务ｌ 匐’ 似 基于变电站巡检机器人的超声波检测系统的 设计与实现 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ 王海鹏’，王飞 ，王骞 ，栾贻青 ＷＡＮＧ Ｈａｌ—ｐｅｎｇ’，ＶＶＡＮＧ Ｆｅｉ。，ＶＶＡＮＧ Ｑｉａｎ ，ＬＵＡＮ Ｙｉ—ｑｉｎｇ （１．山东电力研究院国家电网电力机器人技术实验室，济南２５０００２； ２．山东鲁能智能技术有限公司。济南２５０１０１） 摘要：本文研究开发了一种基于变电站巡检机器人的多超声传感器采集系统。系统选用一体化超声 传感器，以单片机为控制器，设计了超声波的发射和接收电路，完成了与机器人工控机的通 信，并完成了相应的软件程序设计。考虑到变电站的强电磁环境对电子设备的干扰影响，在 电路设计上采用大量的滤波电路，提高了系统的抗干扰能力，实现了测量的实时性和准确 性。变电站环境应用表明：该系统运行稳定，具有较高的测量精度，对变电站巡检器人在变 电站中的应用具有重要意义。 关键词：变电站巡检机器人；超声波传感器；滤波电路 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ ２）０８（上）一００３７－０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ２．８（Ｉ－）．１１ ０引言 随着电力工业向着大机组、大容量和高电压 的迅速发展，保障设备运行的可靠性更成为安全 生产的突出课题…。利用变电站机器人进行电站 设备的巡检，可以提高工作效率和质量，降低劳 动强度和巡检危险性，真正起到减员增效的作用， 能更快地推进变电站无人值守的进程。变电站环 境比较复杂，机器人执行巡检任务时，既有静态 障碍物环境下机器人的巡检任务，也有动态障碍 物环境下机器人的巡检任务口】，对障碍物的检测 成为变电站巡检机器人研究的一项重要课题。 １系统硬件设计 １．１总体设计 本系统采用ＡＴＭＥＧＡ１２８芯片作为核心处理 器，其片上集成了丰富的片内外设资源，设计时 充分利用了这一特点，简化外围电路，降低了系 统功耗。同时在设计上，移动机器人的超声检测 系统采用了四路超声传感器来进行避障物的检测 和定位Ｈ】。根据电路中各部分实现的功能，整个 体统可分为以下四个模块：电源模块、超声波发 射模块、超声波接收模块和通讯模块等。超声检 测系统总体硬件结构图如图１所示。 本文设计了一种基于变电站巡检机器人使用 的超声波检测系统。超声波是一种非接触式检测 技术，不受光线和被测对象颜色等的影响，易于 定向发射、方向性好和强度好控制等特点 ，同 时具有成本低和安装方便。为了克服单超声传感 器对空间信息检测的盲区大和存在幻影干扰等缺 点，本文研究采用了多超声传感器的机器人安全 检测技术，同时考虑到变电站强磁环境下，超声 波反馈信号易受干扰等问题，在系统的软硬件设 计上提出了许多防干扰措施，从而在实际应用中 获得了良好的检测效果。 图１超声检测系统结构框图 收稿日期：２０１２－０１－１２ 基金项目：国家电网公司科学技术项目（ＳＧＫＪ［２００７］１５９） 作者简介：王海鹏（１９８２一），男，山东济南人，中级工程师，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。 第３４卷第８期２０１２—８（上） 【３７】 ｌ 訇ａ／，化 １．２电源设计 系统设计的电源电路设计原理图如图２所示。 ５Ｖ电源由１２Ｖ电源经过ＲＣ滤波和一个线性稳压 器Ｋ７８０５变换产生，为单片机以及整流滤波电路 图３为超声波发射电路原理图，中周工作时， 会对１２Ｖ电源产生干扰，所以在每一路超声驱动 电路中加入一个１００ｕＦ的电解电容进行滤波，将 产生的交流毛刺滤除，并在其输入端两端接一个 续流二极管，保护元器件不被线圈产生的感应电 压击穿或烧坏。单片机引脚无法直接驱动中周， 提供工作电压。考虑到超声反馈信号对电压的稳定 性比较敏感，为保证５Ｖ电源纹波小于１００ｍＹ，在 电源部分做适当的处理，采用ＬＣ一兀型滤波电路。 图２电源电路图 系统电源电路设计原理图中５Ｖ电源包括模拟 电源（ＡＶＣＣ）和数字电源（ＤＶＣＣ），其中ＤＶＣＣ 为电路中数字部分提供供电压，包括单片机及通 讯电路等；而ＡＶＣＣ则为模拟部分提供工作电压， 包括放大器等。在进行ＰＣＢ设计时，模拟电源要 远离数字电源，避免对模拟电源造成干扰。 １．３超声波发射电路设计 本系统中采用的传感器是一体式全封闭防 水超声传感器，此传感器的谐振频率为４２±ｌｋ （ＫＨｚ）。系统中采用中周变压器对超声传感器驱 动信号进行升压处理，可以加大发射信号的功率， 增加系统的检测距离。超声传感器与中周的匹配 很重要，否则会影响系统的性能及稳定性，在选 择上应该满足公式： ／＝ ｌ （１） 式中ｆ为超声传感器的谐振频率，Ｌ为中周变 压器的电感量，Ｃ为超声传感器的电容量。 图３超声波发射电路 ［３８１ 第３４卷第８期２０１２—８（上） 硬件电路上通过三极管进行驱动，图中ＯＣ０接单 片机的输出引脚，通过该管脚单片机可以输出标 准的４０ＫＨｚ ＰＷＭ方波，来驱动超声传感器工作。 １．４超声波接收电路设计 超声波的回波信号一般为几ｍＶ，有时候甚至 小于ｌｍＶ，因此在设计接收电路时需要考虑信号 的放大、整形和滤波等。由于使用的是一体式超 声传感器，传感器发射超声波信号后，有一定的 惯性，会产生余振信号，如果此时进行信号采集， 会使系统产生误报，所以在进行设计时，必须在 余振信号停止后再对回波信号进行采集。 如图４所示为超声信号接收电路，接收电路 主要由ＳＩＧ０处直接连接超声传感器，用来采集 超声传感器的回声信号。超声波接收电路采用 ＬＭ３２４四运放放大器芯片，具有电源电压范围 宽，低功耗，自带高增益平率补偿，对微弱信号 的放大效果好 ，并可单电源使用。电路中，Ｒ２ 与Ｒ８为放大器ＵＩＡ提供直流偏置点，偏置电压 为２．１４Ｖ。原理图中ＢＡＶ９９ＤＷ有两个作用，左 上角二极管起到限幅作用，它防止无超声信号时， 放大器Ｕ１Ｂ反相输入端输入电压超过４Ｖ，防止共 模输入电压越限。右下角的二极管与外围电阻电 容及放大器Ｕ１Ｃ组成倍压检波电路，当有超声信 号时，放大器输出端输出低电平。在进行ＰＣＢ设 计时，超声传感器的信号线要远离电源并尽量短， 走线宽度应在２０ｒａｉｌ且不要穿孔。 １．５通讯电路设计 系统电路中，采用拨码开关设定报警检测距 离，每一路超声传感器都有一个指示灯与其对应， 指示灯与电路中的拨码开关相互配合，当超声传 感器检测到的距离少于设定的距离时，与传感器 对应的指示灯便会亮起，起到警示作用。系统通 讯模块采用ＲＳ２３２与主机进行通讯，在没有障碍 物情况下，系统会停止向主机输出信号，在有障 碍物的情况，系统会依次发送多路超声传感器与 障碍物之间的距离值，实现机器人避障功能。 、ｌ 訇 出 Ｒ２ ｌ００ 图４超声波接收电路 ２系统软件设计 系统软件包括初始化程序、定时器中断程序、 超声波收发程序及串口通信程序。系统软件流程 图如图５所示。 应用效果良好。 表１ 测量数据与测距仪标定数据比照表 ：≥结束语 该超声检测系统通过硬件及软件上的一系列 抗干扰措施，成功解决了变电站环境复杂、强磁 ＝ｆ扰的问题。在机器人进行巡检任务过程中，该 系统有效地维护了机器人的运行安全，提高了机 器人的可靠性，拓宽了机器人的应用范围。 参考文献： 【１１ｌ孙国凯，韩刚．变电站巡检方式对比及其智能巡检机器 人的研究与设计ｆＪ］．电气时代２００８（７）：９２－９４ 【２１ｌ刘喜昂，周志宇．基于多超声传感器的机器人安全避障 图５ 系统软件流程图 技术【Ｊ］．测控技术，２００４（３）：７１—７３ 【３１ｌ陈可中，谭翔，董建杰，等．红外测温仪的设计【Ｊ】．电子 测量技术，２００７（１０）：１ １－１４ 为验证系统设计的精度及稳定性，将系统安 装在机器人上在变电站现场进行测试，并通过 ＦＬＵＫＥ激光测距仪对距离进行标定。表１是测量 数据与测距仪标定数据比照表，检测数据最大误 【４１１杨东鹤，刘喜昂．智能移动机器人的超声避障研究［Ｊ】．计 算机工程与设计，２００７（１５）：３６５９－３６６０ 【５１】杜婧，孙志峰，等．基于ＮＩＲ技术的ＰＥＴ／ＰＶＣ废旧塑料分 离系统．传感器与微系统［Ｊ】，２０１１（９）：９８—１０１ 差约为０．５％。应用数据说明该系统测试结果准确， 第３４卷第８期２０１２—８（上） ［３９１
