基于智能巡檢機器人與PLC系統(tǒng)聯(lián)動控制設計和實現(xiàn)電子信息工程專業(yè)

1、題 目：基于智能巡檢機器人與PLC系統(tǒng)聯(lián)動控制設計摘 要目前科學技術正在以一個很快的速度不斷進步，我國所有電力行業(yè)的變電站智能水平也逐漸提高，它們所處的配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)不可或缺的一部分。隨著鐵路，煤炭，造船和冶金等電氣行業(yè)一步一步的現(xiàn)代化、供電的范圍也擴大、供電的距離增加，對配電系統(tǒng)的安全性，可靠性和連續(xù)性提出了更高的條件。當今市場上的自檢方法存在許多缺陷，因此基于PLC系統(tǒng)控制的智能巡檢機器人的設計是研究的目標。對于智能巡檢機器人的設計，巡檢機器人所應用的系統(tǒng)把PLC作為主控制器，PLC具有功耗低，性能好，抗干擾能力強等特點，可以在工業(yè)領域大范圍應用。主控制器控制主要的適用范圍是設備監(jiān)視的

2、傳感器還有用來導航以及定位的傳感器。紅外熱像儀可以執(zhí)行諸如視頻監(jiān)控，高分辨率的相機和溫度監(jiān)控之類的作用，激光傳感器，內部傳感器和視覺傳感器被集成在一起控制，從而使機器人能夠精確地檢測，搜索和導航檢查機器人的通訊系統(tǒng)包括主體通訊和邊緣設備通訊，它們可以是全自動檢查，并允許人員遠程進行現(xiàn)場檢查。第1章 緒論1.1 研究背景及意義對于我們國家的所有電力行業(yè)而言，它們所位于的配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的組成部分。隨著鐵路，煤炭，造船，冶金以及其他能源工業(yè)的現(xiàn)代化，增加了供電距離并擴大了供電范圍，對配電系統(tǒng)的安全性，可靠性以及連續(xù)性提出了越來越嚴格的條件。所以，日常運行和維護變電站是非常有必要的步驟。大多數(shù)傳統(tǒng)

3、的變電站檢查方法都是在固定點進行人為的檢查。檢查員擁有紙質標準檢查手冊，并使用一些個人判斷和他們所帶的檢查設備來測試電氣設備。通過監(jiān)視各種抄表器顯示的溫度和出現(xiàn)的異常聲音，可以證明變電站中各種設備和配線的安全問題。而且，調查人員將使用手持式熱像儀、聽力和目測的方法，判斷電氣設備和電線以確認是否存在安全隱患。由于變電站很大，自檢時間范圍很廣，因此技術技能不足和檢查員經驗不足會導致檢查不當、誤診和錯誤的發(fā)生。除此以外，調查人員無法利用大量的審計數(shù)據(jù)進行科學，有效的分析；他們不足以對定期調查中記錄的歷史數(shù)據(jù)的各個方面進行對比分析，無法解決安全隱患，這樣會使得事故出現(xiàn)的概率增大，給組織造成無價損失。隨

4、著變電站檢查范圍越來越大，檢查系統(tǒng)的工作越來越復雜，人工檢查的弊端越來越顯現(xiàn)出來了。如果可以實現(xiàn)智能巡檢機器人技術的應用以及變電站智能化系統(tǒng)的應用，就有可能實現(xiàn)檢查機器人的智能自動化，這項研究已成為電力系統(tǒng)的研究方向。電氣行業(yè)中的變電站通常搭在室外。因為戶外環(huán)境比較的復雜，這就要求檢查機器人具備更先進的定位和導航技術。同時，自動導航技術使得巡檢機器人更加的智能化，向前邁進了一大步。為了讓機器人變得比之前自動且智能，如今，許多學者和專家把全部精力放在研究具有自動導航功能和定位技術的機器人身上，這是導航系統(tǒng)的重要組成成分。當檢查環(huán)境比較復雜時，不可能用單個傳感器實現(xiàn)高精度定位。一般的單傳感器定位通

5、常存在缺陷，并且容易跟隨監(jiān)視信號強度的改變而改變。如果信號被阻止，則定位甚至就會失敗。目前，數(shù)據(jù)融合需要融合不同種類的傳感器，其附加優(yōu)點是可以有效發(fā)揮每個傳感器的作用，從而實現(xiàn)其定位功能，導航系統(tǒng)更加精確。同時，當巡查機器人與邊緣設備通信時，使用集成的感應控制方法來操作邊緣設備，以提高檢查的可靠性和效率?？傊?，開發(fā)一種以PLC系統(tǒng)控制為基礎的智能監(jiān)控機器人系統(tǒng)對我們來說非常的重要，這樣才能夠智能地監(jiān)控自動化變電站。1.2 巡檢機器人研究現(xiàn)狀經過多年的探索，多年來，國內的巡檢機器人的研究與發(fā)展一直穩(wěn)步發(fā)展，國內巡檢機器人的研究經驗也越來越多。1999年，山東電力公司率先在國內率先提出了自己對巡檢

6、機器人研發(fā)的要求，在2004年研發(fā)出第一臺樣機檢驗與開發(fā)機器人的基礎上，在國家電網(wǎng)公司和國家863兩個項目的鼓勵下，開發(fā)了一個系列化的變電站巡查機器人，達到了對變電站的智能監(jiān)控的目的，并且這項應用在國內迅速傳播。在機器人巡查的歷史上，世界上并沒有用于變電站設備的機器人。移動變電站巡檢機器人的研究分為三類，他們分別是履帶式、軌道式以及輪式三種。軌道式檢查機器人的出現(xiàn)比其他兩種機器人出現(xiàn)的時間更加的早，沿著指定的路線進行了檢查的任務，2007年，山東大學的黃教祥一行人開發(fā)了一種采用雙臂設計的懸掛式軌道巡檢機器人，這種機器人能夠有一種通過高壓塔的能力。2012年2月，由中國科學院沉陽研究所開發(fā)的軌道

7、式巡檢機器人在遼寧省鞍山市的王鐵變電站投入運行，這個變電站的額定電壓為220kV，這個軌道式的巡檢機器人解決了在夏天全天候高溫檢測、以及冬天雨雪氣候檢測的問題。在2013年，在深圳開發(fā)的第一臺軌道式巡檢機器人在河南的多個變電站內首次投入使用。2016年，在山東開發(fā)的室內軌道巡檢機器人在江蘇沙洲變電站投入使用，達到了開關柜的狀態(tài)監(jiān)測和溫度測量的能力。履帶式巡檢機器人基于一般的履帶構造，擁有良好的機動性和克服障礙的功能，2009年哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)的地下煤礦探測機器人使用了傳統(tǒng)的履帶，三個關節(jié)可以在交叉時一起跨越工作障礙物，提高穿越障礙物時的穩(wěn)定性。同時，有相應的傳感器和攝像頭用于監(jiān)控道路環(huán)境。2

8、013年，在中南大學由導師帶領學生開發(fā)的可重構履帶式移動機器人是用四桿機構來設計的，這種設計的有點是可以調節(jié)重心并增加穩(wěn)定性。輪式巡檢機器人具有簡單的運動結構和靈活高效的驅動過程。自動駕駛技術的開發(fā)在長安大學2011年就開始了，長安大學的無人駕駛汽車配備了工業(yè)相機和激光雷達等傳感器。這類巡檢機器人是由周立輝小組開發(fā)的，既能夠時間按照既定的軌道實現(xiàn)運行，又配備了紅外熱像儀以及攝像頭這類設施進行檢查。浙江省一家研發(fā)機器人的公司開發(fā)了一種輪式巡檢機器人，這類機器人配備了高清攝像頭，紅外熱像儀以及激光雷達等高科技的傳感器，能夠在復雜的環(huán)境中完成檢測設備的任務。從1980年代開始，國外就開始著手開發(fā)智能

9、機器人，并在一定程度上取得了成功。在1984年，美國陸軍研制出當時第一輛在陸地上能夠自動駕駛的汽車，這輛汽車可以說是之后的移動機器人的先驅。是由A. Brik和其他的學者在2005年開發(fā)的軌道巡檢機器人，并且安裝了紅外熱像儀這類高科技裝備，已經將它部署在變電站中工作。由日本的Akihisa Ohya和其他人在2009年開發(fā)的腹部式帶機器人可用于監(jiān)視黑暗中的房屋地板。由美國Irobot公司開發(fā)的一系列的小型履帶機器人具有構造靈活、驅動速度快之類的特點。巡檢機器人的起源要追溯到軍事研究的領域當中。一種新的機器人-Tri-star II巡檢機器人能夠自由折疊并具有非常強的跨越障礙的能力，Klarer

10、等人在美國開發(fā)了一種采用轉向節(jié)懸掛系統(tǒng)的輪式感應機器人，該機器人在遇到障礙物時能使所有四個車輪著陸，大大提高了它的克服障礙的能力和穩(wěn)定性。由Gomathi V等公司開發(fā)的煤礦監(jiān)控機器人使用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)人機交互，并可以在煤礦的地下環(huán)境中執(zhí)行監(jiān)控任務。1.3 主要研究內容這篇文章的主體是一個室外自動巡檢系統(tǒng)的搭建，這個系統(tǒng)由通信系統(tǒng)、感應機器人的主體以及控制中心相輔相成。在機器人巡檢的時候，集成了用于定位和感應控制方法的多種傳感器組合，用于邊緣設備的操作，能夠按照規(guī)定的位置運行，與其他的邊緣設備數(shù)據(jù)傳輸并拍攝錄像，通過與紅外熱成像技術的組合，可以執(zhí)行視覺識別的任務并監(jiān)視機殼、儀表以及油位計還

11、有其他儀表的溫度，獲取準確的信息，并使用拾音器和其他設備收集來自檢查設備和檢查環(huán)境的噪音從檢查中獲得的圖像，視頻，溫度、聲音以及其他數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)發(fā)送回控制中心，然后詳細分析每臺設備的歷史數(shù)據(jù)，以了解設備是否能夠安全使用。達到異常信息報警的目的以及確保了變電站的安全、穩(wěn)定以及可靠的工作。在檢查的過程中，可以根據(jù)實際的情況對檢查的線路進行獨立優(yōu)化，并可以智能切換電池管理模式以延長電池壽命。完成這些以后，能夠達到工作人員遠程控制變電站檢查工作，減少了人員的檢查工作量，提高了設備的監(jiān)控效率的同時，為企業(yè)節(jié)省了人工成本。3第二章 巡檢機器人整體方案設計第二章 巡檢機器人整體方案設計2.1 系統(tǒng)設計的

12、需求分析2.1.1 功能需求通過對國內以及國外的巡檢機器人目前的情況以及工作環(huán)境的了解，提出了可以實現(xiàn)增加巡檢機器人安全性，以及提高巡檢變電站的電氣設備安全性的幾點要求：（1）對于機器人自身來說：巡檢機器人所應用的系統(tǒng)總共被分為三種，他們分別是通信系統(tǒng)、巡檢機器人系統(tǒng)以及控制中心。巡檢機器人配備有紅外熱像儀、可見光攝像機、激光雷達傳感器、里程計、超聲波傳感器、視覺傳感器以及聲音采集的裝置，在檢查電氣的裝置時，能夠達到把傳輸音頻、視頻以及圖像等信息傳遞會控制中心的目的。系統(tǒng)可以將設備位置狀態(tài)、表計讀數(shù)以及設備溫度狀態(tài)這一類的消息儲放在巡檢的數(shù)據(jù)庫里面。巡檢機器人能夠和后臺保持聯(lián)絡，使得通信更加的

13、有保障。不僅能夠進行手動巡檢，還能夠進行手動巡檢。巡檢機器人能夠在一定程度上的防風、防水。巡檢機器人的電池能夠進行自動的充電，而且電池的容量很大。（2）控制中心管理系統(tǒng)：這個系統(tǒng)可以隨時隨地的獲取巡檢機器人所在的地方，能夠顯示一個完整的電子地圖。能夠操控巡檢機器人，無論是遠程還是近距離，而且能夠以手動和自動兩種方式。擁有報警功能，當遇到突發(fā)情況，就會報警。能夠隨時隨地獲取巡檢機器人檢查的時候得到的紅外視頻以及高清視頻等?？梢宰詣由裳矙z任務報表以及設備缺陷報表這一類的表格，而且具備展示歷時的曲線的能力以及所有打印和報表查詢這類的能力。系統(tǒng)軟件的人機界面顯示清晰直觀、操作方便、界面友好。2.1.

14、2 性能需求按照巡檢所需要的系統(tǒng)的功能要求還有巡檢機器人工作的需要，最后，清楚的表現(xiàn)出機器人主體和后端處理系統(tǒng)的總體系統(tǒng)要求和性能要求，如表2-1，表2-2和表2-3所示。表2-1巡檢機器人系統(tǒng)整體技術指標表2-2 巡檢機器人本體技術指標表2-3 機器人系統(tǒng)軟件技術指標2.1.3 設計約束巡檢機器人系統(tǒng)的研究以Windows的系統(tǒng)為基礎，并確定把ROS機器人軟件平臺當作一個分布式的運行框架，ROS具有靈活的計算調度模型、完整的開發(fā)套件以及豐富的調試工具，能夠提供部署操作、配置管理還有底層通信等作用，這將大大提高了開發(fā)效率?？刂浦行哪軌騼Υ嫜矙z中得到的視頻、傳達巡檢目標、比對討論變電站裝置的工作

15、狀態(tài)以及分析圖像和音頻數(shù)據(jù)等，控制中心運用的Windows的系統(tǒng)。機器人與后臺之間的聯(lián)系以遙控以及無線網(wǎng)絡的形式來傳達信息。工控機運用Windows Embedded Standard的系統(tǒng)，工控機與單片機之間的信息傳達是基于RS232串口來進行的。2.2 巡檢機器人系統(tǒng)方案設計2.2.1 整體方案巡檢機器人所應用的系統(tǒng)總共被分為三種，他們分別是通信系統(tǒng)、巡檢機器人系統(tǒng)以及控制中心。這里面機器人的系統(tǒng)主要分為幾個部分，他們分別是：控制模塊、機器人本體以及傳感器設備。其中通信系統(tǒng)的主體組成部分分為以下幾部分，他們分別是：交換機以及無線傳輸設備，包含了遙控控制以及網(wǎng)絡控制這兩個方法，主要承擔了控制

16、中心和機器人系統(tǒng)之間來傳遞信息。控制中心能夠傳遞巡檢目標、儲存巡檢過程里面得到的音頻、視頻以及圖像的數(shù)據(jù)、比對討論變電站裝置的工作狀態(tài)等，它的主要功能是把巡檢機器人整體聯(lián)合起來，使得巡檢機器人更加像一個整體。巡檢系統(tǒng)的構成在圖2-1中有所展示。圖2-1 巡檢系統(tǒng)構成圖2.2.2 軟件系統(tǒng)方案巡檢機器人第一步需要解決無軌導航系統(tǒng)的目標，這些步驟包含了機器人的避障以及自主充電等任務。完成這些以后，進行自動智能機器人檢查的檢查路徑規(guī)劃，包括智能抄表、紅外熱圖像高溫監(jiān)控以及異常聲音檢測等任務。第二步，為控制中心搭建一個無線通信系統(tǒng)，以控制監(jiān)視機器人以及兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。最后，控制中心開發(fā)后臺和數(shù)據(jù)庫

17、系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)基本的存儲和審計數(shù)據(jù)，人機交互界面設計以及諸如報告之類的數(shù)據(jù)分析功能。巡檢機器人研究技術路線如圖2-2所示。圖2-2 巡檢機器人研究技術路線2.2.3 通信方案選擇（1）主體通信方案選擇巡檢機器人與控制中心相互發(fā)送信息，需要滿足帶寬大以及通訊區(qū)域大的要求。根據(jù)研究和相關文獻，發(fā)現(xiàn)以下解決方案：第一個解決方案：使用PLC通信，人們開發(fā)了此方法，并將其有效地使用在電氣系統(tǒng)。對于PLC通信來說，是應用預制線來達到構成通道的目的，不用布置其他的線路，省錢以及安全。但是，PLC通信中存在信號盲點和抗干擾能力差的嚴重問題。第二個解決方案：應用運營商的4G網(wǎng)絡來進行連接，這項技術具有高頻和高速

18、的優(yōu)勢。變電站的監(jiān)控區(qū)域很大，這項技術能夠達到早期的覆蓋需求，只需要建設一個全面的4G無線專用網(wǎng)絡，所以投資很小，但是后期將不得不在以后階段為昂貴的流量向運營商付費。第三項解決方案：使用WIFI連接，此方法需要一個自己創(chuàng)建的通信AP基站，并且可以無線連接到其他AP以擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。它們最常在變電站的室外使用，并且在隨后的操作需要免費維護的情況下，距離的范圍通常從數(shù)十米到數(shù)百米。在上述解決方案的優(yōu)點和缺點中，智能巡檢機器人采用第三種解決方案。 （2）邊緣通信方案選擇變電站中的邊緣設備，除電氣設備外，還指安裝用于保護電纜和配電箱的某些設備，例如排水溝、配電箱和井蓋等。當前，通過遙控器與邊緣設備進

19、行通信時，以下解決方案是最常用的：解決方案一：藍牙技術可用于手機，計算機，立體聲音響，打印機和其他設備?；谠摍C器，它可以連接到國際網(wǎng)絡。其中藍牙有很多版本，而藍牙4.0是使用最廣泛的版本，它擁有很多的優(yōu)點，比如說低功耗，成本低，高可靠性和快速啟動等特點。但是因為通信距離比較短，在戶外巡檢并不適合。解決方案二：采用紅外通信作為數(shù)據(jù)傳輸所需的傳輸介質的紅外遙控技術，實現(xiàn)方法方便，收發(fā)器具有成本低，結構簡單以及可靠性高的優(yōu)點。在家電行業(yè)中，它通常被用來當作短距離的遙控器，但是它不能適應惡劣的環(huán)境，因此不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，可靠性差。解決方案三：無線電遙控技術是用遙控器來傳遞無線電信號，用來達成

20、對設備的遙控的目的。這種方法的傳輸距離很長，受環(huán)境影響因素不大。日常的生活中，可以輕松地在戶外使用。這種方式還被廣泛的應用于軍事防御以及國內的工業(yè)等領域本文采用第三種解決方案，在檢查機器人和邊緣設備之間進行數(shù)據(jù)的傳遞。2.2.4 導航定位方案選擇該巡檢機器人的導航計劃在下面：解決方案1：運用磁導航方法，這種方法需要事先插入磁軌和RFID，同時，之后的維護和實施的成本很高。解決方案2：使用對變電站環(huán)境中的干擾敏感的GPS系統(tǒng)，這種方式的缺點也很明顯，就是對環(huán)境變化比較敏感。解決方案3：使用LIDAR SLAM導航方法，所需的傳感器通常包括里程表以及碰撞開關盒等設備，并且LIDAR傳感器不易受歡迎

21、影響，而且巡查的范圍比較的大，廣泛用于變電站的巡檢機器人的身上。解決方案4：使用SLAM視覺導航方法。該圖像傳感器具有低成本、高分辨率以及低功耗的優(yōu)點。它高度依賴于光線，通常與其他傳感器一起用于定位和導航。詳細介紹了以上示意圖的優(yōu)缺點，本文結合了第三示意圖和第四示意圖進行導航合成和定位，以準確地識別和可靠地控制巡檢機器人。2.3 硬件選型分析2.3.1 控制模塊硬件選型監(jiān)視機器人主體使用工控機當作它的主控制器，使用PLC的控制器當作它的輔助的控制器。其中的主控制器連接無線AP以及工業(yè)交換機，達到能夠通過無線的方式進行網(wǎng)絡連接的目的，并通過PLC控制器的控制中心后臺管理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，在工業(yè)計算機

22、上運行命令并實時傳輸信號，包括上載按鈕、警報信息這一類重要的信息。還具備操作和控制指示燈狀態(tài)的功能。工業(yè)計算機的功能主要包括以下幾部分：控制云臺的角度，然后將紅外熱像儀以及可見光攝像機接收到的圖像和視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡上傳到控制中心。工控機通過RS485接口把云臺連接到PTZ，紅外熱像儀以及可見光攝像頭用USB的接口相互接起來。實時接收控制中心發(fā)布的命令。建議包括監(jiān)視，啟動以及暫停等命令，并且工控機指導巡檢機器人完成相應的任務。完成自動充電的動作，當巡查機器人點亮不足時，可以通過給CC電和PLC控制器傳輸指令來達到充電器插頭部分還有機器人的充電插頭部分自動斷開和自動連接，以達到自動充電的目的。隨時

23、隨地的傳遞人工掌控按鍵的信息，緊急啟動和停止按鈕安裝在檢查機器人上。通過按下這些按鈕，工控機可以實時接收此信息，以達到指示燈狀態(tài)的變化。其中工控機運用了一種無風扇嵌入式的工控機研華，它的型號是ARK-3500，物理示意圖為2-3。這個工控機把其他工業(yè)級以及串口的作用整個起來，放置到一個緊湊而且堅固的盒子里面，為了確保其最高的可靠性和防震性能，這個盒子采用高強度鋁合金結構，主控制器的參數(shù)性能在表2-4有所展示。圖2-3 主控模塊2.3.2 傳感器選型傳感器模塊由紅外熱像儀、可見光攝像機、激光雷達傳感器、里程計、視覺傳感器以及超聲波傳感器等組成?？刂颇K對傳感器的模塊執(zhí)行控制的命令，和它的連接形式

24、分別包含了：RJ45有線連接方式、RS485/232方式以及無線網(wǎng)絡連接方式。這篇文章通過選擇傳感器的設備型號，能夠達到確保各各裝置的功能參數(shù)可以達到系統(tǒng)方案的要求，把選擇的傳感器區(qū)別開來，共分為：實現(xiàn)巡檢機器人定位導航的傳感器以及用于變電站設備監(jiān)測的傳感器兩部分。紅外熱像儀以及可見光攝像機被構建在云臺的上面，云臺非常的靈活，能夠向各個方向轉動以及運動，提供給設備給廣闊的視野。它收到的圖像以及視頻的信息經過一系列過程傳遞給后臺。激光雷達傳感器、里程計、視覺傳感器以及超聲波傳感器相輔相成，來控制裝置的運作。圖2-4 可見光攝像機和紅外熱像儀可見光攝像機它的首當其沖的功能就是捕捉監(jiān)控畫面，清晰的辨

25、別儀表盤上的儀表信息，所以對設備的要求比較高，一般來說為具備多倍光學變焦以及信噪比高的設備，這篇文章運用了?？低曀邪l(fā)的的高清數(shù)字攝像機，這臺攝像機的實物圖在圖2-4中云臺的右側，其具備了SDK的功能，有利于對設備進行二次開發(fā)。紅外熱像儀被人們看作是“一個不需要休息的紅外眼睛”，具有測溫范圍大、夜視距離遠、性能穩(wěn)定以及隱蔽性強這類的優(yōu)點，在很大范圍內用來監(jiān)控裝置的溫度。這篇文章在圖2-4中云臺的左側所展示的就是一臺FOTRIC-626紅外熱像儀，這臺紅外熱像儀視場角高、分辨率高以及測溫范圍大，非常的實用。激光雷達傳感器是發(fā)射激光束以檢測目標的速度、位置以及其他系數(shù)的一種雷達系統(tǒng)。擁有測距精確

26、、分辨率高、體積小、信息量大、抗有源干擾能力強、質量輕以及低空探測性能好這么多優(yōu)點。這篇文章應用了在圖2-5a里面所展示的型號為SICK LMSI51-10100的一種激光雷達傳感器，把它構建于機器人的前面，來進行避障還有導航的定位的作用。圖2-5 （a）激光雷達傳感器 （b） 超聲波傳感器 （e） RGB-D深度相機超聲波傳感器是一種使用聲波介質把一種超聲波信號變成一種其他能量發(fā)射信號的傳感器，用于非接觸式和非穿戴式檢測被檢測物質。主要用來檢測距離，具有運行穩(wěn)定以及測量精度高的優(yōu)勢。這篇文章應用了超聲波傳感器與激光雷達相互組合的形式來完成定位導航的任務，選擇在圖2-5b里面展示的型號為HC-

27、SR04的一種傳感器，在機器人的周圍安裝3個超聲波傳感器，監(jiān)控玻璃這一類的光學傳感器沒有辦法來監(jiān)控的物體，而且要測定它們的距離，主要來應用他們所具有的機器人防撞以及跨越障礙這一類的作用。視覺傳感器這一整套裝置的“眼睛”，他是通過把成像裝置傳遞過來的外部環(huán)境的圖像信息進行處理分析。這個設計運用了一個型號為RGB-D的深度相機系列，采取第二代的ZE雙目立體相機，在圖片2-5c里面展示的。它具備了成本低、幀率及分辨率高以及功耗低這一類的優(yōu)點。將裝置的“眼睛”構建在機器人的前方以及上方，可是實現(xiàn)對高度不一樣的障礙物的檢測，而且和視覺傳感器、內部傳感器以及激光雷達傳感器相輔相成，來完成定位工作。2.3.

28、3 傳感器的分類配置（1）內部傳感器配置方式巡檢機器人的監(jiān)視功能用于估計相應運動的傳感器里面的陀螺儀和里程計，把它們稱為內部傳感器。 陀螺儀是用于感應和保持方向的儀器，主要由軸上的旋轉轉子組成，在航空和導航中被用作導航工具。由于精度比較高的陀螺儀比較的貴，所以使用上面的陀螺儀來檢測的巡檢機器人成本比較便宜，因此經常把里程計用作觀測相對位置和姿態(tài)的儀器。里程表通過檢測車上的光電編碼器對檢測機器人進行計數(shù)，檢測車輪的轉動次數(shù)，并根據(jù)軌跡估計檢測機器人的相對姿態(tài)。里程表適用于近距離導航和定位，在戶外遠程檢測中需要與外部傳感器提供的信息進行匹配，以避免巡檢機器人姿態(tài)估計中長時間以來產生的錯誤。利用車載

29、光電編碼器的里程表進行計數(shù)，檢查轉子轉動計數(shù)，通過以下方式對巡檢機器人的相對姿態(tài)進行評估，里程表適用于室外遠程監(jiān)控中確定短距離位置和導航，需要與外部傳感器獲得的數(shù)據(jù)進行匹配，避免估計中累積誤差的影響。（2）測距傳感器配置方式巡檢機器人通過是測量周圍環(huán)境的距離來描述環(huán)境。在機器人這么多年的歷史中，采用過紅外測距、毫米波測距、超聲波測距以及激光測距這四種方式。毫米波傳感在巡航導彈武器以及直升機里面的應用面非常的大，過去幾年里，這類一起開始在防止撞車的方向上發(fā)揮著越來越重要的作用，具有體積小、測量距離遠、環(huán)境適應性強以及質量輕這類的好處，但是卻不容易檢測到距離遠、體積小的物體，不適合我們本篇文章所討

30、論的巡檢機器人的安裝運用。利用紅外線來測定距離的傳感器具有能夠在夜間測量以及測量時間比較短暫的優(yōu)點，但是它的數(shù)值容易隨環(huán)境的改變而改變，非常的不準確，只能夠用來進行估計的任務。利用激光和雷達來進行測距的傳感器和利用超聲波來進行測距的傳感器所運用的測量距離的方式，都是利用傳播速度以及間隔時間來計算的，所以需要用到對激光、雷達、以及超聲波具有高度敏感特性的傳感器，而且需要這類傳感器具有測量精確、抗干擾能力強、質量輕以及體積小之類的特點，能夠在各種各樣的環(huán)境中執(zhí)行任務，上面的傳感器也是我們這篇文章里面索要用到的傳感器。（3）視覺傳感器配置方式和激光傳感器作比較可以發(fā)現(xiàn)，視覺傳感器就像是設備的眼睛一樣

31、，能夠把外界的信息更加清晰的展現(xiàn)出來，因為處理的圖像更加的清晰，所以處理的時間就相應的比較長，因此這類傳感器可以和上面上一條中的傳感器融會貫通，取長補短。在這里有很多種類的視覺傳感器，包含了雙目攝像頭、單目攝像頭以及三目攝像頭等。其中，單目傳感器因為只有一個“眼睛”所以測量的值并沒有那么的清晰，準確。再一次實驗中，就出現(xiàn)了這類傳感器只測到了方向數(shù)據(jù)，而沒有距離數(shù)據(jù)。所以這類傳感器的穩(wěn)定性非常的差。三目傳感器雖然比雙目傳感器多了一只“眼睛”，但是雙目傳感器已經具備的了完整可靠的功能，所以這一只“眼睛”也只不過是錦上添，但是它們的本質還是一樣的，。我們這篇文章用的是在單目傳感器與三目傳感器中間的雙

32、目傳感器，這樣既能保證數(shù)據(jù)的可靠性，也能適度的降低設施的成本。15第四章 機器人的控制系統(tǒng)設計第三章 智能巡檢機器人硬件結構3.1 系統(tǒng)硬件組成我們所研究的整個系統(tǒng)的核心就是巡檢機器人，這個巡檢機器人分別由控制模塊、機械模塊還有傳感器模塊這三部分共同相輔而成，能夠達到全時段、全方位巡檢的目的。巡檢機器人的系統(tǒng)用了兩種方式，它們分別是人工遙控以及全自動巡檢，它們通過識別控制模塊傳遞的指令，來完成相應的任務。第一部分機械模塊包含了底盤運動模塊、形狀模塊還有電源管理的模塊。其中，第一小部分形狀模塊指的是設施的外部形狀，這里面包含了云臺、頭部、驅動機構、外殼以及底盤的形狀。第二小部分底盤運動模塊具備了

33、非常好的驅動能力，能夠承受比較高的負載，能夠適應不同的環(huán)境，并且?guī)椭鷻C器人翻越不同的障礙，二第三小部分為電池管理模塊，他就是整個機器人的“心臟”，提供給機器人“生命活動”所必須的能量，這也是機器人達成指令所必不可少的。第二部分控制模塊包含了PLC控制器、工控機以及所需要的直流電機這類設施。這整個控制模塊的核心就是第一部分-工控機，它主要的功能就是路徑規(guī)劃、定位導航、與其他部分進行交流、發(fā)布巡檢任務以及對處理數(shù)據(jù)還有控制機器人。第三部分就是傳感器模塊，它包含了紅外熱像儀、可見光攝像機、拾音器還有所用到了多種傳感器，其中紅外熱像儀、可見光攝像機以及拾音器它們的主要工作是識別儀表、處理高清圖像、聲音

34、采集以及監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)的接收，除此以外的傳感器的主要作用就是測定障礙物的距離，通過距離來表現(xiàn)出周圍的環(huán)境。圖3-1 巡檢機器人設備連接圖各設備和巡檢機器人的構造線路圖在圖3-1有所展示，其中激光雷達傳感器、運動底盤、視覺傳感器以及超聲波傳感器都用RS232串口和主控制器相連，而直流電機用一個RS485串口和主控制器相連，然后這些練完之后，主控制器集中在連到無線網(wǎng)關?？梢姽鈹z像機、自動充電裝置、無線對講模塊、紅外熱像儀、制動開關以及揚聲器這一類的設備不用連接到主控制器，可以直接連接到無線網(wǎng)關。3.2 機械結構設計巡檢機器人因為要能夠完成在惡劣天氣下工作的任務，所以它的外殼比較的堅硬，不容易被破壞，

35、而且外殼有效的保護了內部的電源裝置，這也就成為了虛擬按機器人能夠完成任務的前提，機器人所安裝的溫濕度傳感器可以以很快的速度把外界的溫濕度變化的情況傳輸給控制中心，然后控制中心來進行具體的控制來適應外界環(huán)境的變化。巡檢機器人由底盤運動模塊、形狀模塊還有電源管理模塊組成。3.2.1 形狀模塊形狀模塊的重要組成部分為云臺、頭部、驅動機構、外殼以及底盤，這里面的頭部裝備著紅外熱像儀以及可見光攝像機，其中的云臺能夠向各個方位進行轉動，保證攝像機無死角的巡檢，外殼以及頭部運用的是一種不銹鋼的材料，而底盤則是用的一種鋁合金的材料。在對機器人的外觀進行構建的過程中，有很多的因素都會影響著它，比如說要將它構建成

36、一個容易翻越各種障礙物的形狀，這樣的設計所需要思考的重點就是要掌握障礙物的形狀以及高度。而且外殼要保證巡檢機器人的所有功能都能夠正常的施展，能夠讓我們所涉及的功能都能夠安全有效的完成，而且要把巡檢機器人內部的活動空間給預留出來，以保證各個部件的活動不會相互影響。還有就是要使巡檢機器人具有良好的通透性，不餓能讓機器人在工作的途中因為自身溫度過高而停止工作。它的外殼上裝有按鈕、指示燈以及急停開關，以方便人們能夠及時發(fā)現(xiàn)設備不正常的運行出現(xiàn)，以及及時的對此進行修正。外殼安裝了一個防碰撞的開關，如果機器人在運行的過程中碰到了障礙物，防碰撞開關就會啟動，巡檢機器人就會停止運行。在圖3-2里面展現(xiàn)的就是一

37、個防碰撞開關的結構，其中擁有一個杠桿，能夠靈敏的檢測碰撞作用，微動開關2以及防撞蓋1共同組成了這個防碰撞開關，利用一個防撞蓋來使得作用的力臂變得更長，我們都知道，力臂越長，力的放大效果也就越大，即使是輕微的力撞擊防撞蓋1，也能夠使得彈簧6受到力的傳遞而壓縮，從而碰撞到開關使得機器人能夠瞬間停止。而且外殼的兩邊都安裝了微動開關，如果這個開關受到碰撞，即使是一個輕微的碰撞，就會做出一個使機器人停止工作的應答。這個防碰撞開關使得遇到障礙物并碰上的時候的靈敏度提升了，而且它可以對小的障礙物由較好的檢測作用，防撞效果好而且結構比較的簡單。 圖3-2（a） 碰撞開關展開圖 （b）碰撞開關整體效果圖3.3.

38、2 底盤運動模塊裝置的底盤所運用的鋁合金材料使用數(shù)控銑床進行加工的，底盤可通過不同的車輪驅動系統(tǒng)在各個方向上移動或驅動。驅動器的結構結合了兩個實心輪和兩個合成全向輪，四個輪子分別位于矩形的四個角上，每個輪子都具有驅動功能。它由齒輪電動機組成，需要相互之間連接，但是也具有良好的驅動能力來驅動機器人的運作。因為機器人進行工作的時候經常會遇見這樣那樣的障礙物，所以，翻越障礙的能力對于機器人來說是非常重要的。我們運用半獨立式懸掛的四輪減震結構來設計機器人的底盤運動模板。因為每個巡檢機器人的配置都不太一樣，能夠承受的荷載也沒有辦法推斷出來，如果采用了一個減震器（不可以調整它的阻尼），那么就會經常導致超過

39、原定的所能承受的載荷，那么這個減震器就會被毀壞，之后就沒有辦法展現(xiàn)它的減震效果了，這個機器人系統(tǒng)運用的是圖3-3展示的可以調節(jié)阻尼的一款減震器。圖3-3 可以調節(jié)阻尼的減震器機器人底盤運動模型的懸架采用前后輪的半獨立懸架結構，這種懸架在穿越時在車身的左右兩側波動不大，障礙物小，即使行駛過程非常的復雜也能穩(wěn)定的完成任務。3.2.3 電源管理模塊巡檢機器人的電源管理模塊依靠大容量電池，充電插頭位于巡檢機器人的底部，充電器位于充電室。自動充電的設備在下圖里面有所展示。圖3-4 自動充電設備該模塊完全能夠達到巡檢機器人日常巡檢所需的功率，性能穩(wěn)定而且持久。機器人系統(tǒng)具有電池電量檢測功能，可以設置能量下

40、限。當機器人的電池電量低于下限時，會停止監(jiān)控，跑到充電室進行充電，并且報警。3.3 通信系統(tǒng)構成對人員監(jiān)控機器人的控制以及控制中心后臺管理系統(tǒng)與監(jiān)控機器人系統(tǒng)之間的交互通信可分為主體通信和邊緣設備通信。主題通信的大部分通信是通過交聯(lián)和無線通信或單獨的無線通信完成的。大多數(shù)邊緣設備通信涉及到巡檢機器人與邊緣設備之間的通信，類似于變電站電纜蓋板與巡檢機器人之間的通信，可以通過藍牙以及紅外和無線遙控進行控制。3.3.1 主體通信架構控制中心的變電站和計算機網(wǎng)絡中的大多數(shù)網(wǎng)絡設備都使用有線局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸和通信控制。大多數(shù)室外無線網(wǎng)絡的布局均基于有線局域網(wǎng)，AP（接入點）將布置在網(wǎng)絡上。為了達到全面

41、的外部無線網(wǎng)絡并將其與有線局域網(wǎng)集成的目的，在數(shù)據(jù)AP無線網(wǎng)絡的情況下，機器人將安裝有通用無線路由器的巡檢機器人可以無縫地反映在控制室的控制主機上，還可以通過臨時設置無線局域網(wǎng)與便攜式設備（例如筆記本電腦）進行通信，這很方便。現(xiàn)場檢查機器人或者用于臨時檢查工作。建立臨時無線網(wǎng)絡的方法與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡方法基本相似，可以在線使用。無線通信的原理如圖3-5所示。圖3-5 無線通訊的基本圖示監(jiān)控機器人通信系統(tǒng)是基于有線局域網(wǎng)的無線和有線的結合，AP節(jié)點與網(wǎng)絡連接相距指定距離，實現(xiàn)網(wǎng)絡的覆蓋，變電站的無線網(wǎng)絡與局域網(wǎng)集成在一起。無線接入點是無線網(wǎng)絡的骨干，用于無線網(wǎng)絡的無線交換機中，無線AP是移動計算機用

42、戶的接入點，要進入有線網(wǎng)絡必須通過AP，通常在變電站外使用。正常距離范圍從幾十米到幾百米，類似于我們常用的有線網(wǎng)絡中的集線器。網(wǎng)絡覆蓋范圍使用多模式，雙頻無線AP，并支持在2.4GHz和5.8GHz下運行的802.11a / b / g協(xié)議網(wǎng)絡，大多數(shù)無線AP也具有客戶端模式。無線連接到其他AP以擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。網(wǎng)絡子系統(tǒng)的架構在下圖中有所展示。圖3-6 網(wǎng)絡子系統(tǒng)架構圖檢查機器人的網(wǎng)絡設備由可見光攝像機，紅外熱像儀，激光雷達傳感器，視覺傳感器等組成，它們通過工業(yè)交換機和無線客戶端連接到無線網(wǎng)絡。監(jiān)視區(qū)域被多個工業(yè)數(shù)據(jù)安全無線AP覆蓋以實現(xiàn)完整的無線覆蓋，并且無線AP通過光纖連接到基站服務器

43、。該無線通信器將Rocket M2無線產品用了IEEE 802.11g / n，這是室外無線網(wǎng)橋產品套件中最具成本效益的設備。該產品結合了天線和模塊技術，以集成網(wǎng)格天線的所有功能。外部電源通過PoE網(wǎng)線供電，傳輸距離可以達到30公里。3.3.2 邊緣設備通信本文采用無線控制技術對變電站電纜溝蓋板的控制進行了改進。在升降裝置中，無線電控制單元的主控制單元采用西門子ST20。提升裝置接線圖如圖3-7所示。推拉機構的多組推拉桿的頂部鉸接在殼體的頂部和底部支架上，軸鉸接在底部支架上。第一是由PLC控制器控制，繼電器觸發(fā)電動推桿，使接收到的電動推桿可以彈出或拉回，完成電動推桿的頂起動作。圖3-7升降裝置

44、器件連接圖由控制單元控制的無線電控制模塊的超外差與遙控器相同。控制編碼方法采用硬編碼。遙控器上有兩個按鈕，對應控制單元的2引腳輸出。輸出控制器的超外差接收其信號并通過第二繼電器連接到控制器的兩個輸入端子，控制器通過不同的輸出控制第一繼電器的斷開和閉合。溫濕度傳感器用于檢測電源柜內的溫度、濕度。當檢測到溫度和濕度高于設定的閾值時，反饋信號給控制器，控制器控制加熱板。第四章 機器人的控制系統(tǒng)設計爬壁機器人的核心部分就是控制系統(tǒng)，主要有PLC和PC機兩大部分，主要任務是通過PLC完成監(jiān)控任務，機器人的行走狀態(tài)可以實時顯示在上位機顯示屏上，通過上位機的操作進行控制?？刂葡到y(tǒng)要求:1)控制系統(tǒng)結構尺寸小

45、，重量輕。2)運動功能，通過方向按鈕和加減速按鈕控制機器人的全方位運動。3)上位機可實時顯示顯示功能的功能/狀態(tài)。4）遙控功能，通過PC控制PLC來實現(xiàn)；4.1 PLC的特點4.2.1 抗干擾能力強，可靠性高：PLC非常適合工業(yè)控制領域，能夠適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。在可編程控制器的制造以及設計的進程里面，采用干擾和多個層級還有選擇好的部件等多種保護措施來確定兩者之間的平均可編程控制器不出現(xiàn)故障的時間為20000小時，但是，機器人是為智能監(jiān)控而設計的，環(huán)境惡劣，所以我們需要抗干擾能力強，穩(wěn)定性高的，因此PLC更適合完成工作。4.2.2 易于操作和維護：PLC控制程序可通過專用編程器輸入可編程控制

46、器支持程序存儲器。編程器PLC不僅具有強大的自診斷能力，還可以檢測自身故障，并隨時向用戶和遠程操作人員顯示，使機器人能夠快速檢測并確定故障原因。這對維護非常有用。除了問題，他們還有能力快速找到緣由，一最快的速度轉入到正常的工作當中來。4.2.3 PLC的功能：PLC可以控制現(xiàn)場執(zhí)行器，使其實現(xiàn)在現(xiàn)場的動作下輸入信號并按照預先編程的輸入的步驟，按照一定的規(guī)則進行操作。它有多種功能如：定時器功能、邏輯運算、加減運算、移位、分支、條件判別、暫存、跳轉、編碼、譯碼以及BCD數(shù)轉換等能力。4.2.4 PLC分類（1）按I / 0點的數(shù)量分類：PLC的輸入以及輸出點數(shù)是指PLC能從外界接收到的輸入輸出點數(shù)

47、，實際上就是PLC的輸入輸出端子數(shù)。一般來說，這種端子數(shù)越多，PLC功能就會越強。低于265的I / 0點稱為微型機?；旧现挥卸〞r、邏輯運算、位移以及功能計數(shù)等等一系列的功能，這類裝置適用于開關控制，可以用來實現(xiàn)定時/計數(shù)控制、狀態(tài)控制以及順序控制等一系列的操作。那些I / 0在265 - 1024之間的被稱為中型機，除了邏輯運算的能力以外，它們還具備算術運算、模擬處理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)傳輸以及其他一系列的功能，可以執(zhí)行復雜的開關和控制模擬量。I/O點大于1024點稱為中型機，其功能在模擬調制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡通信、記錄、監(jiān)控以及打印等功能上顯得更加的完整，還有在遠程智能控制、中斷控制等方面的功

48、能也越來越強大?？捎糜诖笠?guī)模過程控制，建立分布式系統(tǒng)或全廠分布式系統(tǒng)的控制。（2）根據(jù)結構、形狀分類：從結構和形狀來看，PLC可分為兩類集成模塊。最常見的微型機是結構化組件。由于這種結構的CPU、電源和I / 0組件位于中心位置，其中一些組件也安裝在印刷電路板上。易于裝配在工業(yè)控制設備內部，適用于生產設備的單機控制。內置PLC的缺點是主機I / 0點固定，操作不夠靈活。而且維護起來也不容易。每個PLC部件都采用模塊化結構和單獨的模塊構建，例如CPU模塊、電源模塊、輸入以及輸出模塊還有其他模塊。 這些類型的PLC通常放置在機架末端的每個模塊上。 底板上有幾個插槽，在操作過程中，模塊可以直接連接到

49、機架的下面板。這種類型的PLC易于安裝，配置靈活，模塊配置靈活。按照一定的控制規(guī)范，它很容易的進行擴展，并且由具有不同功能的不同控制系統(tǒng)組成。 通常，PLC大型機使用此結構，但是價格方面相對比較的高。（3）根據(jù)生產廠家分類目前有很多的PLC生產商，而且每家生產商所制造的PLC都各不相同，但是它能夠識別許多的指令，然而，選擇相同配置的PLC可以大大提高工作的效率。這里面功能較好的PLC有很多種，在此就不一一列舉了。4.2 上位PC機與PLC通訊PLC與PC的通信通常通過RS232C端口進行，數(shù)據(jù)交換方式為線路中的字符串的方式。使用RS232這種方法，系統(tǒng)可以輕松設置和計算機的通信。軟件組件的所有

50、數(shù)據(jù)和狀態(tài)通過可編程控制器傳輸?shù)接嬎銠C，然后計算機收集它們，分析并檢查其用戶狀態(tài)。使用計算機、標準變更和可編程控制器通過計算機直接控制可編程控制器。一旦定義了編程控制模式，就可以很容易地訪問RS232C計算機與輸出線的連接。這篇文章研究的移動機器人采用獨立的PC機+可編程控制器控制結構，具有高可靠性、適應性以及配置靈活的功能。4.2.1 移動機器人控制功能要求控制系統(tǒng)的整個結構圖在下面的圖片里面有所展示，其結構使用兩個計算機系統(tǒng)來控制機器人。機器人采用模塊化架構控制器。所有硬件系統(tǒng)均采用PC機作為機器人控制系統(tǒng)的硬件管理系統(tǒng)，用PLC控制機器人的運行。上位機采用RS232端口和PLC RS48

51、5端口通過端口轉換器與PLC通信，采用主機響應的辦法。圖4.1 控制系統(tǒng)總體框圖上位機的作用是收集的操作參數(shù)控制對象存儲在PLC中,顯示每個部分的工作狀態(tài)的控制對象,通過A/D采集卡得到傳感器所發(fā)出的命令。PLC響應指令并在上位機中準備數(shù)據(jù)I讀取:1可以獲得通信讀取數(shù)據(jù)。把數(shù)據(jù)寫入設備的時候，上位機通過通信I: 1將數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)寫入PLC, PLC可以獲取到這個命令。PLC通信模塊提供上位機命令鏈接碼，微機通過向PLC傳送各種各樣的指令，對特殊功能模塊的軟設施或緩沖區(qū)域進行讀寫。4.2.2 PLC功能要求OMROM 5PL系列寫入用于與計算機讀取器進行通信的命令，并且完成讀和寫的任務，PLC啟用對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)上受控對象功能的操作控制，并保持已編程操作的讀寫狀態(tài)。上位機可以隨時向它查詢所需數(shù)據(jù)以及內容。4.2.