本發明涉及電力隧道機器人監控技術領域，尤其涉及一種輕型軌道機器人四驅優化控制系統及其方法。

背景技術：

隨著電纜在城市電網的廣泛應用，電力隧道成為電纜敷設的主要通道之一。

電力電纜隧道一般空間比較狹小，而且地面不平，內部施工地面容易出現障礙物，不利于地面機器人應用。懸掛機器人比較適合隧道空間應用，但是國內的電力隧道質量等等不一，需要充分考慮軌道重量及巡檢機器人行走的震動沖擊對電力隧道造成的潛在威脅進行評估。目前國內電力電纜隧道經常存在縱橫交錯的情況，單一或環形軌道巡檢機器人無法適應地形相對復雜的電纜隧道，而通常這些復雜的電纜隧道都是需要特別關注的。

目前已經存在的電力隧道在軌巡檢機器人，為單驅巡檢機器人，能夠實現電力隧道內的設備巡檢，但是這種單驅吊軌電力巡檢機器人通常帶載能力不強，如果要增強帶載能力必然要增加機械強度增加機械復雜度，而且容易出現重心不穩，驅動力不均衡，易出現驅動輪打滑動力丟失；常規伺服電機轉速很高需要配備合適的減速機提升帶載扭矩，通常減速機效率較低一般不超過80％，而且系統通常不具備電機剎車能量回收功能。而在狹小的隧道內吊軌上根本無法使用常規的汽車差速器4驅方式。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題，本發明提供一種輕型軌道機器人四驅運動控制系統及其方法，該系統及方法采用四路獨立步進伺服電機驅動在軌4個小輪，不僅解決了驅動力不均衡，中心不穩，驅動力不足、機械結構復雜等問題，而且解決常規隧道巡檢機器人能效利用率低等問題，極大提升了在軌機器人的巡航距離。使巡檢機器人能夠適應各種(坡度小于35°)復雜隧道吊軌路況。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種輕型軌道機器人四驅運動控制系統，包括：中央控制單元、動力能量管理單元、運動驅動單元以及外圍傳感輔助單元；所述中央控制單元與動力能量管理單元、運動驅動單元和外圍傳感輔助單元分別通信；

所述中央控制單元控制運動驅動單元和動力能量管理單元，同時接收外圍傳感輔助單元的反饋信息，實時調整運動驅動單元的控制參數，實現系統安全平穩運行；中央控制單元根據動力能量管理單元的電量控制與反饋，合理調整運動驅動單元的負載平衡；

所述運動驅動單元包括驅動管理器以及與驅動管理器分別連接的步進伺服電機、制動控制部件以及機械驅動輪；所述驅動管理器接收中央控制單元的控制指令，同時參照實時軌道位置反饋信息，對步進伺服電機進行統一驅動管理，對彎道坡道進行軟件差速補償或扭矩補償。

進一步地，所述步進伺服電機直接通過連軸器與機械驅動輪連接，完全通過驅動管理器進行調速；

驅動管理器接收到中央控制單元的制動指令后，根據當前機器人運行速度與質量及剎車緊急程度，分析所需要的制動力矩F1，如果電機再生電量產生的制動力矩F2>F1，則不需要機械驅動輪的機械制動器，否則需要啟動機械驅動輪的機械制動器進行輔助剎車。

進一步地，所述中央控制單元包括：CPU中央處理器以及與CPU中央處理器分別連接的網絡通信模塊、總線控制器、信號處理模塊和故障防護模塊。

進一步地，所述動力能量管理單元包括電源管理模塊、電池模組、受控制動能量回收模塊以及法拉電容快速能量吸收模組；

所述電源管理模塊、受控制動能量回收模塊以及法拉電容依次串聯連接，所述電源管理模塊和法拉電容分別與電池模組連接。

進一步地，所述電源管理模塊接收中央控制單元的指令，管理受控制動能量回收模塊，啟動能量回收保護，將電機制動產生的反向電流由法拉電容快速能量吸收模組吸收，之后再將回收的電能回饋到電池模組中，避免緊急剎車能量以摩擦力發熱的形式流失。

進一步地，所述外圍傳感輔助單元包括信號接口以及分別與信號接口連接的定位傳感器、激光安全雷達、電機運行狀態反饋信號、電源安全傳感器和運行故障信號；所述信號接口與中央控制單元連接。

一種如權利要求1所述的輕型軌道機器人四驅運動控制系統的控制方法，包括以下步驟：

(1)設備上電自檢，自檢通過后進入下一步參數初始化階段；自檢超時后重新開始自檢，若多次自檢失敗進入停止告警狀態；

(2)電機運動參數初始化，參數初始化后電機處于工作就緒狀態；

(3)等待中央控制單元控制運動驅動單元，驅動步進伺服電機運轉；

(5)中央控制單元進行廣播啟/停控制實現四個電機指令同步及運動同步，運行過程中如需要剎車，進行制動控制啟動能量回收；

(6)實時電機狀態監測：實時監測每個電機的工作溫度、工作電壓、工作電流、電機軸的轉速、電機輸出扭矩以及電機位置反饋信息；

分析每個電機的工作電流、輸出扭矩、電機轉速，確定機器人在運行過程中是否有某個電機運動打滑或某個電機負載過重；分析每個電機輸出位置、輸出轉速和輸出扭矩，判定是否到達設定目標；

(7)電機驅動參數調整：運轉過程中出現某個電機打滑，隨時調整該電機和其他電機的轉速及輸出扭矩，保證機器人平衡穩定運行；

(8)電機故障處理：實時檢測電機故障標志，提取電機故障碼，根據故障碼對電機故障類型進行判定；若為可修復故障，則中央控制單元對故障電機初始化，清除故障；若為不可修復故障，則中央控制單元發出停機指令，同時上報故障信息；

(9)停機控制：正常停止時，采用扭矩有效電機和速度有效電機的增量位置信息調整機器人位置及里程，到達設定的位置后，中央控制單元控制機器人停止運動；

故障停止時，機器人自動控制停止。

進一步地，進行制動控制啟動能量回收的具體過程為：

(1)啟動制動，由于安全需要或工作巡檢需要緊急剎車；

(2)制動扭矩判斷，驅動管理器判定電機能量回收制動扭矩F1是否大于停車需要扭矩F2，若F1>F2不需要啟動機械制動，否則需要啟動機械制動進行剎車輔助；

(3)切斷電機動力電源，保持電機邏輯供電，電機處于發電狀態；

(4)制動能量回收控制器，對電機反向產生的能量進行電壓控制，對法拉電容進行快充；

(5)制動能量回收完畢，將法拉電容電量回饋到電池中，提高能效利用率。

本發明的有益效果：

通過本發明的實施，可以實現電力隧道內輕型軌道機器人四個獨立步進伺服電機的驅動，通過對電機轉矩補償和差速補償，以最佳能效比，實現四輪運轉同步，解決單驅在軌運動重心不穩，驅動力不足、坡道驅動輪打滑，增加減速機后運動噪音大等問題；

同時本系統更佳節省功耗，因為沒有采用常規減速機構而使用直驅模式，避免了機械摩擦導致的能量損失，同時具備電機剎車功能，帶有能量回收裝置，進一步降低了系統能耗，提升電池巡航能力。

附圖說明

圖1為本發明系統架構框圖；

圖2為本發明中央控制單元結構示意圖；

圖3為本發明動力能量管理單元結構示意圖；

圖4為本發明外圍傳感輔助單元結構示意圖；

圖5是本發明四驅運動控制流程框圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，一種輕型軌道機器人四驅運動控制系統，由中央控制單元、動力能量管理單元、運動驅動單元、外圍傳感輔助單元四部分組成。

中央控制單元是系統的核心，管理控制運動驅動單元和動力能量管理單元，同時接收外圍傳感輔助單元的反饋信息，實時調整運動驅動單元控制參數，實現系統安全平穩運行；中央控制單元根據動力能量管理單元電量控制與反饋，合理調整運動驅動單元負載平衡。

中央控制單元結構如圖2所示，包括CPU中央處理器以及與CPU中央處理器分別連接的網絡通信模塊、總線控制器、信號處理模塊和故障防護模塊。

CPU中央處理器負責業務系統數據處理、邏輯運算，統一調度總線控制器、網絡通信模塊、接口信號處理模塊協同工作；同時接收故障防護模塊的異步數據，進行異常應急處理。

網絡通信模塊主要負責與遠端人機控制接口通信，網絡通信模塊支持有線與無線兩種通信方式，通過多種通信方式實現與遠端人機管理平臺的穩定通信。

總線控制器連接運動驅動單元與CPU中央處理器，用于接收CPU中央處理器的控制指令傳送給運動驅動單元的驅動管理器，同時，將4組步進伺服電機的狀態信息反饋給CPU中央處理器。

信號處理模塊，主要通過信號接口對底層物理鏈路所掛載的傳感器(定位傳感器、激光雷達等設備)產生的電信號(如I/O電平、I/O邊沿、RS232、RS485、A/D等信號)進行采集分類解析匯總，形成CPU能夠處理的信息，CPU對信息進行響應并下達控制指令，完成機器人感知與控制。

機器人上帶有很多傳感器和控制器，通過信號處理模塊將信息傳遞給CPU，但運行過程中也會產生很多告警信息甚至故障信息，此類信息在故障防護模塊中進行分類處理，完成容錯甚至宕機處理。

動力能量管理單元結構如圖3所示，包括:電源管理模塊、Li電池模組、受控制動能量回收模塊以及由法拉電容組成的快速能量吸收模組。

受控制動能量回收模塊為可被管理控制的能量回收裝置，回收電機制動能量，提供給法拉電容快速能量吸收模組。

電源管理模塊，簡稱PMS，是動力能量管理單元的核心，接收CPU中央處理器指令，管理受控制動能量回收模塊，啟動能量回收保護，將電機制動產生的反向電流由法拉電容快速能量吸收模組迅速吸收，之后由法拉電容再將回收的電能回饋到Li電池模組中，避免緊急剎車能量以摩擦力發熱的形式流失，提高系統能效利用率，延長巡檢機器人的巡航里程。

運動驅動單元，包括：驅動管理器、4組步進伺服電機、制動控制部件以及電機制動與機械制動的機械驅動輪，該驅動輪是機器人實際沿軌道行走的4個金屬包膠輪子，是承重輪也驅動輪，電機輸出軸直接通過聯軸器驅動輪子運轉。

驅動管理器是本運動控制部分核心，負責管理步進伺服電機與電機制動部分，它通過總線控制器接收CPU中央處理器控制指令，同時參照實時軌道位置反饋信息，對4組步進伺服電機進行統一驅動管理：CPU發出運動指令包含運動目標運動速度，總線控制器對CPU指令進行解析轉譯形成4組控制指令參數分別發送給每個步進伺服電機，步進伺服電機接收指令并作出回饋，總線控制器將四組應答信息匯總通知CPU電機準備就緒，CPU通知總線控制器啟動運動或停止，總線控制器廣播控制指令，并分時接收步進伺服電機控制響應，通知CPU作出指令調整。

同時，驅動管理器接收CPU中央處理器控制指令，對彎道坡道進行軟件差速補償或扭矩補償：當出現一對或兩對電機扭矩突然調整時，通常發生在轉彎時，機器人軌道一邊電機扭矩變大而另一邊電機扭矩變小，根據軌道轉彎半徑參數(機器人有定位傳感器知道當前所在位置，通過轉彎半徑機器人可以計算出左右兩輪的正常的轉速比)及電機扭力速度反饋進行PID調整——降低扭矩變大電機的轉速，平衡機器人四輪輸出扭矩。

通過差速補償或扭矩補償避免沒有物理差速器導致在彎軌運動導致甩尾(靠軌道與限位輪硬擠壓通過彎軌)或坡道爬坡動力不足，合理分配動力資源，實現機器人在軌平穩運行。

步進伺服電機不通過減速機直接通過連軸器與機械驅動輪連接，完全通過驅動管理器進行調速，避免了能效損失與噪音的產生。驅動管理器接收到CPU中央處理器制動指令后，驅動管理根據當前機器人運行速度與質量及剎車緊急程度，分析所需要的制動力矩F1，如果電機再生電量產生的制動力矩F2>F1,則不需要機械制動器，否則需要啟動機械制動器進行輔助剎車。

外圍傳感輔助單元結構如圖4所示，包括：信號接口、定位傳感器、激光安全雷達、電機運行狀態反饋信號、電源安全傳感器以及運行故障信號。

信號接口負責收集傳感器信號，并對可以交互的傳感器下發控制信號，定位傳感器(條碼掃描儀、RFID定位傳感器)實現巡檢機器人在軌位置反饋，為特殊軌道位置提供差速調整參考，使系統運行更加平穩。激光安全雷達保證機器人與現場人員安全，提供緊急剎車信號依據；實時電機運行狀態反饋為電機驅動管理器提供4驅電機調整參考依據；電源安全傳感器監視Li電池充放安全及機器人制動時能量回收安全；機器人巡檢過程中接收突發異常運行故障信號，通過信號處理接口直接轉發給故障防護模塊，故障防護模塊以中斷的方式通知CPU中央處理器優先處理故障信息。

本發明公開了一種輕型軌道機器人四驅運動控制方法，如圖5所示，包括如下步驟：

(1)設備上電自檢，自檢通過后進入下一步參數初始化階段；自檢超時后重新開始自檢，若多次自檢失敗進入停止告警狀態；

(2)電機運動參數初始化，參數初始化后電機處于工作就緒狀態；

(3)等待中央控制單元控制運動驅動單元，驅動步進伺服電機運轉；

(5)總線控制器進行廣播啟/停控制實現四個電機的指令同步及運動同步，運行過程中需要剎車，啟動制動控制能量回收；

制動控制能量回收具體過程為：

1)啟動制動，由于安全需要或工作巡檢需要緊急剎車。

2)制動扭矩判斷，驅動管理器判定電機能量回收制動扭矩F1是否大于停車需要扭矩F2，

3)若F1>F2不需要啟動機械制動，否則需要啟動機械制動進行剎車輔助。

4)切斷電機動力電源，保持電機邏輯供電，電機處于發電狀態。

5)制動能量回收控制器，對電機反向產生的能量進行電壓控制(防止損壞快速儲能電容器)，對法拉電容進行快充。

6)制動能量回收完畢，將法拉電容電量回饋到電池中，提高能效利用率。

(6)實時電機狀態監測，具體包括：每個電機的工作溫度、工作電壓、工作電流、電機軸的轉速、電機輸出扭矩、電機位置反饋等信息；

運動過程中對信號進行實時處理，包括：分析每個電機的工作電流、輸出扭矩、電機轉速，可以得知機器人在運行過程中是否有某個電機運動打滑或某個電機負載過重，分析每個電機輸出位置、輸出轉速和輸出扭矩，判定是否到達設定目標。

(7)某個或全部電機驅動參數調整：運轉過程中出現某個電機打滑(扭矩突然變小或降為0)，需要隨時調整該電機和其他電機的轉速及輸出扭矩；如當出現一對或兩對電機扭矩突然調整時，通常發生在轉彎時，一邊電機扭矩變大一邊電機扭矩變小，根據軌道定位降低扭矩變大電機的轉速；平衡機器人運行穩定。

(8)電機故障處理：檢測電機故障標志，提取電機故障嗎，根據故障碼對電機進行故障判定，是否為不可修復故障，若通信過載、電機鎖定、指令操作等可自動修復錯誤，CPU控制總線控制器停止某個故障電機，清除故障碼，復位該電機，重新初始化電機，該電機無故障標志，恢復正常工作流程，若出現電機硬件故障、系統供電導致電機電壓過低或總線中斷，必須CPU必須做出停止指令，上報平臺等待人工檢修。

(9)停機控制：正常停止，采用扭矩有效(非打滑電機)和速度有效(非堵轉電機)的增量位置信息調整機器人位置及里程，到達設定的位置后，CPU控制停止運動；故障停止，產生不能消除故障時機器人自動控制停止。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。