轨道式巡检机器人通信系统设计

轨道式巡检机器人通信系统设计

刘利明 刘涛 袁东至 郑金城

国电建投内蒙古能源有限公司 017000

摘要：本文围绕轨道式巡检机器人通信系统设计展开讨论，通信系统设计包括总体结构、硬件体系结构以及软件结构，掌握每种结构在通信系统中的特点和性能，进一步优化和完善上述结构，可以提高通信系统的设计水平，增强通信系统的应用能力，使轨道式巡检机器人运行更加稳定。

关键词：变电站；机器人；无线局域网；红外热像仪；串口网关；

引言：

电力自动化生产水平不断提高，电力系统的规模不断扩大，运行结构更加复杂，传统的巡检模式已经无法满足巡检需求。在输电线路上构建轨道，使用机器人开展巡检工作，既能提高巡检质量，针对存在的问题及时处理，又能降低安全事故发生的概率。在轨道式巡检机器人开展巡检作业时，通信系统发挥至关重要的作用，系统向机器人实时发送准确的信息，精准控制巡检工作的每个环节。

1. 通信系统的总体结构设计

巡检机器人是由机器人、基站以及移动站组成，基站通过计算机CPU，实时控制机器人的移动速度，并且监控机器人的仪表使用、电源使用以及设备等情况。移动基站的功能在于控制基站的移动状态，并且通过图形和语音，向控制平台发送信息，其中包含预警信息，一旦发现输电线路存在问题，移动基站会进入到检测以及处理状态，及时消除线路中的问题。

巡检机器人进行巡检工作时，由于输电系统配置较多的设备，运行以及结构较为复杂，巡检机器人在巡检工作中，需要基站和移动基站相互配合，共同完成信息交互工作。信息交互工作需要建立在稳定的通信系统上，优化和完善通信系统总体结构设计，可以提高巡检机器人的运行水平。

2. 通信系统的总体结构

巡检机器人的通信控制结构由基站和移动站组成，基站包括GPS天线、无线网桥、HUB、GPS定位系统以及基站控制计算机，此外还使用到电机控制及反馈线、RJ-45双绞线、语音视频连接线以及串行控制线。移动站在基站原有的基础上，会使用到云台解码器、遥控接收器、激光雷达以及超声传感器，不同的设备具备不同的功能，如云台解码器，会连接到串口分配器、运动控制模块，并且借助移动站音像处理计算机，可以使电机完成左驱、右驱以及转向等作业。

在构建无线局域网过程中，无线网桥连接主要的通信设备，连接标准按照IEEE802.11b要求执行，提升局域网络的兼容能力。在通信系统传输信息时，使用国际ISM2.4GHz微波频道，可将信息传输速率提升至11Mbps，极大的满足通信需求，并且将系统的发射功率保持在20dBM，频率稳定性保持正负25ppm范围内。此外为增强通信系统的保密能力，设置WEP加密、SNMP鉴定许可访问权限。

在大规模输电线路中进行巡检作业，需要精准定位巡检机器人的位置。在确定机器人位置时，会使用到GPS技术，在通信系统中，会使用到串形口RS232接收机，保证GPS信号满足差分处理要求，从而提高定位的精度。

使用串口分配器可以提供更多的连接条件，其中连接计算机控制服务器，可以构建无线局域平台，在平台内向基站下达监控命令。在下达监控命令时，会使用到可见光摄像机，可见光摄像机控制接口连接到红外热像采集设备，将收集的信息及时传入到基站中。红外热像采集设备具备较高的计算能力，在采集数据过程中，完成数据的计算工作后，可以避免计算机承受较高的负荷，保证计算机可以正常的运行。

3. 机器人本体通信系统的硬件体系结构

   1. 无线局域网工作方式

无线网桥主要连接基站和移动站，在连接移动站时，会在连接中配置多种设备，包括计算机、视频服务器以及串口等，并采用SwitchHUB的模式进行连接。此外该模式会为不同的设备分配IP地址，保证每个设备处于点对点连接状态，避免通信出现问题。巡检机器人利用无线局域网进行通信时，主要使用到RS232接口，该接口可以对数据进行控制和传输。

1. 2. 监视、检测的控制通信系统

机器人在运行过程中，需要通过通信系统控制监视和检测巡检工作，保证机器人可以正确的完成巡检作业。在通信系统中主要使用三种通信方式，分别为云台控制、可见光监视控制以及红外检测控制。

1. 3. 机器人状态数据采集通信系统

状态数据采集通信系统，主要由移动控制计算机控制整个系统，并且利用串口分配器，采用A/D采集、I/O采集以及PMAC等模式，将数据输入到不同的系统和设备中。以I/O采集模式为例，将移动控制计算机产生的数据，输入到雷达激光、超声传感器以及GPS中，以便帮助机器人完成数据采集工作。

4. 通信系统的软件

   1. 机器人的通信协议

      1. 命令协议结构

命令协议结构由多种协议组成，包括START、COMMAND以及XOR，其中START规定使用的命令为0xAA。此外还为命令协议设定命令参数，如PARAMETER。命令协议结构用于下达操作命令，控制机器人的运行状态。

1. 1. 2. 响应协议结构

响应协议结构由多种协议组成，其中主要协议为RESPONSE，在发出响应协议时，规定命令为0xA5S1，S2，S3-STATUS。响应协议结构可以下达简单的命令，使机器人进入到传送状态。

1. 2. 机器人无线局域网通信协议

机器人无线局域网通信协议由握手通信数据结构、数据传输结构组成，两种结构的运行功能基本相同，均包含数据类型统计、时间戳、数据大小以及校验等。在通信数据进入到握手通信数据结构后，会为基站和移动站确定数据内容，并且按照机器人运行要求，使数据进入到指定设备中，完成巡检任务。

1. 3. 协议特点

协议特点主要体现在以下几个方面：首先，对控制数据进行分析，将分析数据输入到无线局域网中，采用串口控制协议方式，保证数据传输的准确性；其次，采用定长帧格式进行数据传输，保证使用正确的字节，从而快速响应数据在通信网中的传输要求；最后，若在通信过程出现错误，可以及时重新发送数据。

结语：

综上所述，在设计巡检机器人通信系统时，充分利用无线局域网络技术，使通信系统具备较高的抗干扰能力，并且增强数据传输的真实性和稳定性。此外提高通信系统的软件开放水平，通过应用无线网桥以及移动站等，保证通信系统的处于良好的整体状态，一方面精准确定机器人在巡检工作的位置，另一方面提高机器人应对复杂巡检作业的能力。

参考文献：

[1]殷波,邓恒,樊大伟.基于条码技术的变电站巡检系统[J].继电器,2002,(10):58-59,62.

[2]黄昌明,韩九强,郑芸.基于无线通信的远程测控系统的研究[J].计算机自动测量与控制,2001,(6):14-16.

[3]张靖.变电站设备巡检移动机器人的研究与设计[D].华北电力大学(保定),2010.