一种轻型轨道机器人四驱运动控制系统及其方法与流程

本发明涉及电力隧道机器人监控技术领域，尤其涉及一种轻型轨道机器人四驱优化控制系统及其方法。

背景技术：

随着电缆在城市电网的广泛应用，电力隧道成为电缆敷设的主要通道之一。

电力电缆隧道一般空间比较狭小，而且地面不平，内部施工地面容易出现障碍物，不利于地面机器人应用。悬挂机器人比较适合隧道空间应用，但是国内的电力隧道质量等等不一，需要充分考虑轨道重量及巡检机器人行走的震动冲击对电力隧道造成的潜在威胁进行评估。目前国内电力电缆隧道经常存在纵横交错的情况，单一或环形轨道巡检机器人无法适应地形相对复杂的电缆隧道，而通常这些复杂的电缆隧道都是需要特别关注的。

目前已经存在的电力隧道在轨巡检机器人，为单驱巡检机器人，能够实现电力隧道内的设备巡检，但是这种单驱吊轨电力巡检机器人通常带载能力不强，如果要增强带载能力必然要增加机械强度增加机械复杂度，而且容易出现重心不稳，驱动力不均衡，易出现驱动轮打滑动力丢失；常规伺服电机转速很高需要配备合适的减速机提升带载扭矩，通常减速机效率较低一般不超过80％，而且系统通常不具备电机刹车能量回收功能。而在狭小的隧道内吊轨上根本无法使用常规的汽车差速器4驱方式。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，本发明提供一种轻型轨道机器人四驱运动控制系统及其方法，该系统及方法采用四路独立步进伺服电机驱动在轨4个小轮，不仅解决了驱动力不均衡，中心不稳，驱动力不足、机械结构复杂等问题，而且解决常规隧道巡检机器人能效利用率低等问题，极大提升了在轨机器人的巡航距离。使巡检机器人能够适应各种(坡度小于35°)复杂隧道吊轨路况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轻型轨道机器人四驱运动控制系统，包括：中央控制单元、动力能量管理单元、运动驱动单元以及外围传感辅助单元；所述中央控制单元与动力能量管理单元、运动驱动单元和外围传感辅助单元分别通信；

所述中央控制单元控制运动驱动单元和动力能量管理单元，同时接收外围传感辅助单元的反馈信息，实时调整运动驱动单元的控制参数，实现系统安全平稳运行；中央控制单元根据动力能量管理单元的电量控制与反馈，合理调整运动驱动单元的负载平衡；

所述运动驱动单元包括驱动管理器以及与驱动管理器分别连接的步进伺服电机、制动控制部件以及机械驱动轮；所述驱动管理器接收中央控制单元的控制指令，同时参照实时轨道位置反馈信息，对步进伺服电机进行统一驱动管理，对弯道坡道进行软件差速补偿或扭矩补偿。

进一步地，所述步进伺服电机直接通过连轴器与机械驱动轮连接，完全通过驱动管理器进行调速；

驱动管理器接收到中央控制单元的制动指令后，根据当前机器人运行速度与质量及刹车紧急程度，分析所需要的制动力矩F1，如果电机再生电量产生的制动力矩F2>F1，则不需要机械驱动轮的机械制动器，否则需要启动机械驱动轮的机械制动器进行辅助刹车。

进一步地，所述中央控制单元包括：CPU中央处理器以及与CPU中央处理器分别连接的网络通信模块、总线控制器、信号处理模块和故障防护模块。

进一步地，所述动力能量管理单元包括电源管理模块、电池模组、受控制动能量回收模块以及法拉电容快速能量吸收模组；

所述电源管理模块、受控制动能量回收模块以及法拉电容依次串联连接，所述电源管理模块和法拉电容分别与电池模组连接。

进一步地，所述电源管理模块接收中央控制单元的指令，管理受控制动能量回收模块，启动能量回收保护，将电机制动产生的反向电流由法拉电容快速能量吸收模组吸收，之后再将回收的电能回馈到电池模组中，避免紧急刹车能量以摩擦力发热的形式流失。

进一步地，所述外围传感辅助单元包括信号接口以及分别与信号接口连接的定位传感器、激光安全雷达、电机运行状态反馈信号、电源安全传感器和运行故障信号；所述信号接口与中央控制单元连接。

一种如权利要求1所述的轻型轨道机器人四驱运动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)设备上电自检，自检通过后进入下一步参数初始化阶段；自检超时后重新开始自检，若多次自检失败进入停止告警状态；

(2)电机运动参数初始化，参数初始化后电机处于工作就绪状态；

(3)等待中央控制单元控制运动驱动单元，驱动步进伺服电机运转；

(5)中央控制单元进行广播启/停控制实现四个电机指令同步及运动同步，运行过程中如需要刹车，进行制动控制启动能量回收；

(6)实时电机状态监测：实时监测每个电机的工作温度、工作电压、工作电流、电机轴的转速、电机输出扭矩以及电机位置反馈信息；

分析每个电机的工作电流、输出扭矩、电机转速，确定机器人在运行过程中是否有某个电机运动打滑或某个电机负载过重；分析每个电机输出位置、输出转速和输出扭矩，判定是否到达设定目标；

(7)电机驱动参数调整：运转过程中出现某个电机打滑，随时调整该电机和其他电机的转速及输出扭矩，保证机器人平衡稳定运行；

(8)电机故障处理：实时检测电机故障标志，提取电机故障码，根据故障码对电机故障类型进行判定；若为可修复故障，则中央控制单元对故障电机初始化，清除故障；若为不可修复故障，则中央控制单元发出停机指令，同时上报故障信息；

(9)停机控制：正常停止时，采用扭矩有效电机和速度有效电机的增量位置信息调整机器人位置及里程，到达设定的位置后，中央控制单元控制机器人停止运动；

故障停止时，机器人自动控制停止。

进一步地，进行制动控制启动能量回收的具体过程为：

(1)启动制动，由于安全需要或工作巡检需要紧急刹车；

(2)制动扭矩判断，驱动管理器判定电机能量回收制动扭矩F1是否大于停车需要扭矩F2，若F1>F2不需要启动机械制动，否则需要启动机械制动进行刹车辅助；

(3)切断电机动力电源，保持电机逻辑供电，电机处于发电状态；

(4)制动能量回收控制器，对电机反向产生的能量进行电压控制，对法拉电容进行快充；

(5)制动能量回收完毕，将法拉电容电量回馈到电池中，提高能效利用率。

本发明的有益效果：

通过本发明的实施，可以实现电力隧道内轻型轨道机器人四个独立步进伺服电机的驱动，通过对电机转矩补偿和差速补偿，以最佳能效比，实现四轮运转同步，解决单驱在轨运动重心不稳，驱动力不足、坡道驱动轮打滑，增加减速机后运动噪音大等问题；

同时本系统更佳节省功耗，因为没有采用常规减速机构而使用直驱模式，避免了机械摩擦导致的能量损失，同时具备电机刹车功能，带有能量回收装置，进一步降低了系统能耗，提升电池巡航能力。

附图说明

图1为本发明系统架构框图；

图2为本发明中央控制单元结构示意图；

图3为本发明动力能量管理单元结构示意图；

图4为本发明外围传感辅助单元结构示意图；

图5是本发明四驱运动控制流程框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种轻型轨道机器人四驱运动控制系统，由中央控制单元、动力能量管理单元、运动驱动单元、外围传感辅助单元四部分组成。

中央控制单元是系统的核心，管理控制运动驱动单元和动力能量管理单元，同时接收外围传感辅助单元的反馈信息，实时调整运动驱动单元控制参数，实现系统安全平稳运行；中央控制单元根据动力能量管理单元电量控制与反馈，合理调整运动驱动单元负载平衡。

中央控制单元结构如图2所示，包括CPU中央处理器以及与CPU中央处理器分别连接的网络通信模块、总线控制器、信号处理模块和故障防护模块。

CPU中央处理器负责业务系统数据处理、逻辑运算，统一调度总线控制器、网络通信模块、接口信号处理模块协同工作；同时接收故障防护模块的异步数据，进行异常应急处理。

网络通信模块主要负责与远端人机控制接口通信，网络通信模块支持有线与无线两种通信方式，通过多种通信方式实现与远端人机管理平台的稳定通信。

总线控制器连接运动驱动单元与CPU中央处理器，用于接收CPU中央处理器的控制指令传送给运动驱动单元的驱动管理器，同时，将4组步进伺服电机的状态信息反馈给CPU中央处理器。

信号处理模块，主要通过信号接口对底层物理链路所挂载的传感器(定位传感器、激光雷达等设备)产生的电信号(如I/O电平、I/O边沿、RS232、RS485、A/D等信号)进行采集分类解析汇总，形成CPU能够处理的信息，CPU对信息进行响应并下达控制指令，完成机器人感知与控制。

机器人上带有很多传感器和控制器，通过信号处理模块将信息传递给CPU，但运行过程中也会产生很多告警信息甚至故障信息，此类信息在故障防护模块中进行分类处理，完成容错甚至宕机处理。

动力能量管理单元结构如图3所示，包括:电源管理模块、Li电池模组、受控制动能量回收模块以及由法拉电容组成的快速能量吸收模组。

受控制动能量回收模块为可被管理控制的能量回收装置，回收电机制动能量，提供给法拉电容快速能量吸收模组。

电源管理模块，简称PMS，是动力能量管理单元的核心，接收CPU中央处理器指令，管理受控制动能量回收模块，启动能量回收保护，将电机制动产生的反向电流由法拉电容快速能量吸收模组迅速吸收，之后由法拉电容再将回收的电能回馈到Li电池模组中，避免紧急刹车能量以摩擦力发热的形式流失，提高系统能效利用率，延长巡检机器人的巡航里程。

运动驱动单元，包括：驱动管理器、4组步进伺服电机、制动控制部件以及电机制动与机械制动的机械驱动轮，该驱动轮是机器人实际沿轨道行走的4个金属包胶轮子，是承重轮也驱动轮，电机输出轴直接通过联轴器驱动轮子运转。

驱动管理器是本运动控制部分核心，负责管理步进伺服电机与电机制动部分，它通过总线控制器接收CPU中央处理器控制指令，同时参照实时轨道位置反馈信息，对4组步进伺服电机进行统一驱动管理：CPU发出运动指令包含运动目标运动速度，总线控制器对CPU指令进行解析转译形成4组控制指令参数分别发送给每个步进伺服电机，步进伺服电机接收指令并作出回馈，总线控制器将四组应答信息汇总通知CPU电机准备就绪，CPU通知总线控制器启动运动或停止，总线控制器广播控制指令，并分时接收步进伺服电机控制响应，通知CPU作出指令调整。

同时，驱动管理器接收CPU中央处理器控制指令，对弯道坡道进行软件差速补偿或扭矩补偿：当出现一对或两对电机扭矩突然调整时，通常发生在转弯时，机器人轨道一边电机扭矩变大而另一边电机扭矩变小，根据轨道转弯半径参数(机器人有定位传感器知道当前所在位置，通过转弯半径机器人可以计算出左右两轮的正常的转速比)及电机扭力速度反馈进行PID调整——降低扭矩变大电机的转速，平衡机器人四轮输出扭矩。

通过差速补偿或扭矩补偿避免没有物理差速器导致在弯轨运动导致甩尾(靠轨道与限位轮硬挤压通过弯轨)或坡道爬坡动力不足，合理分配动力资源，实现机器人在轨平稳运行。

步进伺服电机不通过减速机直接通过连轴器与机械驱动轮连接，完全通过驱动管理器进行调速，避免了能效损失与噪音的产生。驱动管理器接收到CPU中央处理器制动指令后，驱动管理根据当前机器人运行速度与质量及刹车紧急程度，分析所需要的制动力矩F1，如果电机再生电量产生的制动力矩F2>F1,则不需要机械制动器，否则需要启动机械制动器进行辅助刹车。

外围传感辅助单元结构如图4所示，包括：信号接口、定位传感器、激光安全雷达、电机运行状态反馈信号、电源安全传感器以及运行故障信号。

信号接口负责收集传感器信号，并对可以交互的传感器下发控制信号，定位传感器(条码扫描仪、RFID定位传感器)实现巡检机器人在轨位置反馈，为特殊轨道位置提供差速调整参考，使系统运行更加平稳。激光安全雷达保证机器人与现场人员安全，提供紧急刹车信号依据；实时电机运行状态反馈为电机驱动管理器提供4驱电机调整参考依据；电源安全传感器监视Li电池充放安全及机器人制动时能量回收安全；机器人巡检过程中接收突发异常运行故障信号，通过信号处理接口直接转发给故障防护模块，故障防护模块以中断的方式通知CPU中央处理器优先处理故障信息。

本发明公开了一种轻型轨道机器人四驱运动控制方法，如图5所示，包括如下步骤：

(1)设备上电自检，自检通过后进入下一步参数初始化阶段；自检超时后重新开始自检，若多次自检失败进入停止告警状态；

(2)电机运动参数初始化，参数初始化后电机处于工作就绪状态；

(3)等待中央控制单元控制运动驱动单元，驱动步进伺服电机运转；

(5)总线控制器进行广播启/停控制实现四个电机的指令同步及运动同步，运行过程中需要刹车，启动制动控制能量回收；

制动控制能量回收具体过程为：

1)启动制动，由于安全需要或工作巡检需要紧急刹车。

2)制动扭矩判断，驱动管理器判定电机能量回收制动扭矩F1是否大于停车需要扭矩F2，

3)若F1>F2不需要启动机械制动，否则需要启动机械制动进行刹车辅助。

4)切断电机动力电源，保持电机逻辑供电，电机处于发电状态。

5)制动能量回收控制器，对电机反向产生的能量进行电压控制(防止损坏快速储能电容器)，对法拉电容进行快充。

6)制动能量回收完毕，将法拉电容电量回馈到电池中，提高能效利用率。

(6)实时电机状态监测，具体包括：每个电机的工作温度、工作电压、工作电流、电机轴的转速、电机输出扭矩、电机位置反馈等信息；

运动过程中对信号进行实时处理，包括：分析每个电机的工作电流、输出扭矩、电机转速，可以得知机器人在运行过程中是否有某个电机运动打滑或某个电机负载过重，分析每个电机输出位置、输出转速和输出扭矩，判定是否到达设定目标。

(7)某个或全部电机驱动参数调整：运转过程中出现某个电机打滑(扭矩突然变小或降为0)，需要随时调整该电机和其他电机的转速及输出扭矩；如当出现一对或两对电机扭矩突然调整时，通常发生在转弯时，一边电机扭矩变大一边电机扭矩变小，根据轨道定位降低扭矩变大电机的转速；平衡机器人运行稳定。

(8)电机故障处理：检测电机故障标志，提取电机故障吗，根据故障码对电机进行故障判定，是否为不可修复故障，若通信过载、电机锁定、指令操作等可自动修复错误，CPU控制总线控制器停止某个故障电机，清除故障码，复位该电机，重新初始化电机，该电机无故障标志，恢复正常工作流程，若出现电机硬件故障、系统供电导致电机电压过低或总线中断，必须CPU必须做出停止指令，上报平台等待人工检修。

(9)停机控制：正常停止，采用扭矩有效(非打滑电机)和速度有效(非堵转电机)的增量位置信息调整机器人位置及里程，到达设定的位置后，CPU控制停止运动；故障停止，产生不能消除故障时机器人自动控制停止。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。