CN108429186A - 一种架空配电线路巡检机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空配电线路巡检机器人控制系统，包括地面基站管理层、机器人控制规划层和运动命令执行层，所述地面基站管理层构成地面基站控制系统；所述机器人控制规划层和运动命令执行层组成机器人本体控制系统；所述地面基站控制系统对巡检机器人进行遥控操作，并分析处理机器人本体控制系统发回的图像信息和数据信息。本发明的架空配电线路巡检机器人控制系统，可实现巡检机器人高效、可靠的运行。

Description

一种架空配电线路巡检机器人控制系统

技术领域

本发明涉及一种架空配电线路巡检机器人控制系统。

背景技术

针对架空配电线路而言，由于线路结构与路径复杂、规模庞大，利用人工巡线的方式显然不能满足电网运行要求。目前较先进的智能化巡线以直升机巡线为主，该方法主要包括直升机巡线、大型无人机巡线、中小型无人机巡线等。有人直升机巡线效果好，但存在空域控制、巡线成本等因素，且巡线周期长，显然不适合配电网线路巡线。

移动机器人技术的发展为架空配电线路的检查工作提供了新的手段。线路机器人巡线虽然速度较慢，但是可以长时间在线巡线、多次重复巡线，且能适应跨越城市交通设施、市政设施、及其他复杂地理环境和交叉跨越环境的线路巡线，具有全自主巡线、无巡视盲区、巡视周期短、巡线费用低等显著优势，是配电线路尤其是城市高压配网智能巡线技术发展的重要方向。

架空配电线路巡线机器人通过自动控制方式，可以实现沿着传输线以一定的速度爬行，跨越如配重、线夹、隔离字符串的障碍和绝缘棒，检查杆塔、导线、绝缘子、线路金具等，这样就可以很轻松的对线路进行检查工作，因此可以代替人工或直升机巡线，必然会降低高压线路的维护成本，提高巡线的效率和精度。

但是由于实际线路中障碍物类型多，工作环境极为复杂，属于非结构化的环境。巡检机器人可控关节多，越障时动作过程非常复杂，架空线路这种特殊环境下巡检机器人难以控制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种架空配电线路巡检机器人控制系统，可实现多自由度控制和处理多种传感器信息的控制，实现巡检机器人高效、可靠的运行。

实现上述目的的技术方案是：一种架空配电线路巡检机器人控制系统，包括地面基站管理层、机器人控制规划层和运动命令执行层，其中：

所述地面基站管理层包括地面监控计算机、第一无线数据收发模块、第一图像采集卡、第一无线图像收发模块和电源；所述第一无线数据收发模块、图像采集卡和电源分别与所述地面监控计算机相连；所述第一无线图像收发模块与所述图像采集卡相连；

所述机器人控制规划层包括机器人主控计算机、第二无线数据收发模块、第二图像采集卡、数据采集卡、第一I/O板卡、手动控制单元、球形摄像机、热释电传感器、激光传感器和电磁传感器；所述第二无线数据收发模块、第二图像采集卡、数据采集卡、第一I/O板卡和手动控制单元分别与所述机器人主控计算机相连；所述球形摄像机与所述第二图像采集卡相连；所述热释电传感器与所述数据采集卡相连；所述激光传感器和电磁传感器分别与所述I/O板卡相连；

所述运动命令执行层包括单片机、电源系统、第二I/O板卡、限位开关、传感器模块、可见光摄像机、红外成像仪、第二无线图像收发模块、若干电机驱动器和若干电机；所述电源系统分别为所述机器人主控计算机、单片机和第二I/O板卡供电；所述第二I/O板卡、若干电机驱动器和若干电机分别与所述单片机相连；所述若干电机驱动器一一对应地与所述若干电机相连；所述限位开关、传感器模块、可见光摄像机和红外成像仪分别与所述第二I/O板卡相连；所述可见光摄像机和红外成像仪分别与所述第二无线图像收发模块相连；

所述机器人主控计算机与所述单片机相连；

所述第一无线数据收发模块和所述第二无线数据收发模块进行无线通讯；

所述第一无线图像收发模块和第二无线图像收发模块进行无线通讯。

上述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其中，所述运动命令执行层中，所述传感器模块包括力敏传感器、电流传感器和电压传感器。

上述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其中，所述地面基站管理层构成地面基站控制系统；所述机器人控制规划层和运动命令执行层组成机器人本体控制系统；所述地面基站控制系统对巡检机器人进行遥控操作，并分析处理机器人本体控制系统发回的图像信息和数据信息。

上述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其中，所述巡检机器人控制系统具有两种工作方式，分别为自主控制方式和主从遥控方式：

在所述自主控制方式下，所述机器人本体控制系统实时地对各种传感器信息进行处理与分析，从而获取周围环境信息，并自动生成动作规划，实现机器人在架空线上的自主爬行和越障；

当机器人所处局部环境过于复杂不能自动地提供可靠的导航信息时，或机器人本体发生故障时，所述机器人本体控制系统发出报警信号，改为采用主从遥控方式，启用所述手动控制单元，由操作人员辅助机器人完成爬行、越障和巡视任务，或使机器人停止运行。

上述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其中，所述激光传感器进行粗略判断，若所述激光传感器检测到前方存在障碍物，所述机器人主控计算机对所述球形摄像机采集的图像进行处理与分析，进一步确定障碍物的类型。

上述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其中，所述热释电传感器采集的数据信息通过所述数据采集卡传输给所述机器人主控计算机；

所述机器人主控计算机和地面监控计算机通过所述第二无线数据收发模块和第一无线数据收发模块进行无线通讯；

所述可见光摄像机和红外成像仪采集的图像信息通过所述第二无线图像收发模块和第一无线图像收发模块无线传输给所述第一图像采集卡。

本发明的架空配电线路巡检机器人控制系统，建立了位于地面基站的管理层(上层)、机器人控制规划层(中间层)与运动命令执行层(下层)的多层控制系统，可实现巡检机器人高效、可靠的运行，采用“基于知识库的自主控制”和“基于视觉的遥控主从控制”的混合控制方法较好地解决了架空线路这种特殊环境下机器人难以控制的问题。

附图说明

图1为本发明的架空配电线路巡检机器人控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的最佳实施例，一种架空配电线路巡检机器人控制系统，包括地面基站管理层1、机器人控制规划层2和运动命令执行层3。

地面基站管理层1包括地面监控计算机11、第一无线数据收发模块12、第一图像采集卡13、第一无线图像收发模块14和电源15；第一无线数据收发模块12、图像采集卡13和电源15分别与地面监控计算机11相连；第一无线图像收发模块14 与图像采集卡13相连。

机器人控制规划层2包括机器人主控计算机21、第二无线数据收发模块22、第二图像采集卡23、数据采集卡24、第一I/O板卡25、手动控制单元26、球形摄像机27、热释电传感器28、激光传感器和电磁传感器29；第二无线数据收发模块22、第二图像采集卡23、数据采集卡24、第一I/O板卡25和手动控制单元26分别与机器人主控计算机21相连；球形摄像机27与第二图像采集卡23相连；热释电传感器 28与数据采集卡24相连；激光传感器和电磁传感器29分别与I/O板卡25相连。

运动命令执行层3包括单片机31、电源系统32、第二I/O板卡33、限位开关 34、传感器模块35、可见光摄像机36、红外成像仪37、第二无线图像收发模块38、若干电机驱动器39和若干电机30；电源系统32分别为机器人主控计算机21、单片机31和第二I/O板卡33供电；第二I/O板卡33、若干电机驱动器39和若干电机 30分别与单片机31相连；若干电机驱动器39一一对应地与若干电机30相连，优选采用16个电机驱动器39和16个电机30；限位开关34、传感器模块35、可见光摄像机36和红外成像仪37分别与第二I/O板卡33相连；可见光摄像机36和红外成像仪37分别与第二无线图像收发模块38相连。传感器模块35包括力敏传感器、电流传感器和电压传感器。

机器人主控计算机21与单片机31相连；第一无线数据收发模块12和第二无线数据收发模块22进行无线通讯；第一无线图像收发模块14和第二无线图像收发模块38进行无线通讯。

本发明的架空配电线路巡检机器人控制系统，地面基站管理层1构成地面基站控制系统；机器人控制规划层2和运动命令执行层3组成机器人本体控制系统；地面基站控制系统对巡检机器人进行遥控操作，并分析处理机器人本体控制系统发回的图像信息和数据信息。

本发明的架空配电线路巡检机器人控制系统具有两种工作方式，分别为自主控制方式和主从遥控方式：

在自主控制方式下，机器人本体控制系统实时地对各种传感器信息进行处理与分析，从而获取周围环境信息，并自动生成动作规划，实现机器人在架空线上的自主爬行和越障；

当机器人所处局部环境过于复杂不能自动地提供可靠的导航信息时，或机器人本体发生故障时，机器人本体控制系统发出报警信号，改为采用主从遥控方式，启用手动控制单元26，由操作人员辅助机器人完成爬行、越障和巡视任务，或使机器人停止运行。

激光传感器和球形摄像机27组成导航模块，目的是对巡检机器人本体上所安装的各种传感器信息进行处理，从而获取机器人当前所处环境，为机器人的自主动作规划提供准确可靠的导航信息。首先由激光传感器进行粗略判断，若激光传感器检测到前方存在障碍物，机器人主控计算机21对球形摄像机27采集的图像进行处理与分析，进一步确定障碍物的类型。在该导航模块中后者即基于图像(视觉)的导航部分起着至关重要的作用，其处理结果直接决定着控制决策的正确性和准确性。同时在该模块中只有当激光传感器检测到可能存在的障碍物后，才进行视觉检测过程，这样可尽量少地占用内存，提高机器人主控计算机21的处理效率。

热释电传感器28采集的数据信息通过数据采集卡24传输给机器人主控计算机21；机器人主控计算机21和地面监控计算机11通过第二无线数据收发模块22和第一无线数据收发模块12进行无线通讯；可见光摄像机36和红外成像仪37采集的图像信息通过第二无线图像收发模块38和第一无线图像收发模块14无线传输给第一图像采集卡13。

由于架空线的柔性，难以精确控制巡检机器人各关节的位置和姿态，带有一定的随机性和不可预测性。因此为降低控制难度，运动命令执行层3采用粗略和精确两级控制方式。粗略控制采用离线规划的方式，即通过大量实验获取巡检机器人跨越各种障碍物的大致的动作序列，包括各关节的运动顺序、位移(包括平移和转角) 变化量和速度等参数的设置，类似于示教的方式。在程序实现中，将离线规划的各种越障动作集合在越障知识库中，因此离线规划也称为基于知识库的控制方法。精确控制采用基于传感器信息的伺服控制方法，即根据巡检机器人各关节上的传感器所反馈回的信号，判断各关节是否运动到适当的位置，如果没有检测到正确的信号，此时需对各关节进行相应的调整，以保证机器人运动的准确性。

机器人主控计算机21采用的是PC104主机。PC104系列计算机是专为各种工业控制开发的嵌入式小型计算机，作为嵌入式PC机的一种，在软件与硬件上，PC104 与标准台式PC(PC/AT)体系结构完全兼容，但在形态上，PC104是十分紧凑、自栈式、模块化结构。PC104把各种台式PC重新包装以满足要求坚固、可靠、尺寸受限的嵌入式系统的方法进行了标准化；PC104产品具有微型尺寸(90x 96mm)、栈接式总线、总线信号功能与PC/AT总线相对应的信号完全相同、减小总线驱动、ALL in ONE(内存、电子盘及以太网等外设集于一块印制版中)等特点。非常适合于可用空间小、操作界面较简单、实时过程控制较复杂、工作环境恶劣和背景噪声大的场合。

地面监控计算机11选用一研华全长CPU卡PCA-6187。PCA-6187采用Intel 865G芯片组，支持Intel Socket 478Pentium4/Celeron处理器，支持400/533/800前端总线，由于支持双通道DDR400内存，因此提供更高的内存带宽。除了支援IDE 界面外，PCA-6187还支援SATA界面，可以有更高的磁盘性能表现，更细的更长的线缆便于布线。其它的特点包括内建高性能VGA显示卡，双千兆以太网接口，双通道Ultra 160SCSI界面，丰富的串口和软驱接口。

第一图像采集卡13采用北京嘉恒中自的OK_C20A卡，是基于PCI总线的彩色图像采集卡，适用于图像处理、工业监控和多媒体的压缩、处理等研究开发和工程应用领域。

第二图像采集卡23采用微视MOKA-C10，该板卡是基于PC104PLUS总线结构的彩色/黑白信号的图像采集卡。PC/104PLUS总线标准由PC/104总线和PCI 总线两种不同总线构成，具有功耗低、体积小、适用于各种恶劣环境等特点，是一种嵌入式总线结构。该图像采集卡可在恶劣环境下比如阳光直射、矿井中、行驶的汽车等场合，都能稳定正常地工作，是一种较高性能的图像采集卡。

第一I/O板卡25和第二I/O板卡33选用的是瑞士产IR104，它有20路光电隔离数字量输入(3-24VDC输入或3-24VAC输入)，20路SPDT(Form C)继电器输出，最大开关能力DC:50W/AC:1250VA，长寿命继电器操作2000万次操作，最大操作电压150VDC/250VAC，最大电流AC:5A/30VDC或250VAC，输入阻抗2.8K欧姆。输入2×20芯，输出:双1×20芯带锁螺丝紧固终端，操作温度-25℃～+70℃。

第一无线数据收发模块12和第二无线数据收发模块22选用的是深圳友迅达科技发展有限公司生产的FC-206/B无线高速SCADA数传电台。它是利用先进的数字信号处理技术，无线射频技术，微处理器及计算机网络技术设计的一款无线高速 SCADA数传电台。本电台采用GMSK调制解调，FEC/CRC纠错，温补频率合成器，在较窄的频带范围(25KHz)内，实现高速数据双向传输。

第一无线图像收发模块14和第二无线图像收发模块38选用KD1100L型系列微波开路电视传输系统，工作频率970～2200MHz，可以无线、同步传输一路图像信号和一路伴音或两路伴音信号，主要用于远距离图像监控系统，作为视频信号和声音信号的传输通道，所获得的图像和伴音实时、连续、无失真。利用调制解调器， KD1100L型产品可以在传输图像信号的同时，传输一路低速率数据信号 (2400/1200bit/s)。

单片机31选用的是ATmega128AU。

综上所述，本发明的架空配电线路巡检机器人控制系统，可实现多自由度控制和处理多种传感器信息的控制，实现巡检机器人高效、可靠的运行。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其特征在于，包括地面基站管理层、机器人控制规划层和运动命令执行层，其中：

所述地面基站管理层包括地面监控计算机、第一无线数据收发模块、第一图像采集卡、第一无线图像收发模块和电源；所述第一无线数据收发模块、图像采集卡和电源分别与所述地面监控计算机相连；所述第一无线图像收发模块与所述图像采集卡相连；

所述机器人控制规划层包括机器人主控计算机、第二无线数据收发模块、第二图像采集卡、数据采集卡、第一I/O板卡、手动控制单元、球形摄像机、热释电传感器、激光传感器和电磁传感器；所述第二无线数据收发模块、第二图像采集卡、数据采集卡、第一I/O板卡和手动控制单元分别与所述机器人主控计算机相连；所述球形摄像机与所述第二图像采集卡相连；所述热释电传感器与所述数据采集卡相连；所述激光传感器和电磁传感器分别与所述I/O板卡相连；

所述运动命令执行层包括单片机、电源系统、第二I/O板卡、限位开关、传感器模块、可见光摄像机、红外成像仪、第二无线图像收发模块、若干电机驱动器和若干电机；所述电源系统分别为所述机器人主控计算机、单片机和第二I/O板卡供电；所述第二I/O板卡、若干电机驱动器和若干电机分别与所述单片机相连；所述若干电机驱动器一一对应地与所述若干电机相连；所述限位开关、传感器模块、可见光摄像机和红外成像仪分别与所述第二I/O板卡相连；所述可见光摄像机和红外成像仪分别与所述第二无线图像收发模块相连；

所述机器人主控计算机与所述单片机相连；

所述第一无线数据收发模块和所述第二无线数据收发模块进行无线通讯；

所述第一无线图像收发模块和第二无线图像收发模块进行无线通讯。

2.根据权利要求1所述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其特征在于，所述运动命令执行层中，所述传感器模块包括力敏传感器、电流传感器和电压传感器。

3.根据权利要求1所述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其特征在于，所述地面基站管理层构成地面基站控制系统；所述机器人控制规划层和运动命令执行层组成机器人本体控制系统；所述地面基站控制系统对巡检机器人进行遥控操作，并分析处理所述机器人本体控制系统发回的图像信息和数据信息。

4.根据权利要求3所述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其特征在于，所述巡检机器人控制系统具有两种工作方式，分别为自主控制方式和主从遥控方式：

在所述自主控制方式下，所述机器人本体控制系统实时地对各种传感器信息进行处理与分析，从而获取周围环境信息，并自动生成动作规划，实现机器人在架空线上的自主爬行和越障；

当机器人所处局部环境过于复杂不能自动地提供可靠的导航信息时，或机器人本体发生故障时，所述机器人本体控制系统发出报警信号，改为采用主从遥控方式，启用所述手动控制单元，由操作人员辅助机器人完成爬行、越障和巡视任务，或使机器人停止运行。

5.根据权利要求1所述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其特征在于，

所述激光传感器进行粗略判断，若所述激光传感器检测到前方存在障碍物，所述机器人主控计算机对所述球形摄像机采集的图像进行处理与分析，进一步确定障碍物的类型。

6.根据权利要求1所述的一种架空配电线路巡检机器人控制系统，其特征在于，所述热释电传感器采集的数据信息通过所述数据采集卡传输给所述机器人主控计算机；

所述机器人主控计算机和地面监控计算机通过所述第二无线数据收发模块和第一无线数据收发模块进行无线通讯；

所述可见光摄像机和红外成像仪采集的图像信息通过所述第二无线图像收发模块和第一无线图像收发模块无线传输给所述第一图像采集卡。