張富春 ，鄭武略 ，梁偉昕 ，宋 丹 ，崔家瑞

（1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405；2.北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100083）

由于我國近年大規(guī)模發(fā)展超特高壓電網(wǎng)建設(shè)，相較于國外電壓等級較低的輸電線路，其高空作業(yè)難度比國外大了很多，而國內(nèi)常見的用于高空作業(yè)防墜保護、物料傳遞、人員攀爬的技術(shù)措施和裝置主要有防墜落保護裝置[1-2]、絞磨[3-4]、繩梯[5]、攀爬機[6]、繩索滑輪組合[7]等，都各自有缺點。相較而言，單個設(shè)備功能單一、自重大、不易搬運攜帶、適用地形窄，或者造價較高、經(jīng)濟性差。

電力公司與科研院所等有關(guān)單位針對高空作業(yè)人員防墜保護陸續(xù)開展了很多新技術(shù)研究[8-10]，但其主要功能是保護人員高空作業(yè)防墜安全，不具備其他功能。

以南方電網(wǎng)超高壓廣州局為例，其維護線路長度已經(jīng)達到了3 349公里，線路路徑經(jīng)過廣東地區(qū)43個縣市，而且80%線路位于山區(qū)。電力人員出導(dǎo)地線絕緣子串采用軟梯等工具，隨著電壓等級的逐步提高，絕緣子串長隨之增加，人工上下絕緣子串難度增加，耗費體力大。

針對上述問題，設(shè)計了一種基于STM32的柔性繩索便攜式自動升降裝置電控系統(tǒng)，有效降低了人員的勞動強度，提高了檢修效率。

1 系統(tǒng)整體框架

基于STM32的柔性繩索自動升降裝置電控系統(tǒng)實現(xiàn)了裝置的自動升降控制與裝置的位姿監(jiān)測，同時保證了裝置運動過程中的安全性。系統(tǒng)采用ST公司的Cortex M4和Cortex M3雙處理器架構(gòu)，主要由電源管理模塊、主控模塊、傳感器模塊、存儲模塊、驅(qū)動模塊和外部接口組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

電源管理模塊完成整個系統(tǒng)的供電與故障時的后備供電；主控模塊采用32 bit Cortex M4主處理器和獨立供電的32 bit Cortex M3協(xié)處理器的雙處理器模式，保證了系統(tǒng)的安全性；傳感器模塊主要包括氣壓計、加速度計和陀螺儀，用于實時監(jiān)測升降裝置的姿態(tài)與速度信息，保證升降器升降過程的平穩(wěn)性和方向性；存儲模塊用于存儲用戶設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)以及系統(tǒng)運行日志等數(shù)據(jù)；驅(qū)動模塊主要用于升降裝置電機的大功率驅(qū)動以及與主控系統(tǒng)的信號隔離；外部接口包含手動控制、無線通訊、電機控制和急停制動等模塊，不僅方便用戶與升降裝置之間的交互，而且提供了多種總線接口方便系統(tǒng)擴展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊是系統(tǒng)的核心，完成系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測與控制功能。將用戶發(fā)出的指令轉(zhuǎn)化為控制驅(qū)動裝置的指令，以進行相關(guān)的處理?？紤]到系統(tǒng)對硬件的需求和安全性等因素，自動升降裝置采用了硬件冗余設(shè)計，主控模塊采用STM32F407[11]和STM32F103[12]雙處理器設(shè)計方案，且STM32F103協(xié)處理器是獨立電源供電，以此保證主控制器失效時，自動安全切換到備用控制器上。該方案保證了系統(tǒng)和傳送人員的安全。

主處理器可以測量電源模塊的電池電壓和電流、5 V不規(guī)律的供應(yīng)軌道（用于檢測掉電狀態(tài)），同時可以檢測到外接設(shè)備電源接口的過載現(xiàn)象。協(xié)處理器可以測量伺服線的電壓，硬件鎖定可以防止端口的持續(xù)短路導(dǎo)致的損傷，這個鎖可以被主處理器軟件重新設(shè)置。

2.2 電源管理模塊

電源作為整個系統(tǒng)的能源保障，其設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)需要的電壓等級較多，而系統(tǒng)對電源的性能要求較高并且要求體積小、重量輕，因此，采用高性能開關(guān)電源的形式。該方案既能保證高壓電源的供電需求，又能很好地滿足低壓電路的需求；同時，能夠提供85%以上的供電效率，大大減少了能源浪費。

為了實現(xiàn)升降裝置的不間斷供電和自動故障轉(zhuǎn)移，采用了ADI公司的三輸入電源優(yōu)先級供電控制器LTC4417，并且每個設(shè)備均單獨供電。經(jīng)過LTC4417輸出的有效電壓后，先通過具有過壓過流保護的鋰電池充電管理芯片BQ24315進行整流，輸出兩路穩(wěn)定的5 V電源后，再采用多路LDO電源芯片MIC5332，分別供給不同類型的設(shè)備，防止互相干擾，同時保證了電源的可靠性。

LTC4417支持2.5～36 V的寬電壓輸入，并且可從三路輸入電源中選擇優(yōu)先級最高的有效電源來給負載供電。有效電源是指輸入電壓處于由欠壓和過壓門限設(shè)定的窗口區(qū)域內(nèi)時間達到256 ms。只有在高優(yōu)先級電源無效時才會自動切換到低優(yōu)先級電源。

BQ24315是高度集成的具有過壓和過流保護的鋰電池保護芯片，使其免受充電電路故障的影響，輸入電流上限1.5 A。BQ24315時刻監(jiān)控著輸入電壓、輸入電流，并且有線性的輸出。當(dāng)過壓情況出現(xiàn)時，它能通過關(guān)閉內(nèi)部開關(guān)迅速轉(zhuǎn)移電壓，響應(yīng)時間小于1 ms；在發(fā)生過流情況時，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的電流限制在一定的范圍內(nèi)，這極大地提高了系統(tǒng)的安全性。

兩個BQ24315芯片都輸入穩(wěn)定的5 V電壓，分別輸出VDD_5V_HIPOWER給外接數(shù)傳以及VDD_5V_PERIPH給GPS、CAN總線以及I2C等外部設(shè)備。VDD_5V_HIPOWER_OC指示數(shù)傳電壓的狀態(tài)，輸出高電平表示正常，輸出低電平說明電調(diào)電壓過壓同時切斷OUT輸出。

2.2.1 主處理器和協(xié)處理器電源設(shè)計

主處理器和協(xié)處理器都是在3.3 V電壓下運行的，而且都有自己私有的雙通道校準器，每一個校準器都有一個通電的重置輸出，綁定了校準器的通電和斷電序列。因此，采用了一款雙輸出超低壓降LDO電源管理芯片MIC5332。該芯片能夠?qū)ω撦d的電壓變化進行快速響應(yīng)。從一路輸入無延遲分出兩路穩(wěn)定的輸出電壓。輸入電壓從2.3 V到5.5 V，EN1，EN2都拉高，表示輸入使能。VOUT1為主處理器供電，VOUT2為傳感器單獨供電。

2.2.2 驅(qū)動模塊電源設(shè)計

升降裝置的伺服電機支持標準的5 V和有限的高壓（最高到10.5 V伺服供能）。協(xié)處理器從伺服連接器那里接收到最高10 V的電能，這樣就允許協(xié)處理器在所有情況下（包括主要供電斷電或受干擾）轉(zhuǎn)移到伺服裝置供能。

BQ24313對于低于10.5 V的輸入電壓，輸出電壓限制在5.5 V以內(nèi)，當(dāng)輸入電壓超過閾值時，芯片將阻止電壓輸出。EN2置為高，使能輸入，最后通過VOUT2輸出3.3 V電壓供協(xié)處理器使用。

2.2.3 外部接口電源設(shè)計

對于外部接口電源，升降裝置提供了電能路由、過載/低載電壓檢測和保護、過濾、切換、電流限制和外接設(shè)備瞬變壓制，保證了傳輸給外接設(shè)備的電壓不超過5.5 V。電源會在供給電壓掉到2.7 V以下或是上升到5.7 V以上的時候斷開連接。

因此，前端采用BQ24313提供過壓過流保護，僅使用MIC5332的一個OUT口供電。

2.3 存儲模塊設(shè)計

主處理器上連接了一塊FM25V01 128K非易失鐵電存儲器。鐵電存儲器同時具有EEPROM的速度和數(shù)據(jù)掉電不丟失的優(yōu)點。設(shè)計中用于存儲升降裝置的關(guān)鍵運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，一旦升降裝置在運行中發(fā)生故障重啟，則可以延續(xù)前面的狀態(tài)和計算結(jié)果。

另外，主控模塊的協(xié)處理器上設(shè)計了Micro SD卡存儲器，并通過上拉電阻連接，增加了輸出驅(qū)動能力，用于存儲運行日志和升降裝置升降的整個過程的所有數(shù)據(jù)以及升降裝置的腳本啟動文件。

2.4 驅(qū)動模塊電路設(shè)計

為了保證當(dāng)串口出現(xiàn)大電流時不會燒壞主控模塊，驅(qū)動模塊采用了TI公司的雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器TXS0108。該轉(zhuǎn)換器在保證高速通信的情況下具有較強的信號隔離和信號驅(qū)動能力。

為了使在上電以及斷電過程中輸出處于高阻態(tài)，TXS0108E的OE腳連接了一個電容并接到GND上。由于A端與B端不需要電平轉(zhuǎn)換，因此，只起到隔離作用。

主處理器上有6個PWM輸出，協(xié)處理器上連接了8個PWM輸出。

2.5 傳感器模塊電路設(shè)計

傳感器模塊主要是為了獲得升降裝置的實時位置與姿態(tài)，當(dāng)升降裝置接收到用戶發(fā)出的指令以后，傳感器便將實時測得的數(shù)據(jù)進行融合，并傳輸給控制器進而解算出給驅(qū)動裝置的控制量。

傳感器模塊進行了冗余設(shè)置，升降裝置上搭載了3套測量姿態(tài)的IMU慣性測量單元（主板上1套，IMU載板上2套），安裝在主板上的傳感器和減震傳感器被用在不同的集線器之中，防止所有傳感器的傳輸數(shù)據(jù)準備信號被路由。

升降裝置采用MEAS MS5611氣壓計，用于測量高度，采用ST公司三軸16位陀螺儀Micro L3GD20測量旋轉(zhuǎn)速度，采用三集成加速度計和磁力計的LSM303D確認外部影響和羅盤指向；同時設(shè)計了三軸16位加速度計和陀螺儀MPU6000、三軸16位加速度計、陀螺儀和磁力計MPU-9250電路。

2.5.1 主板傳感器模塊設(shè)計

主板傳感器模塊主要包括MPU-9250、HMC 5983和MS5611，各部分電路設(shè)計原理如下。

1）MPU-9250電路設(shè)計

MPU-9250內(nèi)置了三軸16位加速度計、陀螺儀、AK8963磁力計和數(shù)字運動處理器，可以有效減輕主機處理器的時序要求和處理能力，更加方便地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。

MPU-9250的3軸速率陀螺儀利用科里奧利效應(yīng)，會引起由電容式傳感器檢測圍繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉(zhuǎn)。滿量程范圍為每秒±250、±500、±1 000或±2 000度。采樣率從3.9個/s～8 000個/s自由設(shè)置。設(shè)計的滿量程范圍設(shè)定為±500/s，采樣率為50個/s。

MPU-9250的3軸加速度計通過電容式傳感器檢測每個軸的加速度變化，降低了對制造變化和熱漂移的敏感性。加速度計的滿量程范圍為±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，設(shè)計中量程設(shè)定為±8 g。

MPU-9250的3軸磁力計使用高度靈敏的霍爾傳感器技術(shù)。通過內(nèi)置信號調(diào)理電路直接輸出16位的3個軸中的地磁信號，測量范圍為±4 800 μT。

2）HMC5983

HMC5983是一款帶溫度補償?shù)?軸電子羅盤，采用羅克韋爾的各向異性磁阻技術(shù)，具有更好的線性度和溫度穩(wěn)定性，使得其更適合應(yīng)用于低成本的應(yīng)用場景。航向角的測量精度為1～2度，分辨率為2 mGS。

3）MS5611

MS5611采用不銹鋼封裝的高精度氣壓計，氣壓測量范圍10～1 200 mbar，具有10 cm的高度分辨率和1 ms的響應(yīng)時間，并集成了SPI和I2C接口，特別適用于高度集成的數(shù)字電路中。

主板傳感器模塊電路如圖2所示。

2.5.2 IMU載板傳感器

1）L3GD20

L3GD20是具有16位數(shù)字輸出的3軸陀螺儀，集成了SPI和I2C接口。滿量程為±245、±500或±2 000度，設(shè)計的滿量程范圍設(shè)定為±500度。

2）LSM303D

LSM303D集成了3軸數(shù)字線性加速度傳感器和3軸數(shù)字磁傳感器，可以測量±2 g、±4 g、±8 g或±16 g的線性加速度和±1.3、±1.9、±2.5、±4.0、±4.7、±5.6或±8.1高斯的磁場，具有因慣性或自由落體事件自動生成中斷信號的功能，方便快速檢測升降裝置的狀態(tài)。

3）MPU-6000

MPU-6000是針對低成本和高性能要求設(shè)計的，集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計，以及數(shù)字運動處理器，可處理復(fù)雜的6軸運動融合算法，無需主控模塊的干預(yù)即可收集全套傳感器數(shù)據(jù)。陀螺儀滿量程范圍為每秒±250、±500、±1 000或±2 000度，設(shè)計中設(shè)定為±500度。加速度計滿量程范圍為±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，設(shè)計中設(shè)定為±8 g。

圖2 主板傳感器模塊電路

4）MS5611

IMU板上的MS5611電路連接與主板上的MS5611相同，只是此處的MS5611與IMU載板上的其他傳感器一樣使用的是另一套SPI總線。

IMU板傳感器模塊電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件采用由應(yīng)用層、抽象層和驅(qū)動層組成的3層架構(gòu)，使得程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性增強，保證了系統(tǒng)的可移植性。任務(wù)處理采用有限狀態(tài)機模型[13-14]，保證各任務(wù)的執(zhí)行時間已知，使系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，提高了整個系統(tǒng)的運行效率和實時性。軟件整體設(shè)計框圖如圖4所示。

圖3 IMU板傳感器模塊電路

任務(wù)處理上使用有限狀態(tài)機的基本思想：在主程序執(zhí)行while循環(huán)執(zhí)行一圈的過程中，應(yīng)用層的每個任務(wù)只執(zhí)行其自身某個狀態(tài)的操作，以便多個任務(wù)能夠并行執(zhí)行。但在通信任務(wù)中要保證收發(fā)數(shù)據(jù)的原子操作[15-16]，以保證通信的實時性和可靠性。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖4 軟件整體架構(gòu)框圖

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 仿真實驗

為了保證姿態(tài)檢測的有效性，對傳感器模塊進行了標定與測試。

陀螺儀零點漂移可以通過測量得到，加權(quán)可求得其平均值，再通過均值濾波器剔除掉該常量，可以有效減少該誤差項；加速度計標定的方法很多，一般都采用基于重力的多位置翻轉(zhuǎn)標定法，文中采用6位占標定方法；磁力計采用六面旋轉(zhuǎn)的方法進行標定[17-18]。

對傳感器標定后，在實驗室利用二維狀態(tài)對電控系統(tǒng)進行了實驗測試，如圖6所示。

保持升降裝置為懸停狀態(tài)，設(shè)置加速度計和陀螺儀的采集頻率為100 Hz，采樣個數(shù)5 000點，并對該懸停數(shù)據(jù)進行擴展卡爾曼濾波，得到其姿態(tài)信息。傳感器數(shù)據(jù)和姿態(tài)角輸出如圖7所示。

圖6 實驗臺與電控系統(tǒng)實物照片

由姿態(tài)角輸出數(shù)據(jù)可以看出升降裝置在懸停狀態(tài)下橫滾角、俯仰角和偏航角的偏差基本上控制在0.2°之內(nèi)，較為真實準確地反映了飛行器在懸停狀態(tài)下的姿態(tài)信息，能夠滿足實際工程需要。

在實驗室測試的基礎(chǔ)上，為了保證安裝到升降裝置后的電控系統(tǒng)的有效性，對系統(tǒng)進行了第三方檢測，重點測試系統(tǒng)的升降速度和載重量，以便滿足現(xiàn)場使用需求。第三方檢測報告如圖8所示。

根據(jù)實際工作情況，在現(xiàn)場對提升絕緣子進行了實驗，驗證了所設(shè)計電控系統(tǒng)的有效性?，F(xiàn)場實驗如圖9所示。

圖7 姿態(tài)角輸出數(shù)據(jù)

圖8 第三方檢測報告

圖9 現(xiàn)場實驗

5 結(jié)論

設(shè)計了一種基于STM32的柔性繩索便攜式自動升降裝置電控系統(tǒng)，用于輸電線路檢修過程中的人員與物料輸送。系統(tǒng)硬件采用Cortex M4和Cortex M3雙處理器架構(gòu)；軟件采用有限狀態(tài)機編程模式與三層嵌入式軟件架構(gòu)。經(jīng)過第三方檢測與現(xiàn)場實驗，驗證了電控系統(tǒng)的有效性和可用性，實現(xiàn)了0～24 m/min連續(xù)調(diào)速，大大提高了物料傳輸效率，降低了操作人員的勞動強度，具有一定的應(yīng)用價值。