基于巡检机器人的通信控制系统设计与分析_精品文档.pdf

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山东电力技术SHANDONGDIANLIJISHU2005年第6期（总第146期）1引言由于电力生产自动化水平不断提高,自动化装置和远程监控系统的应用范围越来越广,正在向每一个工序渗透。

作为集自动化、机械、人工智能、计算机等高新尖端科技的机器人,在电力系统的引入,必将大大提高电力系统自动化程度,改变传统的生产方式,甚至会引发一次重大的技术变革,对电力系统安全、经济生产有着重要的意义。

传统的巡检任务需要巡检人员每天都到各个变电站去做定期巡检,采集大量的运行数据,做大量的运行日常巡检工作1。

变电站设备巡检机器人能代替值班人员进行变电设备的巡检,及时发现运行设备的异常、缺陷和故障,以便及时处理,保障系统运行的安全可靠。

同时巡检机器人具有保安和报警等功能。

要实现这些复杂的功能,必须有一个稳定可靠的通信系统作为基础。

2通信系统的总体结构设计变电站巡检机器人的系统分为基站和移动站（机器人本体）。

基站的功能:

显示分析移动站位置、速度、加速度、控制计算机的CPU、内存的占有率、可见光图像和红外热成图像、语音识别状态、移动目标侦测情况、仪表识别情况、电源使用情况、设备故障情况以及显示移动站在电子地图的方位;手动控制移动站的运动、移动站云台的状态;任务规划及任务下达;存储图像、语音、报警等数据。

移动站的功能:

采集红外热成图像、可见光图像传输到基站;采集变电站的工作设备声音,分析并上传基站声音状态依据GPS、激光雷达、超声雷达数据等,自主规划路径、巡检,并上传机器人运动状态。

变电站巡检机器人是一个多动作、多任务、多控制设备的复杂系统。

由于变电站工作地点的特殊性,基站和移动站的大量信息交互工作,还必须对其实施远程的可靠控制,于是选择了一套基于无线网络的多级通讯控制系统的设计方案。

3通信系统的总体结构图1为变电站巡检机器人的通信控制结构总图。

整个通信结构由无线局域网通信和多级控制通信组成。

在无线局域网的构成中,使用两套无线网桥组成了无线局域网的主要通信设备。

其符合IEEE802.11b国际标准,完全兼容现有的局域网络环境。

使用国际公开的ISM2.4GHz微波频道通信2,速率最高达11Mbps,与普通局域网有线连接速率无异。

并且抗干扰及信息保密性高,设有40/128-bitWEP加密,SNMP鉴定许可访问权。

发射性能为RF输出功率20dBM（最大）,频率稳定性25ppm,传输基于巡检机器人的通信控制系统设计与分析*ArchitectureDesignandAnalysisofCommunicationControlSystemontheIntelligentMobileRobot李向东,厉秉强（山东鲁能智能技术有限公司,山东济南250002）试验研究摘要:

详细分析设计了多级控制通信系统的软硬件实现方法。

介绍了变电站巡检智能移动机器人的系统结构、无线扩频技术。

在变电站的强电磁干扰环境下成功地利用无线技术实现了机器人路径规划精确定位和机器人实时巡检的功能。

关键词:

变电站;机器人;无线局域网;红外热像仪;串口网关Abstract:

Thepaperparticularlyanalyzesthehardware&softwareprincipleofthemulti-levelcontrolcommunicationsys-tem.Itintroducesthesystemarchitectureoftheintelligentmobilerobotforsubstationinspectionandthewirelessampli-fiedfrequencytechnology.Byusingwirelesstechnology,therobotcanaccuratelylocatethepathlayoutandconductreal-timeinspectioninthehighelectromagneticinterfererenvironmentofsubstation.Keywords:

Substation;Robot;WirelessWAN;InfraredThermalImagers;SerialPortGateway中图分类号:

TP24文献标识码:

B文章编号:

1007-9904（2005）06-0003-04*本文由国家863计划资助（项目编号2002AA420110-3）3山东电力技术SHANDONGDIANLIJISHU2005年第6期（总第146期）距离可达30km/11Mbps,满足机器人移动范围的要求。

因此,它们的性能完全符合使用要求。

机器人本体上需要GPS进行精确定位,这需要GPS进行差分处理得到精确的定位数据,普通的GPS接收机多是使用串行口RS232进行差分处理,这里采用了串口网关实时传输数据的方案。

是由两台串口网关设备联网服务器组成,串口网关连接成点对点的结构模式,完全满足GPS实时差分的要求,达到精确定位的目的。

串口分配器有效的为机器人本体的多个串口通信控制设备提供了方便可行的接口;另一方面它以本地控制计算机作为控制服务器借助搭建的无线局域网,接受远程基站监控的控制命令;可见光摄像机的控制可以利用云台解码器的控制接口直接控制摄像机的镜头;整个通信控制系统构成了一个多级的通信控制网络。

由此,实现了机器人本体移动的目的,实现了各种串行口设备的控制。

串行口的选择简化了设备的接口,大大简化了研发的周期,精简了系统,易于机器人的产品化进程。

4机器人本体通信系统的硬件体系结构机器人本体上的通信控制系统以一台工业控制计算机为核心,在机器的内部串行通信分配器的接口上,共连接了五台串口设备。

如图1所示,这些串口设备直接和控制计算机进行相连接。

以驻留在控制计算机中的服务程序实现各个设备的实时控制和调节。

需要后台实时分析的数据可以通过无线局域网直接传输到基站,视频服务器的连接方式实现了红外热像仪采集的要检测设备的图像实时传输到基站的目的。

红外图像的分析需要占据相当大的计算量,视频服务器的引入减少了控制计算机的计算分析的工作量,提高了工作的速度。

这样形成了机器人控制的独立工作的特性,其中工控机作为唯一的控制通信主机。

4.1无线局域网工作方式机器人系统中的基站和移动站的主要连接设备是无线网桥（如图1所示）。

移动站的无线网桥主要通过SwitchHUB连接了移动控制计算机、视频服务器、串口网关等设备。

基站的无线网桥也是通过SwitchHUB和基站控制计算机、串口网关等设备连接。

连接到无线局域网中的这些设备都直接分配了IP地址,实现了设备之间的点对点通信。

本机器人的主要控制体是移动控制计算机,通信控制接口主要提供RS232接口进行数据通信和控制。

4.2监视、检测的控制通信系统通信系统是机器人能够赖以运行的“神经脉络”,通信系统的正常运行直接影响机器人的行为和规划动作。

该系统按通信系统来划分主要分为云台控制通信、可见光监视控制通信和红外检测控制通信三个部分,这三部分通过移动站控制计算机的软硬件控制结合成一个有机的整体（如图2所示）。

云台的使用要求具有预值位的功能又可以具有手动控制参与,目前使用的云台,水平旋转达到0330垂直旋转可以达到0360,云台置于外露的检测位置,防护要求较高,该云台的防护级别达到IP66,达到室外工作的工业防护级别。

云台解码器图1变电站巡检机器人控制结构图4山东电力技术SHANDONGDIANLIJISHU2005年第6期（总第146期）使用,其功能强大可以达到多预值位的要求,使用曼码控制误码率降低、抗干扰性能提高。

使检测工作更能方便的实现。

可见光摄像机的控制信号主要是光圈、聚焦、调焦的通信控制。

设备的光圈、聚焦采用自动控制。

为了有效利用资源,直接将调焦控制编码和云台控制编码统一制定协议控制。

这样只需将解码器的LENSCOM和ZOOM同摄像机的控制调焦的接线端子连接即可。

视频传输经过控制计算机分析可以传输到基站进行处理。

红外热像仪作为主要的检测设备,其视频信号要求满足实时性,主动上报到基站,控制信号主要由变倍、调焦、温度范围、补偿等组成。

这里使用外挂网络视频服务器的方案,将红外热像仪的实时采集的信息以PAL的信号模式传输到网络视频服务器,由其转换成数字图像信号直接通过无线局域网络传输到基站分析处理。

其控制通信使用移动控制计算机上运行的控制服务器程序,由串行端口直接控制红外热像仪的变倍、调焦、温度范围、补偿等信号。

此硬件结构方案的设计,节约了移动站控制计算机的资源,提高了其计算效率。

外挂视频服务器更有利于红外图像的实时传输。

控制信号集中在控制计算机上,有利于开发和维护。

4.3机器人状态数据采集通信系统本机器人需要多种外部数据的采集提供,通过数据信息融合分析才能确定运动状态,使机器人正常行驶。

机器人的数据采集采用松耦合的方式,使用不同的采集方式,在允许的范围内机器人可以随意增加减少传感器的数量。

如图3所示,机器人外部环境数据有多种信号数据,比如激光雷达、GPS、超声等数据信息需要采集。

这些信息由串口RS232直接接入多串口卡分配器主动上报到移动控制计算机。

机器人本体的传感器信息设计为模拟量输出,有A/D卡采集到控制计算机进行综合分析。

计算机设有总体控制的软件,综合分析的结果可以通过串口或者I/O输出控制信号,调整车体运动状态实现机器人的正常运动。

5通信系统的软件5.1机器人的通信协议为了机器人规范的控制和方便的设计软件,制定了基于该机器人的串行通信协议和无线局域网数据通信协议。

5.1.1命令协议结构控制器发给主机或机器人的操作命令。

其中:

校验字XOR=START+COMMAND+P1+P2START-命令起始字,规定用0xAACOMMAND-命令字,不同命令使用不同命令字,0xC0-0xFEP1,P2-PARAMETER,命令参数。

5.1.2响应协议结构主机和机器人对控制器命令的简单响应及机器人基本状态传送。

其中:

XOR=RESPONSE+S1+S2+S3RESPONSE-响应字,规定用0xA5S1,S2,S3-STATUS,状态字0x01-0xFE,分别代表各种状态5.2机器人无线局域网通信协议无线局域网编写传输程序的过程中,数据是进行流传输。

为了数据的实时性和数据分析的准确图2变电站巡检机器