專利名稱：巡線機(jī)器人智能控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人領(lǐng)域的控制器，具體是一種應(yīng)用于架空電力線路巡線 機(jī)器人的嵌入式智能控制器。
背景技術(shù)：
巡線機(jī)器人是諸多高新技術(shù)的集成，用智能機(jī)器人進(jìn)行線路巡檢，是機(jī)器人技術(shù) 和電力巡檢技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)也是特種機(jī)器人的新研究領(lǐng)域。用機(jī)器人巡檢線路， 將可避免人工巡線對(duì)巡檢精度的影響，到達(dá)人工難以到達(dá)的線路，提高巡檢效率，極大降低 巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度和人工巡線潛在的風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于用直升機(jī)巡線，用機(jī)器人巡檢線路，將極大降 低巡線的高昂費(fèi)用，同時(shí)可準(zhǔn)確獲得線路狀態(tài)信息，為實(shí)施線路狀態(tài)檢修提供科學(xué)依據(jù)。巡 線機(jī)器人的主要巡檢目標(biāo)是通過(guò)搭載的可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外成像儀等設(shè)備，獲得巡檢線路 沿線環(huán)境情況、桿塔和基礎(chǔ)情況、導(dǎo)線和架空地線情況、絕緣子情況、防雷以及接地裝置情 況、附件及其它設(shè)備情況。隨著技術(shù)的發(fā)展，依靠搭載的其他設(shè)備，將會(huì)完善巡檢技術(shù)，同時(shí) 實(shí)現(xiàn)線路的自主維護(hù)。在架空電力線路巡線機(jī)器人領(lǐng)域，已有日本東京電力公司的Sawada等人、美國(guó) TRC公司、加拿大魁北克水電研究院(IREQ)的Moutambault等人先后開(kāi)展了巡線機(jī)器人的 研究工作，但他們研制的巡線機(jī)器人工作時(shí)一般需要人工輔助，作業(yè)范圍小，自治程度低。 國(guó)內(nèi)有武漢大學(xué)在863基金項(xiàng)目資助下開(kāi)展了具有行走和越障功能的架空電力線路巡線 機(jī)器人的研究，并申請(qǐng)了專利 CN200410061316. 8、CN200410061314. 9、CN200320116267. 4、 CN200510019930. 2、CN200810048943. 6、CN200810048756. 8、CN200810048943. 6。巡線機(jī)器人沿架空電力線路長(zhǎng)距離運(yùn)行，首先需要有充足的能源提供，目前據(jù)國(guó) 內(nèi)外文獻(xiàn)均是采用電池供電，續(xù)航能力有限。要實(shí)現(xiàn)自主巡檢需要跨越防震錘、懸垂絕緣 子、線夾、桿塔等各種障礙，因此要求有一套具有全局定位能力的導(dǎo)航系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制模塊 以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線路上的自由移動(dòng)。最終由巡檢模塊獲得線路的可見(jiàn)光、紅外圖像等信息， 存儲(chǔ)在機(jī)器人本體內(nèi)或經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到地面。開(kāi)發(fā)一種綜合電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制 模塊、導(dǎo)航模塊、巡檢模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的巡線機(jī)器人智能控制器必不可少，同時(shí)還需要 滿足體質(zhì)小，能耗低，可靠性高和抗電磁干擾能力強(qiáng)等要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的目前據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)均是采用電池供電，續(xù)航 能力有限等的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種具有充足的能源提供的巡線機(jī)器人智能控制器。本發(fā)明還有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的現(xiàn)機(jī)器人在線路上的自由移動(dòng)時(shí)不 能全局定位能力且定位不精準(zhǔn)等的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種具有全局定位能力的導(dǎo)航系統(tǒng)和 運(yùn)動(dòng)控制模塊以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線路上的自由移動(dòng)且定位精準(zhǔn)的巡線機(jī)器人智能控制器。本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的一種巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，包括
中央控制模塊由三塊基于PC104總線的板卡堆棧而成，一塊CPU模塊 (PCM-3370)和兩個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊(PM511P和PCM-5132)，可以根據(jù)預(yù)設(shè)程序和桿塔、線路信 息自主規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的巡檢步驟；電源模塊向機(jī)器人的整個(gè)控制器提供電源，由感應(yīng)取電電源和可充電蓄電池組 成智能的電源模塊；運(yùn)動(dòng)控制模塊由3個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制9個(gè)直流伺服電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)切換板實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng) 器與電極之間的切換；導(dǎo)航模塊包括GIS-GPS模塊以及電磁傳感器陣列；巡檢模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232C串口接收中央控制器發(fā)出的控制指令實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光攝 像機(jī)和紅外成像儀的巡檢，完成儀器的開(kāi)啟和關(guān)閉、定位、變焦、放大、拍攝動(dòng)作，所得到的 可見(jiàn)光和紅外圖象保存在存儲(chǔ)卡內(nèi)；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232C串口與中央控制模塊進(jìn)行通信，通過(guò)無(wú)線收發(fā) 裝置接收地面基站發(fā)出的控制指令和反饋機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)信息；通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)器 人的系統(tǒng)軟件和操作軟件；通過(guò)圖像傳輸裝置下載可見(jiàn)光和紅外圖像信息；所述的電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、導(dǎo)航模塊、巡檢模塊分別與中央控制模塊相連， 所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)外部接口板與中央控制模塊相連。在上述的巡線機(jī)器人智能控制器，所述導(dǎo)航模塊依靠GPS實(shí)時(shí)確定機(jī)器人所在位 置，檢索GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)比得出相對(duì)于前后障礙物的距離，在接近下一個(gè)障礙物的安全距離 之外減速，轉(zhuǎn)入依據(jù)電磁傳感器的局部自主越障在上述的巡線機(jī)器人智能控制器，所述的電源模塊包括依次相連的感應(yīng)取電裝 置、大容量鋰電池以及充放電監(jiān)控單元。在上述的巡線機(jī)器人智能控制器，所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊包括依次相連的若干直流 伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器切換板以及驅(qū)動(dòng)器切換板。在上述的巡線機(jī)器人智能控制器，所述的導(dǎo)航模塊包括依次相連的電磁傳感器陣 列、傾角傳感器以及GIS-GPS模塊。在上述的巡線機(jī)器人智能控制器，所述的巡檢模塊包括可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外成像 儀以及超聲波測(cè)距儀。在上述的巡線機(jī)器人智能控制器，所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無(wú)線收發(fā)裝置以及圖
像傳輸裝置。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且使用壽命長(zhǎng)，易于推廣； 2.具有全局定位能力的導(dǎo)航系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制模塊以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線路上的自由移動(dòng)且定 位精準(zhǔn)。


附圖1為本發(fā)明的智能控制器系統(tǒng)構(gòu)成圖。附圖2直流伺服電機(jī)的控制附圖3為外傳感器信號(hào)處理設(shè)計(jì)方案圖附圖4電源模塊的構(gòu)成
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。實(shí)施例一種巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，包括中央控制模塊是巡線機(jī)器人智能控制器的硬件核心，由三塊基于PC104總線的 板卡堆棧而成，一塊CPU模塊(PCM-3370)和兩個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊(PM511P和PCM-5132)，可以 根據(jù)預(yù)設(shè)程序和桿塔、線路信息自主規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的巡檢步驟。為了系統(tǒng)資源的集中管理與 分配，專門設(shè)計(jì)了一塊接口板，其作用是將PC104板卡上的資源(A/D、D/A、I/0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、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和檢測(cè)各種傳感信號(hào) (包括電磁傳感器信號(hào)、電流傳感器信號(hào)和光電傳感器信號(hào))。具體介紹如下巡線機(jī)器人本體中央控制模塊由三塊基于PC104總線的板卡堆棧 而成，并配備筆記本內(nèi)存條和CF卡，三塊板卡分別是PCM-3370、PCM5132、PM-511P，各板卡 主要功能如下PCM-3370 是臺(tái)灣研華的一款性能比較高的PC104plus總線CPU模塊，該產(chǎn)品抗 干擾能力強(qiáng)，可用于具有強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的惡劣環(huán)境，最大功耗為12W，寬溫產(chǎn)品工作溫度范 圍-20 80度，并且具有PC/104和PC/104plus兩種擴(kuò)展槽，可以很方便的擴(kuò)展其它PC/104 總線或PC/104plus總線的板卡。其板上主要資源如下RS-232/485 接口 兩個(gè)并口一個(gè)，可支持SPP/EPP/ECP三種模式紅外接口 1個(gè)速度高達(dá)1. 15MbpsRJ-45接口 支持PS/2鍵盤和鼠標(biāo)USB 接 口 兩個(gè)，USB1. 1顯示器接口 支持CRT/LCD10/100MPCI 以太網(wǎng)PCM-5132 是一種主要針對(duì)工業(yè)環(huán)境中使用的嵌入式PC應(yīng)用模塊，含有48數(shù)字信 號(hào)輸入輸出，48路兼容TTL/DTL/CM0S的數(shù)字信號(hào)線分布在兩個(gè)獨(dú)立的組內(nèi)，每一組都支持 8255PPI (可編程外圍接口)芯片的模式0，并且有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。每一塊8255由A 口、 B 口、C 口三個(gè)8位數(shù)據(jù)口組成，這些口都可以通過(guò)程序設(shè)置為輸入或者輸出，其中C 口又可 被分為高四位和低四位，它們又可以被獨(dú)立的設(shè)置為輸入或輸出口。PM511P:是一塊PC104總線的多功能數(shù)據(jù)采集板，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室、嵌入 式設(shè)備等多種場(chǎng)合，具有16路A/D轉(zhuǎn)換通道、4路D/A通道、24路可編程開(kāi)關(guān)量輸入輸出、3 路計(jì)數(shù)通道。PCM-5149是一款PC104總線通訊卡，支持8個(gè)RS-232端口，可為每個(gè)串口選擇 IRQ，采用全雙工通訊串口，可通過(guò)跳線選擇中繼級(jí)，提供40針腳到標(biāo)準(zhǔn)DB9接口的扁平電纜。電源模塊向機(jī)器人的整個(gè)控制器提供電源，由感應(yīng)取電電源和可充電蓄電池組 成智能的電源模塊。中央控制器通過(guò)讀取電池的剩余電量，參考即將進(jìn)行的越障與巡檢規(guī) 劃計(jì)來(lái)協(xié)調(diào)感應(yīng)取電裝置。當(dāng)判斷電池電量不足以完成剩余巡檢時(shí)，感應(yīng)取電裝置獲取的 交流電經(jīng)AC-DC轉(zhuǎn)換成直流電后，再經(jīng)充放電監(jiān)控單元直接向DC-DC供電或向蓄電池充電。DC-DC單元的輸出為機(jī)器人系統(tǒng)各用電單元提供所需的電源。運(yùn)動(dòng)控制模塊是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由3個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制9個(gè)直流 伺服電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)切換板實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與電極之間的切換。通過(guò)控制各無(wú)刷電機(jī)的方向、 速度、角位移和力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人九個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制，其中，除了兩個(gè)行走輪的行 走電機(jī)為雙軸驅(qū)動(dòng)控制，其它電機(jī)僅為單軸驅(qū)動(dòng)控制。機(jī)器人9個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)均由直流伺 服電機(jī)完成，因此運(yùn)動(dòng)控制模塊的重點(diǎn)就是直流伺服電機(jī)的控制。在傳統(tǒng)方案中，對(duì)無(wú)刷電 機(jī)的控制實(shí)際上是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器間接進(jìn)行控制的，在同一時(shí)間內(nèi)，一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器只能驅(qū)動(dòng)控制 一臺(tái)電機(jī)，在一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器上需要1路D/A來(lái)控制電機(jī)的速度和4路I/O來(lái)分別控制電機(jī)的 停止、剎車、方向和角位移。傳統(tǒng)方案采用了一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器控制一臺(tái)電機(jī)的方式，這樣就需要 9臺(tái)電機(jī)和9臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，而且硬件核心部分需要提供9路D/A，36路1/0，該方案雖然使得我 們可以同時(shí)控制9臺(tái)電機(jī)，但是在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只有兩個(gè)行走電機(jī)需要同步控制，其 它電機(jī)都可以分時(shí)控制，沒(méi)有必要每臺(tái)電機(jī)都配置一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，這樣不但很大程度的增加 了開(kāi)發(fā)成本，而且增大了控制系統(tǒng)的體積和重量，不宜采用。本發(fā)明所使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案是通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器分時(shí)來(lái)控制三個(gè)直流伺服電機(jī) 的運(yùn)動(dòng)，采用分時(shí)控制的方法，必須設(shè)計(jì)一塊控制無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器切換板，這樣，只需要 提供切換板三路I/O通道，就可以分時(shí)對(duì)三個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)只需要三臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、三個(gè) 控制無(wú)刷電機(jī)的切換板、3路D/A、21路1/0，就可以控制系統(tǒng)所有的無(wú)刷電機(jī)，而且系統(tǒng)有 很大的擴(kuò)展空間，因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)最多可以分時(shí)控制12臺(tái)，同步控制3臺(tái)無(wú)刷電機(jī)，但是， 必須根據(jù)系統(tǒng)的需要，考慮將哪幾臺(tái)無(wú)刷電機(jī)分配在同一個(gè)切換板上，例如，對(duì)于要同步控 制的兩個(gè)行走電機(jī)就必須將其分配在不同的兩塊切換板上，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步控制。圖2 表示了各個(gè)電機(jī)在切換板上的分布情況。導(dǎo)航模塊自主導(dǎo)航是巡線機(jī)器人進(jìn)行自主導(dǎo)航與巡檢的關(guān)鍵技術(shù)，依靠 GIS-GPS技術(shù)、電磁傳感器陣列完成導(dǎo)航。依據(jù)內(nèi)建的關(guān)于巡檢線路的線路、桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù) GIS線路信息系統(tǒng)，通過(guò)GPS定位裝置實(shí)施確定機(jī)器人的當(dāng)前位置，作出總體巡檢規(guī)劃。依 靠電磁傳感器陣列檢測(cè)高壓導(dǎo)線上的各種障礙如防震錘、懸垂線夾、壓接管等，同時(shí)配合傾 角傳感器檢測(cè)機(jī)器人相對(duì)于導(dǎo)線的位姿，引導(dǎo)機(jī)器人跨越障礙。其主要依靠基于磁場(chǎng)檢測(cè)、 傾角檢測(cè)的局部自主導(dǎo)航和基于GIS-GPS的全局自主導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)全局和局部的障 礙跨越，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套巡線機(jī)器人控制軟件，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主跨越桿塔、防震錘等金 具，達(dá)到機(jī)器人在高壓線路上連續(xù)行駛的目的；并檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)并反饋給控制面板， 為操作人員提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息。電磁傳感器對(duì)稱地布置在機(jī)器人的兩個(gè)臂上，分為位姿檢測(cè)傳感器和障礙檢測(cè)傳 感器。一個(gè)臂上主要有三組(A、B、C組)共20個(gè)用于位姿檢測(cè)的電磁傳感器，兩組平行分布 于豎直方向，另一組垂直于它們所確定的平面。此外，在機(jī)器人的每個(gè)行走輪部分分別布置 了兩個(gè)用于障礙檢測(cè)的電磁傳感器，一個(gè)用于檢測(cè)是否到達(dá)防震垂，一個(gè)用于檢測(cè)是否到 達(dá)線夾(包括懸垂線夾、耐張線夾、壓接管)。將檢測(cè)防震垂的兩個(gè)傳感器歸為一組(D組)， 將檢測(cè)線夾的兩個(gè)傳感器也歸為一組(E組)，再加上兩個(gè)臂上的六組傳感器，共有8組(44 個(gè))電測(cè)傳感器，如果將每個(gè)電磁傳感器的輸入信號(hào)都分別進(jìn)行信號(hào)處理，這樣，可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)傳感器信號(hào)的并行處理，但是缺點(diǎn)卻也是明顯的，它需要44路的A/D和相當(dāng)多的電器元 件，同時(shí)，前置信號(hào)處理板也會(huì)變得很龐大。但其實(shí)機(jī)器人并不需要對(duì)電磁傳感器信號(hào)并行處理，所以可以將電磁傳感器分類進(jìn)行信號(hào)處理，中間通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道切換，本 設(shè)計(jì)中將需要相同放大倍數(shù)的各組電磁傳感器歸為一類，圖3為外傳感器信號(hào)處理設(shè)計(jì)方 案圖，設(shè)計(jì)中將電磁傳感器分為四類進(jìn)行信號(hào)處理，每一類可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同的放大 倍數(shù)，這樣，硬件核心部分就只需要提供四路A/D，而且外傳感器信號(hào)處理板就只需要四路 濾波放大電路?；诖艌?chǎng)檢測(cè)的自主越障技術(shù)已申請(qǐng)專利，在此略。基于GIS技術(shù)建立線路的全局結(jié)構(gòu)模型，主要包括(1)桿塔及其性質(zhì)，即直線桿 塔及其結(jié)構(gòu)形式，耐張桿塔及其轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)向；(2)檔距，相鄰兩個(gè)桿塔間的直線距離；(3)障 礙物的類型、數(shù)量及其位置，如桿塔兩端防震錘的數(shù)量及估計(jì)距離，接續(xù)管或補(bǔ)修管的位置 等。巡線機(jī)器人全局自主導(dǎo)航信息的獲取，是采用基于傳感器觸發(fā)的對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的搜索來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。GIS-GPS全局自主導(dǎo)航的基本算法為依靠GPS實(shí)時(shí)確定機(jī)器人所在位置，檢索 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)比得出相對(duì)于前后障礙物的距離，在接近下一個(gè)障礙物的安全距離之外減 速，轉(zhuǎn)入依據(jù)電磁傳感器的局部自主越障。巡檢模塊是機(jī)器人完成對(duì)線路和桿塔運(yùn)行狀況檢測(cè)的執(zhí)行模塊，中央控制器根 據(jù)桿塔號(hào)查詢得到當(dāng)前桿塔與線路的結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232C串口向巡檢模塊發(fā)送控 制指令實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外成像儀的巡檢，完成儀器的開(kāi)啟和關(guān)閉、定位、變焦、放大、 拍攝等動(dòng)作，所得到的可見(jiàn)光和紅外圖象保存在存儲(chǔ)卡內(nèi)，同時(shí)可無(wú)線圖象傳輸裝置傳送 到地面基站以便觀察。針對(duì)所采用的可將光攝像機(jī)和紅外儀器的特點(diǎn)，本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)了 根據(jù)巡檢目標(biāo)(如線夾、絕緣子等)的空間位置參數(shù)來(lái)規(guī)劃巡檢程序的算法。數(shù)據(jù)傳輸模塊是機(jī)器人與地面控制基站之間的通訊工具，可以同時(shí)傳輸控制指 令和巡檢所得的線路信息。中央控制模塊與外部接口板之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232C串口進(jìn)行 通信，通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置接收地面基站發(fā)出的控制指令和反饋機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)信息；通 過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)器人的系統(tǒng)軟件和操作軟件；通過(guò)圖像傳輸裝置下載可見(jiàn)光和紅外圖像 信息。要求達(dá)到3km的遙控距離，基站的通訊模塊分別采用無(wú)線收發(fā)裝置和圖像傳輸裝置。 無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)采用半雙工通信模式，通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口與工作站相連。巡檢人員通過(guò)地 面基站的工作站與機(jī)器人通訊時(shí)，操作指令通過(guò)串口發(fā)送，由數(shù)傳電臺(tái)傳輸?shù)綑C(jī)器人，機(jī)器 人上的電臺(tái)負(fù)責(zé)接收并通過(guò)串口傳輸?shù)絇C104系統(tǒng)進(jìn)行處理；機(jī)器人的狀態(tài)報(bào)告，則通過(guò) 機(jī)器人串口發(fā)送，地面數(shù)傳電臺(tái)接收并傳到工作站，由工作站負(fù)責(zé)處理。兩者之間通訊采用 了統(tǒng)一的協(xié)議，指令和報(bào)告以代碼的形式發(fā)送和接收。無(wú)線圖像接收器接收到圖像信號(hào)后 還原出標(biāo)準(zhǔn)的模擬圖像信號(hào)，圖像信號(hào)通過(guò)電視盒轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后顯式在工作站上。另 外還可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制和接受可見(jiàn)光攝像機(jī)的信息。電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、導(dǎo)航模塊、巡檢模塊分別與中央控制模塊相連，所述的 數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)外部接口板與中央控制模塊相連。在本實(shí)施例中，機(jī)器人的中央控制模塊需要向各個(gè)模塊發(fā)送控制指令和接受反饋 狀態(tài)信息，同時(shí)還需要讀取電磁傳感器、GPS定位裝置、視覺(jué)系統(tǒng)的信息，各個(gè)硬件模塊之間 接口方式各有不同。為了提高穩(wěn)定性和節(jié)約機(jī)器人內(nèi)部空間，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一塊外部接口 板，主要作用是將外部各種信號(hào)接口綜合到一塊電路板上，然后再與中央控制模塊進(jìn)行控 制指令和信號(hào)的通信。下面以機(jī)器人在高壓輸電導(dǎo)線上跨越防震錘為例說(shuō)明導(dǎo)航模塊的作用與工作過(guò)
當(dāng)機(jī)器人在兩個(gè)桿塔之間上線，中央控制根據(jù)桿塔號(hào)查詢線路的結(jié)構(gòu)信息，得到 下一個(gè)障礙物的類型(此例為防震錘)和距離，開(kāi)始進(jìn)入由GIS-GPS引導(dǎo)的全局范圍的障 礙跨越，發(fā)送指令給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)入高速行駛狀態(tài)。GIS-GPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人所 在位置并向中央控制器發(fā)送，通過(guò)與GIS線路信息系統(tǒng)中的線路參數(shù)進(jìn)行比較得出距離防 震錘的距離，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)距離時(shí)，中央控制器向控制系統(tǒng)發(fā)送減速命令，開(kāi)啟電磁傳感器陣 列，進(jìn)入電磁傳感器引導(dǎo)的局部自主越障。中央控制器通過(guò)磁場(chǎng)檢測(cè)獲取機(jī)器人相對(duì)于導(dǎo) 線的距離與位姿參數(shù)，通過(guò)預(yù)設(shè)控制軟件引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主跨越動(dòng)作。所述巡檢模塊采用的可見(jiàn)光攝像機(jī)為SONY生產(chǎn)的SNC-RZ50P球型網(wǎng)絡(luò)攝象機(jī)。攝 像機(jī)控制器通過(guò)串口接收機(jī)器人控制器的控制指令，可分別對(duì)兩自由度云臺(tái)、攝像機(jī)的電 子變焦、網(wǎng)絡(luò)通信、視頻輸出、CF卡的圖片存儲(chǔ)等進(jìn)行控制。機(jī)器人控制器通過(guò)兩種方式向 攝像機(jī)控制器提供控制指令，一是由機(jī)器人自主巡檢提供的控制指令，二是由數(shù)傳電臺(tái)接 收到的地面基站遙控指令，前者為自主巡檢方式，后者為地面遙控發(fā)檢方式。巡線機(jī)器人本 體與地面基站，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了如下三種通信方式一是由交換機(jī)與無(wú)線網(wǎng)卡構(gòu)成的 數(shù)字圖像近距離高速無(wú)線下載；二是由圖像發(fā)射與接收裝置構(gòu)成的圖像遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸； 三是由一對(duì)數(shù)傳電臺(tái)構(gòu)成的地面遠(yuǎn)程遙控操作。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢目標(biāo)(如線夾、絕緣子等)的自主巡檢，本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)了基于 GIS線路信息系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)信息參數(shù)來(lái)引導(dǎo)可見(jiàn)光攝像機(jī)進(jìn)行自主掃描的算法。當(dāng)機(jī)器人 到達(dá)預(yù)設(shè)地點(diǎn)后，根據(jù)機(jī)器人所靠近的桿塔編號(hào)，獲得將要掃描的桿塔金具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì) 算出各個(gè)預(yù)設(shè)掃描點(diǎn)相對(duì)于攝像頭的空間位置X、1、z、r(x為掃描點(diǎn)相對(duì)于攝像頭鏡頭的 水平縱向距離，Y為掃描點(diǎn)相對(duì)于攝像頭鏡頭的水平橫向距離，ζ為掃描點(diǎn)相對(duì)于攝像頭鏡 頭的高度差，Tra^x2Dy2Uz2為掃描點(diǎn)與攝像頭的距離)。依據(jù)可見(jiàn)光算法，計(jì)算出掃描 點(diǎn)相對(duì)于攝像頭的空間角度、空間距離，到達(dá)指定掃描位置后，開(kāi)啟攝像頭旋轉(zhuǎn)指定角度、 依據(jù)r選擇焦距和放大倍數(shù)進(jìn)行掃描，并依據(jù)桿塔號(hào)標(biāo)記視頻和圖像文件進(jìn)行存儲(chǔ)。紅外熱成像儀是一款手持式紅外熱成像儀，而在機(jī)器人使用中，無(wú)需目鏡、液晶顯 示器和電池等組件，由機(jī)器人系統(tǒng)提供電源。紅外成像儀的控制與接受系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)和工作 原理與可見(jiàn)光系統(tǒng)基本相同。超聲波測(cè)距系統(tǒng)是一款手持型電纜/線纜測(cè)高儀，帶有LCD顯示器供人工觀察其 測(cè)距值，可以存儲(chǔ)測(cè)距值，其測(cè)量值通過(guò)專用的輸出口輸出，需要使用儀器自帶的軟件來(lái)讀 取存儲(chǔ)的測(cè)量值，但不向用戶提供通信協(xié)議。因此，該儀器用作機(jī)器人巡檢，需要作如下的 改造將測(cè)量值(液晶顯示器的示值)讀取到機(jī)器人控制器中，以便于存儲(chǔ)在機(jī)器人本體中 或下傳到地面基站；對(duì)測(cè)距儀實(shí)施控制；由機(jī)器人提供電源。巡檢模塊和中央控制模塊之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口通信發(fā)送控制指令和返回狀 態(tài)參數(shù)，地面基站通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊中的圖像傳輸裝置可實(shí)時(shí)觀測(cè)和下載到視頻和圖像信 息。當(dāng)?shù)孛婊九c機(jī)器人之間距離在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有效傳輸距離之內(nèi)時(shí)，也可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 直接獲取視頻和圖像信息。圖4為所述的巡線機(jī)器人電源系統(tǒng)的解決方案。它包括感應(yīng)取電裝置、開(kāi)關(guān)電源 (含充電電路)、可充電蓄電池、電源監(jiān)控與溫度補(bǔ)償電路和DC-DC模塊電源。其基本工作 原理如下感應(yīng)取能部件(鐵芯和線圈)從高壓導(dǎo)線上感應(yīng)獲取交變電流，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換為直流后，經(jīng)恒流源向蓄電池充電。當(dāng)監(jiān)控電路檢測(cè)蓄電池兩端電壓達(dá)到一定值后，繼電 器常開(kāi)節(jié)點(diǎn)閉合，將鐵芯上線圈短路，停止充電。同樣，蓄電池電壓降到一定值后，繼電器常 開(kāi)觸點(diǎn)自動(dòng)斷開(kāi)，充電回路開(kāi)始充電。感應(yīng)取能部件中的鐵磁材料為開(kāi)合式結(jié)構(gòu)，并作為巡線機(jī)器人安全保護(hù)的一個(gè)末 端執(zhí)行器。當(dāng)感應(yīng)取能部件在執(zhí)行打開(kāi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，二次繞組線圈均處在短接狀態(tài)，使鐵磁 體中形成反磁通，以減少磁阻力(磁吸合力)。而當(dāng)感應(yīng)取能部件在執(zhí)行合攏運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 二次繞組線圈均處在接通負(fù)載的工作狀態(tài)(形成磁吸合力)，并與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械力一道， 將下半部運(yùn)動(dòng)的鐵磁體與上半部固定的鐵磁體壓合于一個(gè)整體，從而使鐵磁體形成閉合的 磁通。為了減少取能部件工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲，除了上下鐵磁材料有足夠的接合力外，用非 導(dǎo)磁材料作為安裝鐵磁材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以避免形成渦流噪聲及渦流損耗。圖4為感應(yīng)取電裝置中的核心部件_換能器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。換能器是由 鐵磁材料制成的鐵鐵芯和線圈組成，為了滿足機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)要求，鐵芯為開(kāi)合結(jié)構(gòu)，其開(kāi) 合運(yùn)動(dòng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供。換能器的能量轉(zhuǎn)換大小，由如下因素決定導(dǎo)線負(fù)載電流，鐵磁材 料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)磁率，鐵磁材料的有效橫截面積、磁路長(zhǎng)度，線圈匝數(shù)及其截面積， 負(fù)載的性質(zhì)和負(fù)載大小，等等。經(jīng)過(guò)理論分析和大量的試驗(yàn)，綜合考慮結(jié)構(gòu)及重量、運(yùn)動(dòng)等 要求，確定了圖3. 9. 2的結(jié)構(gòu)。在圖3. 10所示結(jié)構(gòu)，以24V10Ah鋰離子電池為負(fù)載，在導(dǎo)線 負(fù)載電流為400A時(shí)，最大輸出能量約60W.本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替 代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
權(quán)利要求
1.一種巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，包括中央控制模塊由三塊基于PC104總線的板卡堆棧而成，一塊CPU模塊(PCM-3370)和 兩個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊(PM511P和PCM-5132)，可以根據(jù)預(yù)設(shè)程序和桿塔、線路信息自主規(guī)劃?rùn)C(jī) 器人的巡檢步驟；電源模塊向機(jī)器人的整個(gè)控制器提供電源，由感應(yīng)取電電源和可充電蓄電池組成智 能的電源模塊；運(yùn)動(dòng)控制模塊由3個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制9個(gè)直流伺服電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)切換板實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與 電極之間的切換；導(dǎo)航模塊包括GIS-GPS模塊以及電磁傳感器陣列；巡檢模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232C串口接收中央控制器發(fā)出的控制指令實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光攝像機(jī) 和紅外成像儀的巡檢，完成儀器的開(kāi)啟和關(guān)閉、定位、變焦、放大、拍攝動(dòng)作，所得到的可見(jiàn) 光和紅外圖象保存在存儲(chǔ)卡內(nèi)；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232C串口與中央控制模塊進(jìn)行通信，通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置 接收地面基站發(fā)出的控制指令和反饋機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)信息；通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)器人的 系統(tǒng)軟件和操作軟件；通過(guò)圖像傳輸裝置下載可見(jiàn)光和紅外圖像信息；所述的電源模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、導(dǎo)航模塊、巡檢模塊分別與中央控制模塊相連，所述 的數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)外部接口板與中央控制模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，所述導(dǎo)航模塊依靠GPS 實(shí)時(shí)確定機(jī)器人所在位置，檢索GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)比得出相對(duì)于前后障礙物的距離，在接近下 一個(gè)障礙物的安全距離之外減速，轉(zhuǎn)入依據(jù)電磁傳感器的局部自主越障
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，所述的電源模塊包括 依次相連的感應(yīng)取電裝置、大容量鋰電池以及充放電監(jiān)控單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊 包括依次相連的若干直流伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器切換板以及驅(qū)動(dòng)器切換板。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，所述的導(dǎo)航模塊包 括依次相連的電磁傳感器陣列、傾角傳感器以及GIS-GPS模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，所述的巡檢模塊包括 可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外成像儀以及超聲波測(cè)距儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的巡線機(jī)器人智能控制器，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊 包括無(wú)線收發(fā)裝置以及圖像傳輸裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人領(lǐng)域的控制器，具體是一種應(yīng)用于架空電力線路巡線機(jī)器人的嵌入式智能控制器。巡線機(jī)器人沿架空電力線路長(zhǎng)距離運(yùn)行，首先需要有充足的能源提供，目前據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)均是采用電池供電，續(xù)航能力有限。要實(shí)現(xiàn)自主巡檢需要跨越防震錘、懸垂絕緣子、線夾、桿塔等各種障礙，因此要求有一套具有全局定位能力的導(dǎo)航系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制模塊以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線路上的自由移動(dòng)。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且使用壽命長(zhǎng)，易于推廣；2.具有全局定位能力的導(dǎo)航系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制模塊以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線路上的自由移動(dòng)且定位精準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G05D1/02GK102114635SQ20091027351
公開(kāi)日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者劉歡, 吳功平, 鄭拓, 黃正烈 申請(qǐng)人:寧波公牛機(jī)器人有限公司, 武漢大學(xué)