访问模块传递出的数据存储到存储器中)，陀螺仪传递给CPU)，IIC的数据传递给CPU)，脉冲宽度调制模块PWM等外设作为控制指令)，I/O口通过I/O口控制电磁阀，LED等外设，还可通过读取I/O口的状态来判断光电门的状态)，CAN总线模块与CPU之间的通讯)，检测模块)，工控机的数据，并对数据进行处理，将处理结果通过串口模块发送出去))，电机通过CAN总线模块发送的控制指令，根据指令进行运动。并将电机本身的数据通过CAN总线模块反馈给CPU)，舵机的指令进行运动)，电磁阀数据进行电磁阀的控制)，LED数据进行开关的控制)，光电门传递给CPU)组成。其中，爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人共有8个带有编码器的电机，电机1和电机2是滑行时的动力源；电机3和电机4是爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人进行姿态调整的动力源；电机5～电机8是爬行过程中的动力源，实现机器人的爬行运动。
重心调整控制模块主要由时钟树，陀螺仪，IIC，CAN总线模块，电机，组成。其中，爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人共有8个带有编码器的电机，电机1和电机2是滑行时的动力源；电机3和电机4是爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人进行姿态调整的动力源；电机5～电机8是爬行过程中的动力源，实现机器人的爬行运动。
一、3个创新模块
重心调整控制模块，时钟树为外设配置时钟，陀螺仪检测机器人姿态，将姿态数据通过IIC传递给CPU，CPU通过CAN总线模块发送的控制指令，根据指令进行运动。电机本身的数据通过CAN总线模块反馈给CPU。重心调整控制模块的控制逻辑步骤如下：
重心调整控制模块的控制逻辑步骤如下：
步骤1：配置时钟树，时钟器，每隔4ms，产生中断，定时器flag置1。
步骤2：flag置1时，中央处理器读取陀螺仪通过IIC发回巡检机器人整体姿态的数据，并对视觉和红外等检测设备的数据进行处理，作为辅助判断数据；
步骤3：与步骤2同时进行，flag置1时，电机3～电机8的编码器将电机的位置和速度信息通过1CAN总线模块传递给中央处理器；
步骤4：在步骤1和步骤2之后执行，flag置1时，中央处理器对陀螺仪和电机编码器返回的数据进行处理，根据爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人机构模型，计算机器人的重心。
步骤5：中央处理器，根据步骤4重心的偏移情况，计算电机3和电机4控制参数，及控制量通过CAN总线模块发送给电机电机3和电机4。实现姿态的调整，定时器flag置0。
步骤6：程序开始重复步骤1～步骤5。
轨迹跟踪控制模块主要由中央处理器，时钟树，串口模块，直接内存访问模块，脉冲宽度调制模块，I/O口，CAN总线模块，检测模块，工控机，电机，舵机，光电门组成。检测模块用于检测高压输电线的状况及检测机器人的运行环境信息并将信息传递给工控机)，工控机接收检测模块的数据，并对数据进行处理，将处理结果通过串口模块发送数据，数据并通过DMA存储在存储器中，CPU读取存储器中的数据，并对数据进行处理运算，通过CAN总线模块控制电机运动，电机通过CAN总线模块将自身状态反馈给CPU，通过脉冲宽度调制模块PWM控制舵机，通过I/O口读取光电门状态，轨迹跟踪控制模块主要应用于爬行越障时的实际运动轨迹对优化后的理想运动轨迹的跟踪控制，控制逻辑步骤如下：
步骤1：检测模块将视觉和红外等检测模块收集到的信息，发送给工控机。
步骤2：工控机根据检测模块收集到的信息进行处理分类，非突发情况则匹配对应数据库，输出对应的爬行越障的运动轨迹，若为突发情况则暂时挂起其他动力源的控制任务，等待工控机根据情况做出的决策，输出突发情况的运动轨迹，遇见无法决策发送爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人异常信号并挂机等待救助。
步骤3：工控机将爬行越障的运动轨迹，通过串口模块和直接内存访问模块将优化的理想运动轨迹信息存储到固定存储器中，并将越障运动启动的cross_flag置1。
步骤4：cross_flag置1时，中央处理器读取内存中的理想运动轨迹信息，并通过电机耦合控制方法会对耦合控制方法做出说明)生成对应的控制参数和控制量；
步骤5：中央处理器通过脉冲宽度调制模块控制手爪处舵机旋转，松开机械自锁机构。
步骤:6：读取电机5～电机8的编码器将电机的位置和速度信息通过CAN总线模块传递给中央处理器；
步骤7：中央处理器根据编码器信息和理想运动轨迹，通过电机耦合控制方法会对耦合控制方法做出说明)生成对应的控制参数和控制量；通过CAN总线模块发送给电机电机5～电机8。
步骤8：重复步骤5和步骤6，中央处理器通过I/O口读取光电门的状态，当光电门的I/O口置高时，通过脉冲宽度调制模块控制手爪处舵机旋转，完成抓握的机械自锁。
步骤9：完成一个运动轨迹的跟踪，挂起相应的任务，等待下一个轨迹跟踪的任务。
全自动控制模块
主要是对整个爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人整体控制逻辑的设计，并对伺服电机耦合控制方法进行说明。
巡检机器人的整体控制逻辑如图3所示，全自动控制系统拥有2种控制模式：全自动控制模式和遥控操作模式，遥控操作模式是为了前期调试程序而存在，并且可以作为巡检机器人进入和离开全自动控制模式的可控起止点。控制模式的变量Control_Mode的数值，储存在某一固定存储器中。每次循环中都会读取Control_Mode的数值进行控制模式的识别，做出相应的控制。控制模式的部分代码如下：
控制主程序是在实时操作系统编写，我们可以把要实现的功能划分为多个任务，每个任务负责实现其中的一部分，每个任务都是一个很简单的程序，通常是一个死循环。实时操作系统的内核负责管理所有的任务，内核决定了运行哪个任务，何时停止当前任务切换到其他任务，这个是内核的多任务管理能力。
全自动控制的各个模块均以任务的形式编写在主程序中，重心调整控制模块，轨迹跟踪控制模块，全自动控制模块，遥控功能模块，故障检测模块(task_detect.c)，电机控制模块(task_motor.c)，外设控制模块(task_external_device.c)，滑行控制模块(task_sliding.c)。
步骤一：判断运行模态，滑行则运行滑行控制模块(task_sliding.c)。
步骤二：爬行模式，则运行全自动控制模块；同时运行重心调整控制模块，轨迹跟踪控制模块，遥控功能模块，故障检测模块(task_detect.c)，电机控制模块(task_motor.c)，外设控制模块(task_external_device.c)这些模块，CPU同时运行各个任务，优先级高的能够打断优先级低的任务，并在运行优先级高的任务后，接着运行优先级低的任务。有些任务中有中断操作的存在，其能够打断所有的任务，运行中断内容后，恢复原来的运行任务。各个任务运行原理如图6所示。
伺服电机耦合控制方法：
常用的电机控制方法即电流环、速度环、位置环、功率环和视觉闭环等等方式来实现电机的伺服闭环控制。电机间的互相配合则是通过时钟树，对同一时刻的电机的位置，速度进行控制；本发明的控制算法更加的智能，引入了电机之间的影响因子β，不同的控制模型，电机间的影响因子也各不相同，电机之间的耦合模型如图7所示。
电机的每一个控制参数则是由其本身和其他电机共同决定的，整个巡检机器人是一个复杂的控制系统，不同电机之间是耦合的，仅仅通过单个电机的多环的伺服控制很难实现复杂的运动的实现，但耦合的控制方法能够使得电机之间的耦合更贴近实际的运动学和动力学模型。每一个控制参数在某一时刻的控制参数由式计算：各个电机之间的影响系数由巡检机器人的运动学和动力学模型决定。
βi＝βiiΔMotori+β1iΔMotor1+β2iΔMotor2+…+β(n-1)iΔMotor(n-1)+βniΔMotorn
式中：
βi-电机i在时刻t的一个控制参数；
βij电机i在时刻t的对电机j的影响系数；
ΔMotori电机i在时刻t的误差；
二、5个基础模块
各基本模块的工作原理如下：
遥控功能模块如图8所示：主要由时钟树，遥控器发射机，接收机，直接内存访问模块组成。遥控器发射机通过一定频率的无线传输，向接收机发送信息，通过直接内存访问模块将接收到的信息，以一定的格式存储到内存中。当CPU需要查看控制模式时，可以主动读取存储器里的数据，做出相应的决策。
故障检测模块如图9所示：主要由时钟树，串口模块，直接内存访问模块，检测模块，工控机组成。检测模块对周围的环境进行信息的收集，工控机对收集到的信息进行处理，将检测情况及控制有关的距离等信息通过直接内存访问模块，将数据信息存储到内存中，等待中央处理器的读取调用。
电机控制模块如图10所示：主要由中央处理器，时钟树，CAN总线模块，电机组成。中央处理器根据返回的信息，做出决策，通过CAN总线每隔一定的时间将控制信息发送给各个电机，电机所带的编码器将电机的速度，位置信息通过CAN总线反馈给中央处理器，硬件电路将电机的电流信息等反馈给中央处理器，故障检测模块也会反馈给中央处理器一些相关信息，中央处理器综合反馈的信息做出下一个时间段的决策，发出控制信息，形成控制的多层闭环。
外设控制模块如图11所示：主要由中央处理器，时钟树，脉冲宽度调制模块，I/O口，舵机，电磁阀，LED，光电门等外设组成。舵机是简单的动力外设元件，中央处理器发送一定占空比的PWM波就能够实现对舵机的控制。中央处理器通过对I/O口高低电平的设置就能够实现对电磁阀，LED等外设的控制，光电门等外设则是为了实现对巡检机器人某些部位的检测，实现对机器人的保护。中央处理器通过读取光电门处I/O口的电平的高低，来读取信息，进而做出相应的决策。
滑行控制模块：滑行控制逻辑比较简单，控制电机1和电机2的同步运动，及停靠位置的准确性，滑行控制模块主要外设控制模块的程序，这里不在缀述。
为便于理解控制系统和方法对时钟、直接内存访问模块和CAN总线做简单说明：
首先，对时钟树做简单介绍，可以使用三种不同的时钟源来驱动系统时钟(SYSCLK)：HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟和主PLL(PLL)时钟。时钟控制器为应用带来了高度的灵活性，用户在运行内核和外设时可选择使用外部晶振或者使用振荡器，既可采用最高的频率，也可为以太网、USB OTG FS以及HS、I2S和SDIO等需要特定时钟的外设保证合适的频率。
1)HSI时钟信号由内部16MHz RC振荡器生成，可直接用作系统时钟，或者用作PLL输入。HSI RC振荡器的优点是成本较低。此外，其启动速度也要比HSE晶振块，但即使校准后，其精度也不及外部晶振或陶瓷谐振器。
2)高速外部时钟信号(HSE)有2个时钟源：HSE外部晶振/陶瓷谐振器和HSE外部用户时钟。谐振器和负载电容必须尽可能地靠近振荡器的引脚，以尽量减小输出失真和起振稳定时间。负载电容值必须根据所选振荡器的不同做适当调整。
3)HSI时钟信号由内部16MHz RC振荡器生成，可直接用作系统时钟，或者用作PLL输入。HSI RC振荡器的优点是成本较低。此外，其启动速度也要比HSE晶振块，但即使校准后，其精度也不及外部晶振或陶瓷谐振器。
其次，对直接内存访问模块的原理进行说明，。直接存储器访问用于在外设与存储器之间以及存储器与存储器之间提供高速数据传输。可以在无需任何CPU操作的情况下通过DMA快速移动数据。这样节省的CPU资源可供其它操作使用。DMA控制器基于复杂的总线矩阵架构，将功能强大的双AHB主总线架构与独立的FIFO结合在一起，优化了系统带宽。两个DMA控制器总共有16个数据流，每一个DMA控制器都用于管理一个或多个外设的存储器访问请求。每个数据流总共可以有多达8个通道。每个通道都有一个仲裁器，用于处理DMA请求间的优先级。
接着，对CAN的原理进行阐述，基本扩展CAN外设又称bxCAN，可与CAN网络进行交互。该外设支持2.0A和B版本的CAN协议，旨在以最少的CPU负载高效管理大量的传入消息，并可按需要的优先级实现消息发送。在攸关安全性的应用中，CAN控制器提供所有必要的硬件功能来支持CAN时间触发通信方案。
Claims (9)
1.一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，包括重心调整控制模块、轨迹跟踪控制模块、全自动控制模块、遥控功能模块、故障检测模块、电机控制模块、外设控制模块和滑行控制模块；重心调整控制模块、轨迹跟踪控制模块、全自动控制模块、遥控功能模块、故障检测模块、电机控制模块、外设控制模块和滑行控制模块均与中央处理器CPU连接；由中央处理器CPU对各个模块传递的数据进行运算和逻辑处理，并将控制指令发送给各个模块。
2.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，重心调整控制模块包括视觉和红外检测设备、工控机、时钟树、陀螺仪、IIC、CAN总线模块和电机；陀螺仪通过IIC连接中央处理器CPU，若干电机通过CAN总线模块连接中央处理器CPU；视觉和红外检测设备通过工控机连接中央处理器CPU；时钟树为外设配置时钟，陀螺仪检测机器人姿态，将姿态数据通过IIC传递给CPU，CPU通过CAN总线模块发送的控制指令，根据指令进行运动；电机本身的数据通过CAN总线模块反馈给CPU；重心调整控制模块的控制逻辑步骤如下：
步骤1：配置时钟树，时钟器每隔4ms产生中断，定时器flag置1；
步骤2：flag置1时，中央处理器CPU读取陀螺仪通过IIC发回巡检机器人整体姿态的数据，并对视觉和红外检测设备的数据进行处理，作为辅助判断数据；
步骤3：与步骤2同时进行，flag置1时，电机的编码器将电机的位置和速度信息通过CAN总线模块传递给中央处理器CPU；
步骤4：在步骤1和步骤2之后执行，flag置1时，中央处理器CPU对陀螺仪和电机编码器返回的数据进行处理，根据爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人机构模型，计算机器人的重心；
步骤5：中央处理器CPU根据步骤4重心的偏移情况，计算电机的控制参数，及控制量通过CAN总线模块发送给电机电机3和电机4，实现姿态的调整，定时器flag置0；
步骤6：程序开始重复步骤1～步骤5。
3.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，轨迹跟踪控制模块包括时钟树、串口模块、直接内存访问模块DMA、脉冲宽度调制模块PWM、I/O口、CAN总线模块、视觉和红外检测设备、工控机、电机、舵机和光电门；视觉和红外检测设备用于检测高压输电线的状况及检测机器人的运行环境信息并将信息传递给工控机，工控机接收检测模块的数据，并对数据进行处理，将处理结果通过串口模块发送数据，数据并通过DMA存储在存储器中，中央处理器CPU读取存储器中的数据，并对数据进行处理运算，通过CAN总线模块控制电机运动，电机通过CAN总线模块将自身状态反馈给中央处理器CPU；中央处理器CPU通过脉冲宽度调制模块PWM控制舵机，通过I/O口读取光电门状态；轨迹跟踪控制模块主要应用于爬行越障时的实际运动轨迹对优化后的理想运动轨迹的跟踪控制，控制逻辑步骤如下：
步骤1：视觉和红外检测设备将视觉和红外等检测模块收集到的信息，发送给工控机；
步骤2：工控机根据检测模块收集到的信息进行处理分类，非突发情况则匹配对应数据库，输出对应的爬行越障的运动轨迹，若为突发情况则暂时挂起其他动力源的控制任务，等待工控机根据情况做出的决策，输出突发情况的运动轨迹，遇见无法决策发送爬滑两运动模态高压输电线巡检机器人异常信号并挂机等待救助；
步骤3：工控机将爬行越障的运动轨迹，通过串口模块和直接内存访问模块DMA将优化的理想运动轨迹信息存储到固定存储器中，并将越障运动启动的cross_flag置1；
步骤4：cross_flag置1时，中央处理器CPU读取内存中的理想运动轨迹信息，并通过电机耦合控制方法生成对应的控制参数和控制量；
步骤5：中央处理器CPU通过脉冲宽度调制模块控制舵机旋转，松开机器人的机械自锁机构；
步骤:6：读取电机的编码器将电机的位置和速度信息通过CAN总线模块传递给中央处理器CPU；
步骤7：中央处理器CPU根据编码器信息和理想运动轨迹，通过电机耦合控制方法生成对应的控制参数和控制量；通过CAN总线模块发送给电机；
步骤8：重复步骤5和步骤6，中央处理器CPU通过I/O口读取光电门的状态，当光电门的I/O口置高时，通过脉冲宽度调制模块控制舵机旋转，完成机器人抓握的机械自锁；
步骤9：完成一个运动轨迹的跟踪，挂起相应的任务，等待下一个轨迹跟踪的任务。
4.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，全自动控制模块包括巡检机器人整体控制逻辑和对伺服电机耦合控制方法；
全自动控制模块拥有两种控制模式：全自动控制模式和遥控操作模式，遥控操作模式用于前期调试程序，并且能够作为巡检机器人进入和离开全自动控制模式的可控起止点；控制模式的变量Control_Mode的数值，储存在固定存储器中；每次循环中都会读取Control_Mode的数值进行控制模式的识别，做出相应的控制；
全自动控制的各个模块均以任务的形式编写在主程序中，重心调整控制模块为task_adjust_gravity.c，轨迹跟踪控制模块为task_tracking.c，全自动控制模块为task_auto_control.c，遥控功能模块为task_remote.c，故障检测模块为task_detect.c，电机控制模块为task_motor.c，外设控制模块为task_external_device.c)，滑行控制模块为task_sliding.c；主要步骤如下：
步骤一：判断运行模态是滑行还是爬行，滑行则运行滑行控制模块task_sliding.c；
步骤二：爬行模式，则运行全自动控制模块task_auto_control.c；同时运行重心调整控制模块task_adjust_gravity.c，优先级31，轨迹跟踪控制模块task_tracking.c，遥控功能模块task_remote.c，优先级32，故障检测模块、task_detect.c，优先级30，电机控制模块task_motor.c，优先级29，外设控制模块task_external_device.c，优先级28，这些模块，CPU同时运行各个任务，优先级高的能够打断优先级低的任务，并在运行优先级高的任务后，接着运行优先级低的任务；有些任务中有中断操作的存在，其能够打断所有的任务，运行中断内容后，恢复原来的运行任务；
伺服电机耦合控制方法：
电机控制方法即电流环、速度环、位置环、功率环或视觉闭环方式来实现电机的伺服闭环控制；电机间的互相配合则是通过时钟树，对同一时刻的电机的位置，速度进行控制；引入了电机之间的影响因子β，不同的控制模型，电机间的影响因子也各不相同；
电机的每一个控制参数则是由其本身和其他电机共同决定的，每一个控制参数在某一时刻的控制参数由式计算：各个电机之间的影响系数由巡检机器人的运动学和动力学模型决定；
βi＝βiiΔMotori+β1iΔMotor1+β2iΔMotor2+…+β(n-1)iΔMotor(n-1)+βniΔMotorn
式中：
βi电机i在时刻t的一个控制参数；
βij-电机i在时刻t的对电机j的影响系数；
ΔMotori电机i在时刻t的误差。
5.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，遥控功能模块包括时钟树、遥控器发射机、接收机和直接内存访问模块DMA；遥控器发射机通过无线传输向接收机发送信息，接收机通过直接内存访问模块DMA将接收到的信息存储到内存中；当中央处理器CPU查看控制模式时，读取存储器里的数据，做出相应的决策。
6.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，故障检测模块包括时钟树、串口模块、直接内存访问模块DMA、视觉和红外检测设备和工控机；视觉和红外检测设备对周围的环境进行信息的收集，工控机对收集到的信息进行处理，将检测情况及控制有关的距离信息通过直接内存访问模块DMA，将数据信息存储到内存中，等待中央处理器CPU的读取调用。
7.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，电机控制模块包括中央处理器CPU、时钟树、CAN总线模块和电机；中央处理器CPU根据返回的信息，做出决策，通过CAN总线每隔一时间段将控制信息发送给各个电机，电机所带的编码器将电机的速度，位置信息通过CAN总线反馈给中央处理器CPU，硬件电路将电机的电流信息等反馈给中央处理器CPU，中央处理器CPU综合反馈的信息做出下一个时间段的决策，发出控制信息，形成控制的多层闭环。
8.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，外设控制模块包括中央处理器CPU、时钟树、脉冲宽度调制模块PWM、I/O口、舵机、电磁阀、LED和光电门；舵机是简单的动力外设元件，中央处理器CPU发送占空比的PWM波就能够实现对舵机的控制；中央处理器CPU通过对I/O口高低电平的设置就能够实现对电磁阀和LED的控制；中央处理器CPU通过读取光电门处I/O口的电平的高低，来读取信息，进而做出决策。
9.根据权利要求1所述的一种输电线巡检机器人的全自动耦合控制系统，其特征在于，滑行控制模块用于控制电机同步运动。
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