地面电力巡检机器人系统设计(源码+万字报告+实物)
目 录
第1章 绪 论 1
1.1研究目的及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3主要研究内容 2
第2章 系统总体结构 4
2.1设计方案 4
2.2功能需求分析 4
2.2.1技术路线： 4
2.2.2预期结果： 5
2.3单片机型号选择 5
2.4测距传感器选择 6
2.5通信模块选择 7
2.6显示模块选择 7
第3章 系统的硬件部分设计 9
3.1系统总体设计 9
3.2系统的主要功能模块设计 10
3.2.1 超声波传感器模块设计 10
3.2.2 电机驱动模块设计 11
3.2.3 蓝牙模块设计 12
3.3.4 显示模块设计 13
3.2.5 蜂鸣器模块设计 14
3.2.6 交流电检测模块设计 14
第4章 系统的软件设计 15
4.1 软件主流程图 15
4.2 超声波传感器模块的软件设计 15
4.3 蓝牙模块的软件设计 16
4.4 显示模块的软件设计 17
第5章 系统测试 18
5.1 系统实物图 18
5.2 测试原理 18
第6章 总结与展望 22
6.1 总结 22
6.2 展望 22
参考文献 23
致 谢 25
电路图 26
源程序 26
第1章 绪 论
1.1研究目的及意义
伴随经济发展和人民生活水平的提高，社会用电量不断提升，对电网运行稳定性提出更高挑战，变电、输电、配电等电力系统各环节的巡检需求进一步提高目前电力公司仍主要采用传统的人工巡检方式，即利用看、听、闻等感知手段，对电力设备运行状态进行查验和记录，此种方式存在着人力成本高、巡检手段单一、巡检数据主观性强、受天气影响大、数据管理分散等问题，逐渐无法满足准确、实时、高频率的电力设备巡检需求[1]。我国目前正从劳动密集型向现代化制造业方向发展，振兴制造业、实现工业化是我国经济发展的重要任务。从工业发展历程看，生产手段必然要经历机械化、自动化、智能化、信息化的变革。随着国民经济的快速发展以及生产技术的不断进步和劳动力成本的不断上升，使用机械、自动化技术代替人力成为巡检管理的必然趋势。
1.2国内外研究现状
电力和能源一直是我们很多人密切关注的问题，从爱迪生发明电灯开始我们就进入了电气时代也是从那时候开始我们的生活与电密切相关，这么多年来我们对电更好的管理利用从未停止脚步[2]。国内的研究人员顾鑫新在2022年《信息与电脑》上发表的《地面电力巡检机器人控制系统设计与测试》一文中为了实现地面电力设备智能巡检作业，选取智能机器人作为巡检工具，开发一套控制系统。该系统以STM32单片机作为核心控制器，利用超声波传感器采集机器人前方物体信息，通过摄像头模块拍摄电力设备作业状态图像信息[3]。经过信息统计分析，合理规划机器人的行走路径与拍摄操控方案。系统测试结果显示，本系统能够将机器人行走物体识别、电力设备状态拍摄、机器人路径优化集为一体，弥补了传统人工巡视的不足[4]。刘志亮等人的团队在2018年的《电网与清洁能源》的期刊发表了《地面电力巡检机器人控制系统设计与实现》针对电网建设中电力巡检机器人在研发过程中缺乏通用性系统平台的问题,研制了一种由前端及后台显示分析控制系统构成的地面电力巡检机器人控制系统。系统前端底层采用工业级控制芯片STM32F103RCT6[5]对步进电机、超声波传感器进行控制,同时引入μcos-II实现了底层程序进行任务划分;上层采用开源的Android系统设计了上层交互界面;后台采用MFC对系统后台界面进行设计,实现了前端图像、超声波传感器、电量信息的实时显示、视觉导航。测试结果表明,该系统有效解决了电力机器人研发过程中技术不兼容、系统功能单一、创新技术引入难、研发周期长且成本高等问题[6]。林杰在2022年《技术与市场》发表的《变电站巡检机器人无线充电技术研究》中阐释了我国变电站智能化建设已经成为常态，智能化建设规模也在不断扩大，变电站巡检机器人充电技术从有线模式到无线模式，切实降低了电力维护人员的劳动强度，也极大地提高了电力巡检等工作的效率、安全性和稳定性。系统介绍了电力巡检机器人无线充电的分类和特点[7]，分析了磁耦合谐振式无线充电技术原理、线圈耦合结构以及补偿网络关键技术等，并给出了仿真结。英国皇家物理期刊中，Nursita Y M2021年发表的《Development of Mobile Augmented Reality Based Media for An Electrical Measurement Instrument》对电量测量进行研究该研究旨在开发面向电测仪器的增强现实移动学习媒体。学习者可以利用这种应用来提高自己正确使用电测仪器的技能和知识[8]。电工的一项基本技能是使用电压表、电表和欧姆表。测量的结果他们可以对某一问题做一些分析,也可以对电场进行故障排除。从开发研究来看,被生产出来的学习媒体应用产品被命名为ARAVO。ARAVO是Ammeter、Voltmeter和Ohmmeter增强现实的简称。ARAVO通过将万用表等虚拟物体与真实世界相结合,帮助学习者甚至讲师模拟电子测量仪器的使用[9]。英国工程科技学会的研究学者Cannon James M.的团队在2021年《Electrical Measurement of Cell-to-Cell Variation of Critical Charge in SRAM and Sensitivity to Single-Event Upsets by Low-Energy Protons》提出了一种在不了解底层电路的情况下绘制相对电池临界电荷值的电气程序,允许定制设备使用。给定细胞级Q ( C )知识[10],一个设备可以有它的细胞‘筛选’,使那些Q ( C )低的细胞不被用来存储数据。
1.3主要研究内容
1.阅读相关文献确定了设计功能和软件硬件的选择方案
2.硬件部分采用STM32单片机
3.采用C语言完成软件设计
4.将系统进行调试运行并成功实现
5.实现的成果为实物
该系统应完成的主要功能有:
蓝牙通信，手机端上位机
上位机：
1.控制下位机系统移动；
2.接收下位机数据，并显示；
3.接收到警告信号的提示；
下位机：
1.系统可收到上位机指令进行移动：前进/后退/右转/左转；
2.系统可实时监测前方障碍物状况，显示，然后发送到上位机；
3.系统可随时监测电压状况，显示，并上传至上位机；
4.系统若监测发现电压有异常，蜂鸣器长响，同时发送上位机警告信号；
5.巡检机器人具备自主导航的能力，能够在电力巡检区域内自主移动。
第2章 系统总体结构
2.1设计方案
本课题是一种地面电力巡检机器人系统设计，该套系统主要由交流电监测模块、单片机STM32、蓝牙通信模块、蜂鸣器、超声波传感器模块、OLED等部分组成；采用STM32单片机技术将交流电监测模块和超声波传感器模块采集到的参数通过蓝牙通信模块发送到上位机，在上位机上实时监测前方障碍物状况监测电压状况显示，并发送上位机系统监测到电压异常，蜂鸣器长响并发送上位机警告信号。
图2-1 结构框图
2.2功能需求分析
2.2.1技术路线：
1.硬件部分选用单片机STM32F103c8t6、超声波传感器模块、陀机、交流电监测模块、蜂鸣器、蓝牙、OLED。
2.软件平台程序用keil5;
3.画原理图用AD;
4.编程语言用C语言。
2.2.2预期结果：
作品展示，完成一个地面电力巡检机器人系统，并且该设计能实现的功能如下：
蓝牙通信，手机端上位机
上位机：
1.控制下位机系统移动；
2.接收下位机数据，并显示；
3.接受警告信号提示；
下位机：
1.系统可实时接收上位机指令并进行移动：前进/后退/右转/左转；
2.系统可实时监测前方障碍物状况，显示，同时发送至上位机；
3.系统可随时监测电压状况，显示，同时发送至上位机；
4.系统若监测到电压有异常，蜂鸣器长响，同时发送至上位机警告信号。
2.3单片机型号选择
8051单片机的处理能力相对较低。它通常具有较低的时钟频率和有限的存储容量，限制了它在处理复杂任务和大规模应用中的表现。8051单片机的存储容量有限，包括内部RAM和ROM。这可能限制了复杂程序的编写和存储，尤其是在需要处理大量数据或具有大型代码库的应用中。相对于现代的嵌入式系统，8051单片机缺乏一些现代化功能和接口。例如，缺乏内置的通信接口（如USB、以太网）和现代的外设控制器（如触摸屏控制器、高分辨率显示器控制器等）。8051单片机的指令集相对较小，编程模型相对简单。这可能导致在编写复杂算法或执行高级功能时，编程变得更加困难和繁琐。
图2-4 STM32F103C8T6原理图
STM32系列单片机是一款高性能，功能强大的系列单片机。该系列单片机常被用于要求低成本、高性能和低功耗的嵌入式应用程序，其在功耗和集成方面也展现出良好的性能。由于其便捷的工具和简单的结构并且结合了强大的功能性，在业界很受欢迎。本实验采用的最小系统如图2-4。
主控制芯片则选择STM32F103C8T6，它是由意法半导体集团基于STM32系列ARM Cortex-M内核开发的一款具有64KB的程序存储器的32位微控制器。其工作时需要2V3.6V的电压和-40℃85℃环境温度。
表2-4
1 STM32 STM32表示ARM Cortex-M内核的32位微控制器
2 F F代表芯片子系列
3 103 103代表增强型系列
4 C R这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚，I代表176脚
5 8 B这一项则代表内嵌Flash容量，这其中6代表了32K字节Flash，8代表了64K字节Flash，C代表了256K字节Flash，D代表了384字节Flash，E代表了512K字节Flash，G代表了1M字节Flash
6 T T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装
7 6 6这一项代表工作温度范围，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃
2.4测距传感器选择
测距传感器是一种用于测量物体与传感器之间距离的设备。常见的测距传感器包括超声波传感器、红外线传感器、激光传感器和雷达传感器等。下面是对这些传感器进行简要介绍：
超声波传感器： 超声波传感器通过发送超声波脉冲并接收其回波来测量物体与传感器之间的距离。它利用声波在空气中传播的时间来计算距离。超声波传感器通常具有较大的测距范围，可以达到几米甚至更远。它们的成本相对较低，适用于许多应用，如避障、测距和位置检测等。
红外线传感器： 红外线传感器使用红外线光束来测量物体与传感器之间的距离。它们通常包括一个红外发射器和一个红外接收器。测量是通过计算光束发射和接收之间的时间差来完成的。红外线传感器在近距离测量方面表现良好，但在长距离测量上可能受到环境因素（如光照强度和反射率）的影响。
激光传感器： 激光传感器使用激光束测量物体与传感器之间的距离。它们通过测量激光束的反射时间或相位差来计算距离。激光传感器通常具有较高的精度和较小的测量误差，适用于要求较高精度测量的应用，如机器人导航、三维建模和工业自动化等。
雷达传感器： 雷达传感器使用无线电波来测量物体与传感器之间的距离。它们发射射频脉冲并接收其回波来计算距离。雷达传感器通常具有较大的测距范围和高抗干扰能力，适用于远距离测量和环境复杂的场景，如航空导航、交通监控和气象预报等。
根据需求，选择超声波传感器进行距离测量是一个不错的选择。超声波传感器具有较大的测距范围、低成本和广泛的应用领域。它们适用于许多场景，如避障机器人、智能车辆、安防系统和工业自动化等。超声波传感器可以提供可靠的距离测量，且对于目标物体的形状、颜色和表面特性的影响较小。
2.5通信模块选择
通信模块是用于设备之间进行数据传输和通信的关键组件。下面是对几种常见的通信模块进行简要介绍和比较，以便选择蓝牙模块。
蓝牙模块： 蓝牙模块是一种短距离无线通信技术，可用于设备之间的数据传输和通信。蓝牙模块具有低功耗、成本低、易于使用和广泛的设备兼容性等优点。它们适用于消费电子产品（如无线耳机、智能手机、音箱等）和物联网应用（如传感器网络、智能家居等）。
Wi-Fi模块： Wi-Fi模块是一种用于无线局域网（WLAN）通信的模块。它们通过Wi-Fi协议进行高速数据传输，并适用于需要较大带宽和较长通信距离的应用。Wi-Fi模块通常用于智能家居、工业自动化和物联网应用等。
Zigbee模块： Zigbee模块是一种低功耗、低数据传输速率的无线通信模块。它们适用于低功耗设备之间的短距离通信，如智能传感器网络、家庭自动化和工业控制等。
LoRa模块： LoRa（长距离）模块是一种适用于远距离通信的低功耗无线模块。它们具有广域网（WAN）覆盖范围，适用于物联网、农业监测、智能城市和环境监测等需要长距离通信的应用。
选择蓝牙模块作为通信模块的优点在于它具有低功耗、成本低廉、易于使用和广泛的设备兼容性。蓝牙模块广泛应用于消费电子产品和物联网应用，可以与大多数现代设备无缝连接。如果您的应用场景是短距离通信，并且需要与其他设备快速配对和连接，蓝牙模块是一个理想的选择。
2.6显示模块选择
显示模块是用于在设备上显示图像和文本的关键组件。下面是对几种常见的显示模块进行简要介绍和比较，以便选择OLED显示屏。
LCD显示屏： LCD（液晶显示器）是一种广泛应用于各种设备中的显示技术。它们使用液晶材料通过电场控制光的传播来显示图像。LCD显示屏具有较低的功耗、较高的分辨率和较大的尺寸范围。它们适用于大型显示需求，如电视、电脑显示器和智能手机等。
OLED显示屏： OLED（有机发光二极管）是一种高对比度、高亮度和快速响应的显示技术。OLED显示屏由一系列有机薄膜层组成，当通电时，这些薄膜层会发光。OLED显示屏具有更好的颜色饱和度、更深的黑色和更快的刷新率。它们适用于小型设备，如智能手表、便携式设备和虚拟现实头显等。
E-ink显示屏： E-ink（电子墨水）是一种低功耗、高对比度的显示技术。E-ink显示屏通过在微胶囊中悬浮黑色和白色颗粒来显示图像，而不需要后台光源。E-ink显示屏类似于纸张，具有较好的室外可视性和长时间不需电力维持图像。它们适用于电子书阅读器和电子标签等需要低功耗和易读性的应用。
选择OLED显示屏作为显示模块的优点在于它们具有高对比度、高亮度、快速响应和较好的颜色饱和度。OLED显示屏适用于小型设备，并且可以呈现生动、清晰的图像。如果您的应用场景需要小尺寸、高质量的显示效果，OLED显示屏是一个理想的选择。
第3章 系统的硬件部分设计
3.1系统总体设计
本设计采用STM32单片机技术将交流电监测模块和超声波传感器模块采集到的参数通过蓝牙通信模块发送到上位机，在上位机上实时监测前方障碍物状况监测电压状况显示，并发送上位机系统监测到电压异常，蜂鸣器长响并发送上位机警告信号。
该系统应完成的主要功能有:
蓝牙通信，手机端上位机
上位机：
1.控制下位机系统移动；
2.接收下位机数据，并显示；
3.接收警告信号的提示；
下位机：
1.系统可以实时接收到上位机的指令并进行移动：前进/后退/右转/左转；
2.系统可实时监测前方障碍物状况，显示，同时发送至上位机；
3.系统可以实时监测电压的状况，显示，同时发送至上位机；
4.系统若监测发现电压有异常，蜂鸣器长响，同时发送至上位机警告信号。
总体原理图如下所示：
图3-1 总体原理图
图3-2 单片机最小系统原理图
3.2系统的主要功能模块设计
3.2.1 超声波传感器模块设计
图3-2-1 超声波传感器模块原理图
超声波测距原理：
超声波收发模块可以自己产生40kHz的方波，同时经放大电路驱动超声波发射探头发射超声波，发射出去的超声波经障碍物反射后由超声波接收探头接收。经接收电路的检波放大，积分整形，在ECHO引脚上产生方波脉冲，该脉冲宽度与被测距离成线性关系。具体过程如图3-2-2所示。
图3-2-2 US-100超声波收发模块工作时序图
上图表明：只要在Trig/TX管脚处输入10us以上的高电平，则系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后得到的结果通过Echo/RX管脚进行输出。
在此模式下，模块会将距离值转化为340m/s时间值的2倍，通过Echo端输出一个高电平，可根据此高电平的持续时间用来计算距离值。距离值为：（高电平时间*340m/s）/2
注：由于距离值经过了温度校正，此时不需要再根据环境的温度对超声波声速进行校正，也就是说不管温度是多少，声速都选择340m/s即可。
利用US-100超声波收发模块测量距离时，单片机只需要输出触发信号，并监视回响引脚，通过定时器计算回响信号宽度，并换算成距离即可。该模块简化了发送和接收的模拟电路，工作稳定可靠。
3.2.2 电机驱动模块设计
图3-2-2 电机驱动模块原理图
本设计使用L298N电机专用驱动芯片来带动两个12V的直流电动机。
直流电机是由定子与转子两大部分构成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，通常又称为电枢，由电枢铁心、转轴、换向器等组成。
其中L298N是产自ST公司，比较常见的则是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。可以驱动两个直流电机或驱动两个二相电机，也可单独驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V。直接通过电源来调节输出电压，直接通过单片机的IO端口提供信号，使得电路简单，使用更方便。L298N可接受标准的TTL逻辑电平信号VSS，VSS通常接4.57V的电压。4脚VS接电压源，VS可接电压范围VIH为2.546V。L298N芯片输出电流可以达到2.5 A，可以驱动电感负载。
L298N是内部有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动芯片，可以用来驱动直流电动机、步进电动机。使用标准逻辑电平信号控制，直接连接单片机管脚，具有两个使能控制端，使能端在不受输入信号影响的情况下不允许器件工作。L298N有逻辑电源输入端，可以使内部逻辑电路部分可以在低电压下工作。
3.2.3 蓝牙模块设计
图3-2-3 蓝牙模块原理图
HC-05是秉火科技推出的蓝牙串口模块，它采用蓝牙 2.0 协议，可与任何版本的蓝牙兼容通讯，包括与具有蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP 等终端配对，可实现串口透传功能。驱动HC-05模块时只需要使用TTL电平标准的串口即可(5V/3.3V 电压均可)，它支持的波特率范围为4800~1382400，很适合用于单片机系统扩展蓝牙特性。
HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块(下文简称模块) 具有两种工作模式:命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主 (Master) 、从 (Slave) 和回环(Loopback)三种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定 的方式连接的数据传输:当模块处于命令响应工作模式时能执行下述所有 AT 命令，用户可 向模块发送各种 AT 指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚(PIO11) 输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。
3.3.4 显示模块设计
图3-2-4 显示模块原理图
OLED，它是有机发光二极管。OLED因为同时具备自发光，不需要背光源、厚度薄、对比度高、视角广、反应速度快、可用于挠性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被公认为新一代平板显示器应用技术。
LCD屏幕需要背光,而OLED则不需要背光,因为它是自发光的。这样同样的显示OLED效果要来得好一些。以目前的技术，OLED的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。这里我们使用的则是中景园电子的0.96寸OLED显示屏，此屏有以下特点：
1）0.96寸的OLED有黄蓝，白，蓝三种颜色可供选择；其中黄蓝色是屏上1/4部分为黄色光，下3/4为蓝色；固定区域显示固定颜色，颜色和显示区域无法更改；白光是纯白，即黑底白字；蓝色则为纯蓝色，即黑底蓝字。
2）分辨率为 128*64
3）多种接口方式；OLED裸屏接口总数包括：6800、8080两种并行接口、3 线或 4 线串行SPI接口、IIC接口（只要 2 根线就能控制OLED），这五种接口是通过屏上的BS0~BS2来配置的。
3.2.5 蜂鸣器模块设计
图3-2-5 蜂鸣器模块原理图
蜂鸣器是一种小功率的发声元件,采用直流电压供电,被广泛应用于各种各样的无线产品中作发声器件。蜂鸣器主要分类有压电式蜂鸣器、电磁式蜂鸣器,各个又有有源和无源之分。电磁式蜂鸣器的工作原理是电磁感应原理,即通电导体周围会有磁场产生，用一个固定的永久磁铁与通电导体产生磁力推动固定在线圈上的鼓膜。蜂鸣器的工作电流一般较大，而单片机的I/0口输出的电流较小，所以单片机不能直接驱动,本文中采用由三极管构成的放大电路来驱动蜂鸣器发音，选用的三极管型号是PNP三极管 C9012,而且本设计选用的蜂鸣器属于有源蜂鸣器。
3.2.6 交流电检测模块设计
地面电力巡检机器人中的交流电检测模块主要用于检测电力线路中的交流电信号。以下是硬件电路设计，用于检测交流电的存在。
首先，我们将空心线圈绕制在一个磁性芯片上，并将线圈的两端连接到整流桥的输入端。接下来，整流桥的输出端连接到滤波电容，以平滑整流后的电压。将滤波电容的一端连接到地线，另一端连接到微控制器的输入引脚。微控制器通过读取输入引脚的电平来检测电压的存在。根据需要，我们可以使用LED指示灯或继电器来指示交流电的存在。
这个电路的工作原理如下：当交流电源连接到线圈时，它会在线圈中产生交变磁场。 这个交变磁场通过电感耦合作用传递到线圈中，导致在线圈两端产生交流电信号。接着，整流桥将交流信号转换为直流信号，并通过滤波电容平滑输出。平滑后的电压通过连接到微控制器的输入引脚，微控制器可以读取该引脚的电平状态。如果电平为高（或低，具体取决于电路设计和微控制器的输入配置），则表示检测到交流电的存在。最后，根据需要，我们可以使用LED指示灯或继电器来显示或响应交流电的检测结果。
通过这样的硬件电路设计，地面电力巡检机器人可以有效地检测电力线路中的交流电信号，并做出相应的响应。
第4章 系统的软件设计
4.1 软件主流程图
当全部系统软件通电时，整个系统以单片机为核心，通过交流电检测模块实时监测当前电压状况；通过超声波传感器模块检测前方是否有障碍物，实现避障功能；通过蓝牙模块将采集到的信息传送到上位机。
立足具身智能前沿赛道，致力于搭建全球化、开源化、全栈式技术交流与实践共创平台。
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