CN102114635A - 巡线机器人智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种机器人领域的控制器，具体是一种应用于架空电力线路巡线机器人的嵌入式智能控制器。巡线机器人沿架空电力线路长距离运行，首先需要有充足的能源提供，目前据国内外文献均是采用电池供电，续航能力有限。要实现自主巡检需要跨越防震锤、悬垂绝缘子、线夹、杆塔等各种障碍，因此要求有一套具有全局定位能力的导航***和运动控制模块以实现机器人在线路上的自由移动。因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单，并且使用寿命长，易于推广；2.具有全局定位能力的导航***和运动控制模块以实现机器人在线路上的自由移动且定位精准。

Description

巡线机器人智能控制器

技术领域

本发明涉及的是一种机器人领域的控制器，具体是一种应用于架空电力线路巡线机器人的嵌入式智能控制器。

背景技术

巡线机器人是诸多高新技术的集成，用智能机器人进行线路巡检，是机器人技术和电力巡检技术发展的必然趋势，同时也是特种机器人的新研究领域。用机器人巡检线路，将可避免人工巡线对巡检精度的影响，到达人工难以到达的线路，提高巡检效率，极大降低巡检劳动强度和人工巡线潜在的风险。相对于用直升机巡线，用机器人巡检线路，将极大降低巡线的高昂费用，同时可准确获得线路状态信息，为实施线路状态检修提供科学依据。巡线机器人的主要巡检目标是通过搭载的可见光摄像机、红外成像仪等设备，获得巡检线路沿线环境情况、杆塔和基础情况、导线和架空地线情况、绝缘子情况、防雷以及接地装置情况、附件及其它设备情况。随着技术的发展，依靠搭载的其他设备，将会完善巡检技术，同时实现线路的自主维护。

在架空电力线路巡线机器人领域，已有日本东京电力公司的Sawada等人、美国TRC公司、加拿大魁北克水电研究院(IREQ)的Moutambault等人先后开展了巡线机器人的研究工作，但他们研制的巡线机器人工作时一般需要人工辅助，作业范围小，自治程度低。国内有武汉大学在863基金项目资助下开展了具有行走和越障功能的架空电力线路巡线机器人的研究，并申请了专利CN200410061316.8、CN200410061314.9、CN200320116267.4、CN200510019930.2、CN200810048943.6、CN200810048756.8、CN200810048943.6。

巡线机器人沿架空电力线路长距离运行，首先需要有充足的能源提供，目前据国内外文献均是采用电池供电，续航能力有限。要实现自主巡检需要跨越防震锤、悬垂绝缘子、线夹、杆塔等各种障碍，因此要求有一套具有全局定位能力的导航***和运动控制模块以实现机器人在线路上的自由移动。最终由巡检模块获得线路的可见光、红外图像等信息，存储在机器人本体内或经由数据传输模块传送到地面。开发一种综合电源模块、运动控制模块、导航模块、巡检模块和数据传输模块的巡线机器人智能控制器必不可少，同时还需要满足体质小，能耗低，可靠性高和抗电磁干扰能力强等要求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的目前据国内外文献均是采用电池供电，续航能力有限等的技术问题；提供了一种具有充足的能源提供的巡线机器人智能控制器。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的现机器人在线路上的自由移动时不能全局定位能力且定位不精准等的技术问题；提供了一种具有全局定位能力的导航***和运动控制模块以实现机器人在线路上的自由移动且定位精准的巡线机器人智能控制器。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种巡线机器人智能控制器，其特征在于，包括：

中央控制模块：由三块基于PC104总线的板卡堆栈而成，一块CPU模块(PCM-3370)和两个数据采集模块(PM511P和PCM-5132)，可以根据预设程序和杆塔、线路信息自主规划机器人的巡检步骤；

电源模块：向机器人的整个控制器提供电源，由感应取电电源和可充电蓄电池组成智能的电源模块；

运动控制模块：由3个驱动器控制9个直流伺服电机，由电机驱动切换板实现驱动器与电极之间的切换；

导航模块：包括GIS-GPS模块以及电磁传感器阵列；

巡检模块：通过标准RS232C串口接收中央控制器发出的控制指令实现可见光摄像机和红外成像仪的巡检，完成仪器的开启和关闭、定位、变焦、放大、拍摄动作，所得到的可见光和红外图象保存在存储卡内；

数据传输模块：通过标准的RS232C串口与中央控制模块进行通信，通过无线收发装置接收地面基站发出的控制指令和反馈机器人当前的状态信息；通过无线网络传输机器人的***软件和操作软件；通过图像传输装置下载可见光和红外图像信息；

所述的电源模块、运动控制模块、导航模块、巡检模块分别与中央控制模块相连，所述的数据传输模块通过外部接口板与中央控制模块相连。

在上述的巡线机器人智能控制器，所述导航模块依靠GPS实时确定机器人所在位置，检索GIS数据库，对比得出相对于前后障碍物的距离，在接近下一个障碍物的安全距离之外减速，转入依据电磁传感器的局部自主越障

在上述的巡线机器人智能控制器，所述的电源模块包括依次相连的感应取电装置、大容量锂电池以及充放电监控单元。

在上述的巡线机器人智能控制器，所述的运动控制模块包括依次相连的若干直流伺服电机、驱动器切换板以及驱动器切换板。

在上述的巡线机器人智能控制器，所述的导航模块包括依次相连的电磁传感器阵列、倾角传感器以及GIS-GPS模块。

在上述的巡线机器人智能控制器，所述的巡检模块包括可见光摄像机、红外成像仪以及超声波测距仪。

在上述的巡线机器人智能控制器，所述的数据传输模块包括无线收发装置以及图像传输装置。

因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单，并且使用寿命长，易于推广；2.具有全局定位能力的导航***和运动控制模块以实现机器人在线路上的自由移动且定位精准。

附图说明

附图1为本发明的智能控制器***构成图。

附图2直流伺服电机的控制

附图3为外传感器信号处理设计方案图

附图4电源模块的构成

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一种巡线机器人智能控制器，其特征在于，包括：

中央控制模块：是巡线机器人智能控制器的硬件核心，由三块基于PC104总线的板卡堆栈而成，一块CPU模块(PCM-3370)和两个数据采集模块(PM511P和PCM-5132)，可以根据预设程序和杆塔、线路信息自主规划机器人的巡检步骤。为了***资源的集中管理与分配，专门设计了一块接口板，其作用是将PC104板卡上的资源(A/D、D/A、I/O等)先集中到接口板上，然后再由接口板按需分配以控制其它板卡、电机驱动器和检测各种传感信号(包括电磁传感器信号、电流传感器信号和光电传感器信号)。

具体介绍如下：巡线机器人本体中央控制模块由三块基于PC104总线的板卡堆栈而成，并配备笔记本内存条和CF卡，三块板卡分别是PCM-3370、PCM5132、PM-511P，各板卡主要功能如下：

PCM-3370：是台湾研华的一款性能比较高的PC104plus总线CPU模块，该产品抗干扰能力强，可用于具有强电磁场干扰的恶劣环境，最大功耗为12W，宽温产品工作温度范围-20～80度，并且具有PC/104和PC/104plus两种扩展槽，可以很方便的扩展其它PC/104总线或PC/104plus总线的板卡。其板上主要资源如下：

RS-232/485接口：两个

并口：一个，可支持SPP/EPP/ECP三种模式

红外接口：1个速度高达1.15Mbps

RJ-45接口：支持PS/2键盘和鼠标

USB接口：两个，USB1.1

显示器接口：支持CRT/LCD

10/100MPCI以太网

PCM-5132：是一种主要针对工业环境中使用的嵌入式PC应用模块，含有48数字信号输入输出，48路兼容TTL/DTL/CMOS的数字信号线分布在两个独立的组内，每一组都支持8255PPI(可编程***接口)芯片的模式0，并且有较强的驱动能力。每一块8255由A口、B口、C口三个8位数据口组成，这些口都可以通过程序设置为输入或者输出，其中C口又可被分为高四位和低四位，它们又可以被独立的设置为输入或输出口。

PM511P：是一块PC104总线的多功能数据采集板，适用于工业现场、实验室、嵌入式设备等多种场合，具有16路A/D转换通道、4路D/A通道、24路可编程开关量输入输出、3路计数通道。

PCM-5149是一款PC104总线通讯卡，支持8个RS-232端口，可为每个串口选择IRQ，采用全双工通讯串口，可通过跳线选择中继级，提供40针脚到标准DB9接口的扁平电缆。

电源模块：向机器人的整个控制器提供电源，由感应取电电源和可充电蓄电池组成智能的电源模块。中央控制器通过读取电池的剩余电量，参考即将进行的越障与巡检规划计来协调感应取电装置。当判断电池电量不足以完成剩余巡检时，感应取电装置获取的交流电经AC-DC转换成直流电后，再经充放电监控单元直接向DC-DC供电或向蓄电池充电。DC-DC单元的输出为机器人***各用电单元提供所需的电源。

运动控制模块：是机器人实现自主运动的执行机构，由3个驱动器控制9个直流伺服电机，由电机驱动切换板实现驱动器与电极之间的切换。通过控制各无刷电机的方向、速度、角位移和力矩，实现对机器人九个运动关节的运动控制，其中，除了两个行走轮的行走电机为双轴驱动控制，其它电机仅为单轴驱动控制。机器人9个关节的运动均由直流伺服电机完成，因此运动控制模块的重点就是直流伺服电机的控制。在传统方案中，对无刷电机的控制实际上是通过驱动器间接进行控制的，在同一时间内，一台驱动器只能驱动控制一台电机，在一台驱动器上需要1路D/A来控制电机的速度和4路I/O来分别控制电机的停止、刹车、方向和角位移。传统方案采用了一台驱动器控制一台电机的方式，这样就需要9台电机和9台驱动器，而且硬件核心部分需要提供9路D/A，36路I/O，该方案虽然使得我们可以同时控制9台电机，但是在机器人运动过程中只有两个行走电机需要同步控制，其它电机都可以分时控制，没有必要每台电机都配置一台驱动器，这样不但很大程度的增加了开发成本，而且增大了控制***的体积和重量，不宜采用。

本发明所使用的电机驱动方案是通过一个驱动器分时来控制三个直流伺服电机的运动，采用分时控制的方法，必须设计一块控制无刷电机的驱动器切换板，这样，只需要提供切换板三路I/O通道，就可以分时对三个电机进行控制。***只需要三台驱动器、三个控制无刷电机的切换板、3路D/A、21路I/O，就可以控制***所有的无刷电机，而且***有很大的扩展空间，因为这样的设计最多可以分时控制12台，同步控制3台无刷电机，但是，必须根据***的需要，考虑将哪几台无刷电机分配在同一个切换板上，例如，对于要同步控制的两个行走电机就必须将其分配在不同的两块切换板上，否则无法实现同步控制。图2表示了各个电机在切换板上的分布情况。

导航模块：自主导航是巡线机器人进行自主导航与巡检的关键技术，依靠GIS-GPS技术、电磁传感器阵列完成导航。依据内建的关于巡检线路的线路、杆塔结构参数GIS线路信息***，通过GPS定位装置实施确定机器人的当前位置，作出总体巡检规划。依靠电磁传感器阵列检测高压导线上的各种障碍如防震锤、悬垂线夹、压接管等，同时配合倾角传感器检测机器人相对于导线的位姿，引导机器人跨越障碍。其主要依靠基于磁场检测、倾角检测的局部自主导航和基于GIS-GPS的全局自主导航实现。为了实现全局和局部的障碍跨越，本发明设计了一套巡线机器人控制软件，可实现机器人自主跨越杆塔、防震锤等金具，达到机器人在高压线路上连续行驶的目的；并检测机器人运行状态并反馈给控制面板，为操作人员提供实时的状态信息。

电磁传感器对称地布置在机器人的两个臂上，分为位姿检测传感器和障碍检测传感器。一个臂上主要有三组(A、B、C组)共20个用于位姿检测的电磁传感器，两组平行分布于竖直方向，另一组垂直于它们所确定的平面。此外，在机器人的每个行走轮部分分别布置了两个用于障碍检测的电磁传感器，一个用于检测是否到达防震垂，一个用于检测是否到达线夹(包括悬垂线夹、耐张线夹、压接管)。将检测防震垂的两个传感器归为一组(D组)，将检测线夹的两个传感器也归为一组(E组)，再加上两个臂上的六组传感器，共有8组(44个)电测传感器，如果将每个电磁传感器的输入信号都分别进行信号处理，这样，可以实现对传感器信号的并行处理，但是缺点却也是明显的，它需要44路的A/D和相当多的电器元件，同时，前置信号处理板也会变得很庞大。但其实机器人并不需要对电磁传感器信号并行处理，所以可以将电磁传感器分类进行信号处理，中间通过多路转换开关进行通道切换，本设计中将需要相同放大倍数的各组电磁传感器归为一类，图3为外传感器信号处理设计方案图，设计中将电磁传感器分为四类进行信号处理，每一类可以根据需要调节不同的放大倍数，这样，硬件核心部分就只需要提供四路A/D，而且外传感器信号处理板就只需要四路滤波放大电路。基于磁场检测的自主越障技术已申请专利，在此略。

基于GIS技术建立线路的全局结构模型，主要包括：(1)杆塔及其性质，即直线杆塔及其结构形式，耐张杆塔及其转角或转向；(2)档距，相邻两个杆塔间的直线距离；(3)障碍物的类型、数量及其位置，如杆塔两端防震锤的数量及估计距离，接续管或补修管的位置等。巡线机器人全局自主导航信息的获取，是采用基于传感器触发的对数据结构的搜索来实现的。

GIS-GPS全局自主导航的基本算法为：依靠GPS实时确定机器人所在位置，检索GIS数据库，对比得出相对于前后障碍物的距离，在接近下一个障碍物的安全距离之外减速，转入依据电磁传感器的局部自主越障。

巡检模块：是机器人完成对线路和杆塔运行状况检测的执行模块，中央控制器根据杆塔号查询得到当前杆塔与线路的结构信息，通过标准RS232C串口向巡检模块发送控制指令实现可见光摄像机和红外成像仪的巡检，完成仪器的开启和关闭、定位、变焦、放大、拍摄等动作，所得到的可见光和红外图象保存在存储卡内，同时可无线图象传输装置传送到地面基站以便观察。针对所采用的可将光摄像机和红外仪器的特点，本发明同时设计了根据巡检目标(如线夹、绝缘子等)的空间位置参数来规划巡检程序的算法。

数据传输模块：是机器人与地面控制基站之间的通讯工具，可以同时传输控制指令和巡检所得的线路信息。中央控制模块与外部接口板之间通过标准的RS232C串口进行通信，通过无线收发装置接收地面基站发出的控制指令和反馈机器人当前的状态信息；通过无线网络传输机器人的***软件和操作软件；通过图像传输装置下载可见光和红外图像信息。要求达到3km的遥控距离，基站的通讯模块分别采用无线收发装置和图像传输装置。无线数传电台采用半双工通信模式，通过RS-232标准串口与工作站相连。巡检人员通过地面基站的工作站与机器人通讯时，操作指令通过串口发送，由数传电台传输到机器人，机器人上的电台负责接收并通过串口传输到PC104***进行处理；机器人的状态报告，则通过机器人串口发送，地面数传电台接收并传到工作站，由工作站负责处理。两者之间通讯采用了统一的协议，指令和报告以代码的形式发送和接收。无线图像接收器接收到图像信号后还原出标准的模拟图像信号，图像信号通过电视盒转换成数字信号后显式在工作站上。另外还可以通过无线网络控制和接受可见光摄像机的信息。

电源模块、运动控制模块、导航模块、巡检模块分别与中央控制模块相连，所述的数据传输模块通过外部接口板与中央控制模块相连。

在本实施例中，机器人的中央控制模块需要向各个模块发送控制指令和接受反馈状态信息，同时还需要读取电磁传感器、GPS定位装置、视觉***的信息，各个硬件模块之间接口方式各有不同。为了提高稳定性和节约机器人内部空间，本发明设计了一块外部接口板，主要作用是将外部各种信号接口综合到一块电路板上，然后再与中央控制模块进行控制指令和信号的通信。

下面以机器人在高压输电导线上跨越防震锤为例说明导航模块的作用与工作过程。

当机器人在两个杆塔之间上线，中央控制根据杆塔号查询线路的结构信息，得到下一个障碍物的类型(此例为防震锤)和距离，开始进入由GIS-GPS引导的全局范围的障碍跨越，发送指令给运动控制***，进入高速行驶状态。GIS-GPS***实时读取机器人所在位置并向中央控制器发送，通过与GIS线路信息***中的线路参数进行比较得出距离防震锤的距离，当达到预设距离时，中央控制器向控制***发送减速命令，开启电磁传感器阵列，进入电磁传感器引导的局部自主越障。中央控制器通过磁场检测获取机器人相对于导线的距离与位姿参数，通过预设控制软件引导运动控制模块实现机器人的自主跨越动作。

所述巡检模块采用的可见光摄像机为SONY生产的SNC-RZ50P球型网络摄象机。摄像机控制器通过串口接收机器人控制器的控制指令，可分别对两自由度云台、摄像机的电子变焦、网络通信、视频输出、CF卡的图片存储等进行控制。机器人控制器通过两种方式向摄像机控制器提供控制指令，一是由机器人自主巡检提供的控制指令，二是由数传电台接收到的地面基站遥控指令，前者为自主巡检方式，后者为地面遥控发检方式。巡线机器人本体与地面基站，通过无线网络构成了如下三种通信方式：一是由交换机与无线网卡构成的数字图像近距离高速无线下载；二是由图像发射与接收装置构成的图像远距离无线传输；三是由一对数传电台构成的地面远程遥控操作。

为了实现对巡检目标(如线夹、绝缘子等)的自主巡检，本发明同时设计了基于GIS线路信息***中的结构信息参数来引导可见光摄像机进行自主扫描的算法。当机器人到达预设地点后，根据机器人所靠近的杆塔编号，获得将要扫描的杆塔金具的结构参数，计算出各个预设扫描点相对于摄像头的空间位置x、y、z、r(x为扫描点相对于摄像头镜头的水平纵向距离，y为扫描点相对于摄像头镜头的水平横向距离，z为扫描点相对于摄像头镜头的高度差，r

为扫描点与摄像头的距离)。依据可见光算法，计算出扫描点相对于摄像头的空间角度、空间距离，到达指定扫描位置后，开启摄像头旋转指定角度、依据r选择焦距和放大倍数进行扫描，并依据杆塔号标记视频和图像文件进行存储。

红外热成像仪是一款手持式红外热成像仪，而在机器人使用中，无需目镜、液晶显示器和电池等组件，由机器人***提供电源。红外成像仪的控制与接受***其结构和工作原理与可见光***基本相同。

超声波测距***是一款手持型电缆/线缆测高仪，带有LCD显示器供人工观察其测距值，可以存储测距值，其测量值通过专用的输出口输出，需要使用仪器自带的软件来读取存储的测量值，但不向用户提供通信协议。因此，该仪器用作机器人巡检，需要作如下的改造：将测量值(液晶显示器的示值)读取到机器人控制器中，以便于存储在机器人本体中或下传到地面基站；对测距仪实施控制；由机器人提供电源。

巡检模块和中央控制模块之间通过标准RS232串口通信发送控制指令和返回状态参数，地面基站通过数据传输模块中的图像传输装置可实时观测和下载到视频和图像信息。当地面基站与机器人之间距离在无线网络有效传输距离之内时，也可以通过无线网络直接获取视频和图像信息。

图4为所述的巡线机器人电源***的解决方案。它包括感应取电装置、开关电源(含充电电路)、可充电蓄电池、电源监控与温度补偿电路和DC-DC模块电源。其基本工作原理如下：感应取能部件(铁芯和线圈)从高压导线上感应获取交变电流，通过开关电源转换为直流后，经恒流源向蓄电池充电。当监控电路检测蓄电池两端电压达到一定值后，继电器常开节点闭合，将铁芯上线圈短路，停止充电。同样，蓄电池电压降到一定值后，继电器常开触点自动断开，充电回路开始充电。

感应取能部件中的铁磁材料为开合式结构，并作为巡线机器人安全保护的一个末端执行器。当感应取能部件在执行打开运动过程中，二次绕组线圈均处在短接状态，使铁磁体中形成反磁通，以减少磁阻力(磁吸合力)。而当感应取能部件在执行合拢运动过程中，二次绕组线圈均处在接通负载的工作状态(形成磁吸合力)，并与执行机构的机械力一道，将下半部运动的铁磁体与上半部固定的铁磁体压合于一个整体，从而使铁磁体形成闭合的磁通。为了减少取能部件工作时的振动和噪声，除了上下铁磁材料有足够的接合力外，用非导磁材料作为安装铁磁材料的机械结构，以避免形成涡流噪声及涡流损耗。

图4为感应取电装置中的核心部件-换能器及其执行机构的结构图。换能器是由铁磁材料制成的铁铁芯和线圈组成，为了满足机器人越障运动要求，铁芯为开合结构，其开合运动由执行机构提供。换能器的能量转换大小，由如下因素决定：导线负载电流，铁磁材料的饱和磁感应强度、导磁率，铁磁材料的有效横截面积、磁路长度，线圈匝数及其截面积，负载的性质和负载大小，等等。经过理论分析和大量的试验，综合考虑结构及重量、运动等要求，确定了图3.9.2的结构。在图3.10所示结构，以24V10Ah锂离子电池为负载，在导线负载电流为400A时，最大输出能量约60W.

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种巡线机器人智能控制器，其特征在于，包括：

中央控制模块：由三块基于PC104总线的板卡堆栈而成，一块CPU模块(PCM-3370)和两个数据采集模块(PM511P和PCM-5132)，可以根据预设程序和杆塔、线路信息自主规划机器人的巡检步骤；

电源模块：向机器人的整个控制器提供电源，由感应取电电源和可充电蓄电池组成智能的电源模块；

运动控制模块：由3个驱动器控制9个直流伺服电机，由电机驱动切换板实现驱动器与电极之间的切换；

导航模块：包括GIS-GPS模块以及电磁传感器阵列；

巡检模块：通过标准RS232C串口接收中央控制器发出的控制指令实现可见光摄像机和红外成像仪的巡检，完成仪器的开启和关闭、定位、变焦、放大、拍摄动作，所得到的可见光和红外图象保存在存储卡内；

数据传输模块：通过标准的RS232C串口与中央控制模块进行通信，通过无线收发装置接收地面基站发出的控制指令和反馈机器人当前的状态信息；通过无线网络传输机器人的***软件和操作软件；通过图像传输装置下载可见光和红外图像信息；

所述的电源模块、运动控制模块、导航模块、巡检模块分别与中央控制模块相连，所述的数据传输模块通过外部接口板与中央控制模块相连。

2.根据权利要求1所述的巡线机器人智能控制器，其特征在于，所述导航模块依靠GPS实时确定机器人所在位置，检索GIS数据库，对比得出相对于前后障碍物的距离，在接近下一个障碍物的安全距离之外减速，转 入依据电磁传感器的局部自主越障

3.根据权利要求2所述的巡线机器人智能控制器，其特征在于，所述的电源模块包括依次相连的感应取电装置、大容量锂电池以及充放电监控单元。

4.根据权利要求2所述的巡线机器人智能控制器，其特征在于，所述的运动控制模块包括依次相连的若干直流伺服电机、驱动器切换板以及驱动器切换板。

5.根据权利要求2或3所述的巡线机器人智能控制器，其特征在于，所述的导航模块包括依次相连的电磁传感器阵列、倾角传感器以及GIS-GPS模块。

6.根据权利要求4所述的巡线机器人智能控制器，其特征在于，所述的巡检模块包括可见光摄像机、红外成像仪以及超声波测距仪。

7.根据权利要求5所述的巡线机器人智能控制器，其特征在于，所述的数据传输模块包括无线收发装置以及图像传输装置。 

Images