CN1727129A - 高压输电线自动巡检机器人控制器 - Google Patents

Abstract

本发明高压输电线自动巡检机器人控制器，涉及机器人技术领域，是根据分层递阶控制技术组成多个控制单元的控制器。该控制器将控制任务合理划分到各个控制单元，各控制单元间通过无线网络或串口进行通讯，通过传感器和摄像头采集的信息，自主判断识别障碍物类型，并结合存储在计算机中的越障动作序列知识库控制机器人各关节进行动作，完成自动巡检机器人的自主越障功能。且具有手动控制功能，实现手动控制。该控制器可实现自动巡检机器人上下线、自主在输电线路上行走、自主跨越防震锤、悬垂线夹等常见障碍，减轻了输电线路巡检的工作量，节省了人力物力，提高了线路巡检的工作效益。

Description

高压输电线自动巡检机器人控制器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，涉及110kv高压输电线路自动巡检机器人的控制系统，是根据分层递阶控制技术组成了由多个控制单元组成的控制器，形成了自动巡检机器人的可自主越障的运动控制系统。

背景技术

输电线路是电力系统的大动脉，它的安全稳定运行直接影响到电力系统的可靠性，必须投入大量的人力物力去开展线路的巡检工作。目前普遍采用人工巡检方法进行巡检，不仅工作量大、危险性高，而且很多危险的地方检测不到，造成一定隐患。为此，有必要开发一种能取代人工巡检的输电线路自动巡检机器人，以期达到减轻输电线路巡检的工作量，提高工作效益，达到确保输电线路安全运行的目的。而要实现机器人的自动巡检功能，就有必要开发一套针对自动巡检机器人的运动控制系统，来实现机器人的自主越障功能，完成自动巡检任务。自动巡检机器人不同于工业机器人、移动机器人等，其机械机构复杂，运动关节多，传感器信息多样，若采用工业机器人控制中的多轴运动卡控制方式则不易实现对自动巡检机器人的实时控制。因此有必要开发一种可实现多自由度控制，处理多种传感器信息的机器人控制系统，作为自动巡检机器人的专用控制器，确保实现机器人的自主越障功能。

发明内容

本发明的目的是提供110kv输电线路自动巡检机器人的运动控制器，使自动巡检机器人能够自主地跨越高压线路上的各种障碍，自主在线路上行走，进而代替人类进行输电线路的巡检工作，不仅减轻输电线路巡检的工作量，还提高工作效益和精度，达到确保输电线路安全运行的目的。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种高压输电线自动巡检机器人控制器，是按照分层递阶控制结构设计的，为三级自动巡检机器人专用控制器，由三个控制层次：管理层、组织协调层和执行层组成，

其中，管理层由远程主机构成，远程主机含有无线网卡；组织协调层由组织协调层主机构成，组织协调层主机含有无线网卡、切换开关、图像采集卡和串口；执行层由单片下位机，电机驱动器、信号处理器和传感器构成；

管理层的远程主机与组织协调层主机，通过无线网卡进行通讯，无线网卡分别通过相应转接卡挂接在远程主机的PCI插槽和组织协调层主机的总线上；组织协调层主机以串口与执行层的单片下位机电连接，执行层的单片下位机设于自动巡检机器人上，其电机驱动器分别与自动巡检机器人的各驱动电机电连接，其传感器经由信号处理器和单片下位机电连接。

所述的自动巡检机器人控制器：

a.管理层的远程主机通过无线点对点网络采用TCP/IP协议与组织协调层主机通讯，组织协调层主机通过串口采用全双工异步方式与执行层的单片下位机通讯；远程主机与组织协调层主机之间能够传输控制命令，并实现视频信号从组织协调层主机到远程主机的无线传输；组织协调层主机与执行层的单片下位机之间能够传输控制命令和传感器信息；

b.远程主机提供友好人机交互界面，提供操作人员开机、停止的宏观操作命令，能够接收显示组织协调层主机传输来的视频图像，并能够对图像做分析和存储；组织协调层主机主要完成越障动作规划、图像采集、图像压缩传输、图像压缩存储、图像处理分析、障碍物识别；执行层的单片下位机能够实现对底层机器人驱动电机的控制，并能够读取传感器的信息。

所述的自动巡检机器人控制器，其所述执行层，其信号处理器，由地址译码器、输出锁存器、数个输入缓冲器组成；执行层的单片下位机、地址译码器、输出锁存器、电机驱动器、第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器均安装在同一块电路印刷板上；单片下位机通过串口与组织协调层主机相连，单片下位机的A口与地址译码器的I口相连，输出锁存器、第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器的D口与单片下位机的D口相连，输出锁存器、第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器的A口与地址译码器的O口相连；电机驱动器的I口与输出锁存器的O口相连，O口与机器人的一个关节电机相连；第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器的I口与传感器相连。

所述的自动巡检机器人控制器，其所述输出锁存器为复数个，与复数个关节电机相连接；第一、第二、第三输入缓冲器均为复数个，与复数个传感器相连接。

所述的自动巡检机器人控制器，其所述切换开关为手动/自动切换开关，其由一三态双掷开关和一二选一选择开关组成，其中，电机驱动器的O口与选择开关的I1口相连，双掷开关的输出与选择开关的I2相连，选择开关的O口与电机M相连；选择开关设有选择按键。

所述的自动巡检机器人控制器，其所述传感器为复数个，包括电机码盘、超声传感器、红外传感器和摄像头，超声传感器、红外传感器和摄像头分别固设于自动巡检机器人的手臂上；电机码盘、超声传感器、红外传感器与执行层单片下位机电连接，CMOS摄像头通过图像采集卡与组织协调层主机电连接。

所述的自动巡检机器人控制器，其能够实时控制10个以上电机的运动，完成自动巡检机器人越障所需的复杂运动过程；能够检测处理20路以上多种传感器信号，确定机器人运动的当前状态和外部环境。

本发明基于工程实用性和可靠性考虑，设计了可靠的手动/自动可切换的自动巡检机器人控制器系统。手动系统用于机器人的上线、下线，障碍情况异常复杂段线路的巡检，机器人出现故障情况下的运动控制等，而自动控制系统可以保证机器人在无需人类干预的情况下，自主的实现越障动作，完成设定的巡检任务。

本发明的显著特点在于把自动巡检机器人的控制系统设计与机器人本体的机构特点有机的结合在一起，充分发挥了专用控制器的特点，利用机构设计上的优势，降低实时控制的难度，同时通过合理的控制方式，弥补机器人机构上的不足。

本发明的技术核心在于将分层递阶控制引入到控制器的设计中，通过将控制任务合理的分配，使机器人可以快速准确的完成运动控制和巡检任务。

本发明采用分层递阶技术组成的自动巡检机器人专用控制器，实现了机器人的手动/自动切换控制，完成了自动跨越输电线路上的防震锤、悬垂线夹等典型障碍。该发明使机器人具有更强的自主性，可以实现在无人类干预的情况下的越障动作。因此，该发明可以有效的减轻输电线路巡检的工作量，节省线路巡检所需的人力物力，对于线路巡检的工作效益、确保输电质量具有重要的作用。

本发明提出的分级递阶自动巡检机器人控制器的主要优点如下：控制器由多个控制层次单元组成，每个单元完成对自动巡检机器人越障运动控制的一部分任务，在运动控制中具有很大的灵活性，可以完成各种复杂的动作控制，并能实时检测当前运动状态和外部环境信息。对于操作人员一方而言，只需在远程主机上进行简单的控制操作，就可以实现对自动巡检机器人复杂的运动过程的控制，具有简单易用的特点；内部越障程序采用知识库方式进行存储，对于输电线路上的几种典型障碍，都存储了相应的跨越知识库，可以实现输电线路中的常见障碍的跨越行为；控制器具有手动/自动切换功能，在正常运行时，采用自动行为功能，实现在无需人类干预的情况下的线路巡检任务，在上下线及意外情况时，采用手动控制功能，使机器人完成一些很难自主完成的动作过程。

附图说明

图1为自动巡检机器人控制器体系的结构框图。

图2是自动巡检机器人控制器中执行层的下位机的控制接线示意图；

图3是自动巡检机器人控制器中组织协调层的自动/手动控制接线示意图。

具体实施方式

图1为该控制器的结构组成图，控制器由三部分组成，即三个控制层次：管理层、组织协调层和执行层。其中，管理层由远程主机构成，远程主机含有无线网卡；组织协调层由PC104主机构成，组织协调层的PC104主机含有无线网卡、切换开关、图像采集卡和串口；执行层由单片下位机，电机驱动器、信号处理器和传感器构成。

管理层的远程主机与组织协调层的PC104主机，通过无线网卡进行Socket通讯，组织协调层由PC104主机以串口与执行层的单片下位机电连接，执行层的单片下位机设于自动巡检机器人(图中没示出)上，其电机驱动器分别与自动巡检机器人的各驱动电机(图中没示出)电连接，其传感器经由信号处理器和单片下位机电连接。传感器包括电机码盘、超声传感器、红外传感器和摄像头，超声传感器、红外传感器和摄像头分别固设于自动巡检机器人的手臂(图中没示出)上。

管理层的远程主机，为自动巡检机器人设定相应的巡检任务，也可以远程控制机器人的运动，还可以接收到摄像头从巡检现场传回的巡检图像。组织协调层的PC104主机，完成机器人的运动分析与路径规划，视频图像的采集、处理、压缩、存储、传输，障碍的分析与识别，巡检目标的检测与分析等。执行层的单片下位机处理传感器所检测到的信息并将之反馈给组织协调层的PC104主机，并执行组织协调层的PC104主机所下发的电机运动命令，控制自动巡检机器人驱动电机的运转。远程主机与组织协调层的PC104主机之间由无线网卡建立点对点连接，采用TCP/IP协议进行Socket通讯，远程主机向组织协调层的PC 104主机发送控制命令，组织协调层的PC104主机向远程主机发送视频图像和机器人外部环境信息。组织协调层的PC104主机和执行层的下位机采用全双工异步串口通讯，8位数据与累加和校验方式，组织协调层的PC104主机向执行层的下位机发送运动命令，执行层的下位机向组织协调层的PC104主机发送传感器信息。而当需要对机器人进行手动控制时，则将组织协调层PC104主机的切换开关打到手动模式，这样就可以对机器人进行直接的手动控制。

图1的工作原理如下：远程主机和组织协调层的PC104主机通过Orinoco无线网卡形成无线通信局域网络，其中Orinoco无线网卡分别通过相应转接卡挂接在远程主机的PCI插槽和组织协调层的PC104主机总线上。操作人员利用远程主机通过无线网络向组织协调层的PC104主机发送开机控制命令并设定相应的巡检任务；组织协调层的PC 104主机接收到开机控制命令后，启动运动控制程序，并开始采集实时图像，用于视觉伺服运动控制，并将图像进行压缩、存储，并根据远程主机的命令确定是否进行视频远程传输；机器人的行走轮在执行层的下位机的控制下前行，当安装在机器人上的超声和红外等传感器检测到前方有障碍物时，执行层的下位机将传感器信息发送给组织协调层的PC104主机；组织协调层的PC104主机再利用图像分析确定障碍物的类型和前方线路的具体情况，并由此进行运动的规划，得到机器人各关节的运动序列与运动参数，并把这些命令发送给执行层的下位机；执行层的下位机接收到这些命令，并逐条进行顺序执行，完成机器人的越障动作。在执行过程中，传感器还将检测到一些信息，执行层的下位机在执行命令的过程中仍要将这些信息传送给组织协调层的PC104主机，组织协调层的PC104主机要对这些信息进行分析与处理，来判断所进行的运动规划是否正确，是否需要调整，形成了一种基于传感器的运动伺服控制系统。在组织协调层的PC104主机的运动规划中，采用基于知识库的控制方法，通过多次实验得到了控制所需的知识规则库，并利用这些规则库形成运动规划的控制系统。这种控制方式克服了由于线路柔性引起线路变形所带来的不确定性因素，克服了机器人悬挂系统运动中不可避免的摆动所带来的不稳定因素，比较有效的完成了对机器人运动规划的控制设计。

图2是自动巡检机器人控制器执行层的下位机的控制接线示意图。图中，执行层的信号处理器，由地址译码器C2、输出锁存器C3、数个输入缓冲器C4、C5和C6组成；C1为执行层的单片下位机AT89S51，它通过串口与组织协调层的PC104主机相连，C2为地址译码器74LS138，C3为输出锁存器74LS373，C4、C5及C6为输入缓冲器74LS244，C1、C2、C3、C4、C5和C6均安装在同一块电路印刷板上；C1的A口与C2的I口相连，C3、C4、C5和C6的D口与C1的D口相连，A口与C2的O口相连；C7为电机驱动器，M为机器人的一个关节电机，E为电机码盘信号输出单元，S为超声传感器，I为红外传感器，C7的I口与C2的O口相连，O口与M相连，C4的I口与E相连，C5的I口与S相连，C6的I口与I相连。

其中，输出锁存器C3、第一输入缓冲器C4、第二输入缓冲器C5、第三输入缓冲器C6均为复数个(图中没有示出)，与输出锁存器C3连接的关节电机有14个，与第一输入缓冲器C4连接的传感器有13个，与第二输入缓冲器C5连接的传感器有12个，与第三输入缓冲器C6连接的传感器有6个。

图2的工作原理如下：通过组织协调层的PC104主机的串口下发给C1所需执行的命令，C1通过A口选择控制对象C3，并通过D口将控制命令发出给C3，C3再将信号放大传送给电机驱动器C7，进而驱动器C7驱动电机M完成相应的运动命令。C1通过内部定时器定时通过A口分别选择查询对象C4、C5、C6，码盘输出信号、超声传感器状态信号、红外传感器状态信号就分别通过C4、C5、C6的I口进入到C1的D口，然后C1再根据所查询到的状态值由内部程序来决定执行相应的操作。

图3是自动巡检机器人控制器中组织协调层的自动/手动控制的接线示意图。图中C7为电机驱动器(同图2中的C7)，C8为三态双掷开关，C9为二选一选择开关，C7的O口与C9的I1口相连，C8的输出与C9的I2相连，C9的C为选择开关的选择按键；C9的O口与电机M相连。

其工作原理如下：按下C9的C按键，使C9的O与I1接通，计算机的输出信号经过C7的O口到达C9的O口，与电机M相接，可以实现计算机的自动控制功能；将C9的C按键弹出，使C9的O与I2相接，三态开关C8的输出信号到达C9的O，进而与电机M相接，从而通过手动控制三态开关C8，即可实现对电机的手动控制。

由图1所示的控制结构所搭建的控制系统完成了自动巡检机器人的自主跨越防震锤、悬垂线夹、手动上下线的控制。搭建了有十三个运动关节的三臂仿生的自动巡检机器人，机器人由三个行走轮、三个手臂开合关节、三个手臂伸缩关节、二个手臂俯仰关节(前后臂各一个)、二个手臂摆动关节(前后臂各一个)等十三个关节组成，每个手臂上都装有超声传感器用来探测防震锤和悬垂线夹等障碍物，并装有红外传感器用来检测输电线在手臂中的位置，手臂上装有CMOS摄像头用来采集线路图片。

本发明是实现自动巡检机器人手动上下线与自主越障的控制装置。

手动上下线时，由于机器人采用手臂开合抱线方式，在上线前将控制方式打到手动控制模式，手动控制三个机器手手掌全部打开，利用上线附近装置将机器人挂到输电线路上，使输电线路进入三只手臂的手掌之中，然后手动控制三个机器手掌全部闭合，就完成了机器人的手动上线功能。手动下线过程与上线过程类似，反方向进行。

自主越障是在自动巡检机器人自动控制模式下完成对防震锤和悬垂线夹的自主跨越功能的。操作人员通过远程主机，控制机器人的开机、停止、前进、后退等简单操作，机器人启动后，通过安装在机器人手臂上超声传感器，控制器检测到机器人前方的障碍物情况，通过CMOS摄像头采集障碍物图片，经过图像处理分析，辨别出障碍物类型，然后调用存储在计算机内部的越障知识库，由组织协调层的PC104主机根据当前的机器人状态和外部环境情况，向执行层的下位单片机发送执行命令，下位单片机对底层电机进行直接控制。控制器根据知识库完成越障动作，直到实现障碍物跨越的整个动作过程。

Claims (7)

1.一种高压输电线自动巡检机器人控制器，是按照分层递阶控制结构设计的，由三个控制层次：管理层、组织协调层和执行层组成，其特征在于：

其中，管理层由远程主机构成，远程主机含有无线网卡；组织协调层由组织协调层主机构成，组织协调层主机含有无线网卡、切换开关、图像采集卡和串口；执行层由单片下位机，电机驱动器、信号处理器和传感器构成；

管理层的远程主机与组织协调层主机，通过无线网卡进行通讯，无线网卡分别通过相应转接卡挂接在远程主机的PCI插槽和组织协调层主机的总线上；组织协调层主机以串口与执行层的单片下位机电连接，执行层的单片下位机设于自动巡检机器人上，其电机驱动器分别与自动巡检机器人的各驱动电机电连接，其传感器经由信号处理器和单片下位机电连接。

2.如权利要求1所述的自动巡检机器人控制器，其特征在于：

a.管理层的远程主机通过无线点对点网络采用TCP/IP协议与组织协调层主机通讯，组织协调层主机通过串口采用全双工异步方式与执行层的单片下位机通讯；远程主机与组织协调层主机之间能够传输控制命令，并实现视频信号从组织协调层主机到远程主机的无线传输；组织协调层主机与执行层的单片下位机之间能够传输控制命令和传感器信息；

b.远程主机提供友好人机交互界面，提供操作人员开机、停止的宏观操作命令，能够接收显示组织协调层主机传输来的视频图像，并能够对图像做分析和存储；组织协调层主机主要完成越障动作规划、图像采集、图像压缩传输、图像压缩存储、图像处理分析、障碍物识别；执行层的单片下位机能够实现对底层机器人驱动电机的控制，并能够读取传感器的信息。

3.如权利要求1所述的自动巡检机器人控制器，其特征在于：所述执行层，其信号处理器，由地址译码器、输出锁存器、数个输入缓冲器组成；执行层的单片下位机、地址译码器、输出锁存器、电机驱动器、第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器均安装在同一块电路印刷板上；单片下位机通过串口与组织协调层主机相连，单片下位机的A口与地址译码器的I口相连，输出锁存器、第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器的D口与单片下位机的D口相连，输出锁存器、第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器的A口与地址译码器的O口相连；电机驱动器的I口与输出锁存器的O口相连，O口与机器人的一个关节电机相连；第一输入缓冲器、第二输入缓冲器和第三输入缓冲器的I口与传感器相连。

4.如权利要求3所述的自动巡检机器人控制器，其特征在于：所述输出锁存器为复数个，与复数个关节电机相连接；第一、第二、第三输入缓冲器均为复数个，与复数个传感器相连接。

5.如权利要求1所述的自动巡检机器人控制器，其特征在于：所述切换开关为手动/自动切换开关，其由一三态双掷开关和一二选一选择开关组成，其中，电机驱动器的O口与选择开关的I1口相连，双掷开关的输出与选择开关的I2相连，选择开关的O口与电机M相连；选择开关设有选择按键。

6.如权利要求1、2或3所述的自动巡检机器人控制器，其特征在于：所述传感器为复数个，包括电机码盘、超声传感器、红外传感器和摄像头，超声传感器、红外传感器和摄像头分别固设于自动巡检机器人的手臂上；电机码盘、超声传感器、红外传感器与执行层单片下位机电连接，CMOS摄像头通过图像采集卡与组织协调层主机电连接。

7.如权利要求1所述的自动巡检机器人控制器，其特征在于：能够实时控制10个以上电机的运动，完成自动巡检机器人越障所需的复杂运动过程；能够检测处理20路以上多种传感器信号，确定机器人运动的当前状态和外部环境。

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