一种变电站带电作业机器人的控制装置的制作方法

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种变电站带电作业机器人的控制装置。

背景技术：

变电站设备在长期运行中容易发生污闪现象，为了防止绝缘子污闪造成停电等事故发生，必须采用定期清扫绝缘子、更换不良绝缘子等方法。

无论采取哪种措施，现有的工作方式大都是采用停电作业的方式，然而随着电力用户对供电可靠性要求的提高，减少变电站停电检修的次数就显得尤为重要。

变电站带电作业对机器人提出了更高的要求，要求机器人具有更高的稳定性、更强的绝缘能力，另外一个重要特点是要求其可以进行远程操作。水枪平台距离高压带电设备很近容易造成设备接地故障，降低了机器人运行的安全性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种变电站带电作业机器人的控制装置，以提高机器人的运动和作业的稳定性和安全性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种变电站带电作业机器人的控制装置，包括：

信号采集模块，用于通过无线网络获取变电站带电作业机器人的行走状态信号和作业状态信号；

信号处理模块，用于对所述信号采集模块获取的机器人行走状态信号和作业状态信号进行处理，将处理结果作为控制的对比依据，并发送机械臂动作命令，以驱动相应比例阀完成机械臂的动作；

信号输出模块，用于接收并通过人机交互模块显示机器人的行走状态和作业状态信息。

其中，所述信号采集模块具体包括：模拟量采集模块、数字量采集模块以及磁耦隔离模块，所述模拟量采集模块用于获取机器人行走状态信息和动作姿态信息，接收旋转角度传感器、俯仰角度传感器和倾斜角度传感器的信号，所述数字量采集模块用于获取机器人的行走距离信息，接收激光传感器的信号；所述磁耦隔离模块用于对所述模拟量采集模块和所述数字量采集模块接收到的信号进行磁耦隔离处理后输入到所述信号处理模块。

其中，所述模拟量采集模块进一步包括：

信号调理模块，用于采用有源电流/电压转换对旋转角度传感器、俯仰角度传感器和倾斜角度传感器的模拟量输出信号中的电流输出信号转换为电压输出信号；

多路模拟开关，用于将多路输入信号依次地切换到后级；

前置放大器，用于消除旋转角度传感器、俯仰角度传感器和倾斜角度传感器的模拟量输出信号中的共模干扰；

采样保持器，用于在采集信号时在两次采样的时间间隔内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻；

模/数转换模块，用于将采集到的电压信号经过双积分式模/数转换，转换成可供所述信号处理模块识别的数字量信号；

接口逻辑电路，用于将经模/数转换模块转换后的数字量信号输出至所述信号处理模块。

其中，所述多路模拟开关包括电平转换模块、译码驱动模块及开关电路，当禁止端为“1”时，前后级通道断开，当禁止端为“0”时，前后级通道被接通，通过改变控制输入端的数值，选通多个通道中的一路。

其中，所述前置放大器具体是是由三个运算放大器组成的对称结构的测量放大器，其差动输入端分别是第一运算放大器和第二运算放大器的同相输入端，并对称地与被测信号相连。

其中，所述采样保持器包括输入缓冲放大器、输出缓冲放大器、采样开关和保持电容，处于采样期间，当所述采样开关闭合时，输入电压通过所述输入缓冲放大器对所述保持电容快速充电，输出电压跟随输入电压变化，处于保持期间，当所述采样开关断开时，所述保持电容的电压作为输出电压保持恒定。

其中，所述信号输出模块具体包括电流信号输出模块、电压信号输出模块以及磁耦隔离模块，所述磁耦隔离模块进一步包括初级驱动电路和次级驱动电路，其中初级驱动电路包括输入复位单元和驱动单元，次级驱动电路包括接收单元，所述输入复位单元完成对所述信号采集模块和所述信号输出模块中输入电路的复位，所述驱动单元用于产生与所述信号采集模块和所述信号输出模块中输入信号状态变化相关的窄脉冲驱动信号，所述接收单元用于在复位信号到来后，当所述信号采集模块和所述信号输出模块中接收电路的复位输出为“0”，而后每接收到一个脉冲，输出反转一次。

其中，所述控制装置还包括设置在所述信号采集模块与所述信号处理模块之间的保护电路，所述保护电路进一步包括：复位电路、晶振电路、联合测试工作组jtga测试电路和串口驱动电路。

其中，所述联合测试工作组jtga测试电路具体包括：测试时钟输入线、测试模式选择输入线、测试数据输入线、测试数据输出线，其中所述测试时钟输入线接时钟信号，所述测试数据输入线接内部上拉信号，所述测试模式选择输入线接模式选择输入信号，所述测试数据输出线接人机交互模块。

其中，所述控制装置还包括无线通讯模块，用于将采集到的数据、输出的数据、工作状态信息与上位机进行通讯。

本发明实施例的有益效果在于：通过变电站带电作业机器人的控制装置的创新设计，可以帮助操作者对机器人运动和作业进行更加智能化的远程控制和监控，提高机器人的运动和作业的稳定性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种变电站带电作业机器人的控制装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中模拟量采集模块的结构示意图。

图3是本发明实施例中有源电流/电压变换电路的结构示意图。

图4为本发明实施中多路模拟开关的结构示意图。

图5为本发明实施中前置放大器的结构示意图。

图6为本发明实施中采样保持器的电路图。

图7为本发明实施中采样保持器的工作波形示意图。

图8为本发明实施例中磁耦隔离电路组成原理图。

图9为本发明实施例中jtga串联式连接方式示意图。

图10为本发明实施提供的无线通讯示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

请参照图1所示，本发明实施例提供一种变电站带电作业机器人的控制装置，包括：

信号采集模块，用于通过无线网络获取变电站带电作业机器人的行走状态信号和作业状态信号；

信号处理模块，用于对所述信号采集模块获取的机器人行走状态信号和作业状态信号进行处理，将处理结果作为控制的对比依据，并发送机械臂动作命令，以驱动相应比例阀完成机械臂的动作；

信号输出模块，用于接收并通过人机交互模块显示机器人的行走状态和作业状态信息。

具体地，信号采集模块包括：模拟量采集模块、数字量采集模块以及磁耦隔离模块，模拟量采集模块用于获取机器人行走状态信息和动作姿态信息，接收的是旋转角度传感器、俯仰角度传感器和倾斜角度传感器的信号；数字量采集模块用于获取机器人的行走距离信息，接收的是激光传感器的信号；磁耦隔离模块用于对模拟量采集模块和数字量采集模块接收到的信号进行磁耦隔离处理，然后输入到信号处理模块。

模拟量采集模块同时接收多路模拟量信号，而信号处理模块可以接收的信号为数字量信号，直接检测模拟量信号，可能导致不能接收信号、信号不稳定、采集错误信号等情况。因此，模拟量采集模块对采集到的多个模拟量信号首先进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。模拟量采集模块的结构如图2所示。

旋转角度传感器、俯仰角度传感器和倾斜角度传感器信号分别反映机器人的机械臂旋转角度、机械臂俯仰角度和机械臂倾斜角度，这些传感器均为模拟量输出传感器，有电流输出信号和电压输出信号。电压输出信号可直接进行下一步的信号处理，电流输出信号则需要经过信号调理将电流输出信号转换为电压信号才能进行下一步的信号处理。信号调理是通过电阻分压法将采集到的电流信号转换为电压信号的，具体采用的是有源电流/电压(i/v)转换。本实施中，电流输出信号为0～10毫安或4～20毫安的电流输出信号。

有源i/v变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容实现，图3所示为本实施例中有源i/v电路的结构示意图。利用同相放大电路，把电阻r1上的输入电压变成标准输出电压，该同相放大电路的放大倍数g为：

(1)对于0～10毫安输出：取r1＝200ω，r3＝100kω，r4＝150kω，输入电流i的0～10毫安对应电压输出v的0～5v；

(2)对于4～20毫安输出：取r1＝200ω，r3＝100kω，r4＝25kω，输入电流i的4～20毫安对应电压输出v的1～5v。

由于本实施例中用到多个模拟量传感器，但控制器某一时刻只能接收一个回路的信号，因此可通过多路模拟开关实现多选一的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。具体地，如图4所示，本实施例采用cd4051(双向、单端、8路)集成电路芯片作为多路模拟量开关。

cd4051由电平转换模块、译码驱动模块及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即s0～s7端与sm端不能被接通；当禁止端为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端c、b、a的数值，就可选通8个通道s0～s7中的一路。比如：当c、b、a＝000时，通道s0选通；当c、b、a＝001时，通道s通；……当c、b、a＝111时，通道s7选通。其真值表如表1所示，表1中x表示0/1：

表1：多路模拟开关的控制真值表

机器人作业时来自现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，模/数通道中的前置放大器常采用由一组运算放大器构成的测量放大器，其电路图如图5所示。图5中rg是外接电阻，专用来调整放大器增益的，增益公式为：

测量放大器是由三个运算放大器组成的对称结构，测量放大器的差动输入端vin+和vin-分别是两个运放a1、a2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。

机器人的运动状态和动作姿态是连续变化的，无法实时采集所有信号及其变化，因此需要将较短时间间隔内的信号视为恒定不变的值。本实施例在进行信号采集时通过采样保持器保证在两次采样的时间间隔内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波形分别如图6、图7所示。采样保持器包括输入缓冲放大器a1、输出缓冲放大器a2、采样开关s、保持电容ch。采样期间，采样开关s闭合，输入电压vin通过a1对ch快速充电，输出电压vout跟随vin变化；保持期间，采样开关s断开，由于a2的输入阻抗很高，理想情况下电容ch将保持电压vc不变，因而输出电压vout＝vc也保持恒定。

经过采样保持阶段，将采集到的电压信号经过a/d转换，转换成控制器识别的数字量信号，具体地采用双积分式a/d转换。

在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压vin在固定时间t内对积分器上的电容c充电(正向积分)，时间一到，控制逻辑将开关切换到与vin极性相反的基准电源上，此时电容c开始放电(反向积分)，同时计数器开始计数。当比较器判定电容c放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。放电时间t1或t2又正比于输入电压vin，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压vin在固定积分时间t内的平均值。

数字量采集模块接收的激光传感器的信号，是数字量输出，只需经过信号放大和信号保持就可以将采集的信号发送到信号处理模块进行处理。

信号处理模块对采集到的数字量和模拟量信号进行处理分析，并输出相应的信号对执行器进行控制。

信号输出模块包括电流信号输出模块、电压信号输出模块以及磁耦隔离模块。与信号采集模块中的磁耦隔离模块相同，信号输出模块中的磁耦隔离模块也进一步包括初级驱动电路和次级驱动电路，其中初级驱动电路包括输入复位单元(inputs)和驱动单元(drive)，次级驱动电路包括接收单元(receive)，输入复位单元完成对信号采集模块和信号输出模块中输入电路的复位，驱动单元用于产生与信号采集模块和信号输出模块中输入信号状态变化相关的窄脉冲驱动信号，接收单元完成的功能为：在复位信号到来后，信号采集模块和信号输出模块中接收电路的复位输出为“0”，而后每接收到一个脉冲，输出反转一次。磁耦隔离电路原理图如图8所示。

本实施例变电站带电作业机器人的控制装置还包括保护电路，保护电路进一步包括：复位电路、晶振电路、联合测试工作组jtga(jointtestactiongroup)测试电路和串口驱动电路。其中，jtga电路用于对信号处理模块进行调试和仿真。由于本实施例变电站带电作业机器人的控制装置的体积小、集成度高，需要设计合理的jtag电路使其稳定可靠。jtag电路测试接口在集成电路工作时，可以控制管脚的状态，由于应用系统的干扰，可能使jtag测试口出现错误操作，从而影响芯片及其管脚的工作状态，造成芯片不能正常工作，给产品的可靠运行带来隐患。图9所示为jtga串联式连接方式，包括：测试时钟输入线(tclk)、测试模式选择输入线(tms)、测试数据输入线(tdi)、测试数据输出线(tdo)，其中测试时钟输入线tclk接时钟信号、测试数据输入线tdi接内部上拉信号、测试模式选择输入线tms接模式选择输入信号、测试数据输出线tdo接人机交互模块。通过这种连接方式，d1～dn可以共享测试模式选择输入线tms中的输入信号，且dn在得到测试模式选择输入线tms输入的信号之前，可以对信号进行修改，即比其后的芯片具有更高的优先级，因此可以减少测试点同时方便逻辑加载。

本实施例还包括无线通讯模块，用于将采集到的数据、输出的数据、工作状态等信息与上位机进行通讯，以便操作人员对其实现远程控制，保证工作人员的安全。无线采集板卡采集传感器的数据与无线接收板卡进行通讯，hub集中控制装置的数据和摄像机的数据，无线接收板卡和hub与控制器进行数据传递。信号采集模块通过无线采集板卡获取机器人作业距离、机械臂旋转角度、机械臂俯仰角度、机械臂倾斜角度等信息，通过wifi网络上传至上位工控机中，从而实现作业平台上传感器信息的实时采集。同时控制装置可以发送机械臂动作命令，驱动相应比例阀完成机械臂的需求动作，与无线采集板卡获取的机械臂动作信息实时对比，形成对机械臂的闭环控制。图10为本发明实施例提供的无线通讯示意图，其中智能遥控终端即本发明实施例变电站带电作业机器人的控制装置。

通过上述说明可知，实施本发明实施例，具有如下有益效果：

通过变电站带电作业机器人的控制装置的创新设计，可以帮助操作者对机器人运动和作业进行更加智能化的远程控制和监控，提高机器人的运动和作业的稳定性和安全性。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。