题 目：基于智能巡检机器人与PLC系统联动控制设计摘 要目前科学技术正在以一个很快的速度不断进步，我国所有电力行业的变电站智能水平也逐渐提高，它们所处的配电系统是电力系统不可或缺的一部分。随着铁路，煤炭，造船和冶金等电气行业一步一步的现代化、供电的范围也扩大、供电的距离增加，对配电系统的安全性，可靠性和连续性提出了更高的条件。当今市场上的自检方法存在许多缺陷，因此基于PLC系统控制的智能巡检机器人的设计是研究的目标。对于智能巡检机器人的设计，巡检机器人所应用的系统把PLC作为主控制器，PLC具有功耗低，性能好，抗干扰能力强等特点，可以在工业领域大范围应用。主控制器控制主要的适用范围是设备监视的传感器还有用来导航以及定位的传感器。红外热像仪可以执行诸如视频监控，高分辨率的相机和温度监控之类的作用，激光传感器，内部传感器和视觉传感器被集成在一起控制，从而使机器人能够精确地检测，搜索和导航检查机器人的通讯系统包括主体通讯和边缘设备通讯，它们可以是全自动检查，并允许人员远程进行现场检查。第1章 研究背景及意义对于我们国家的所有电力行业而言，它们所位于的配电系统是电力系统的组成部分。随着铁路，煤炭，造船，冶金以及其他能源工业的现代化，增加了供电距离并扩大了供电范围，对配电系统的安全性，可靠性以及连续性提出了越来越严格的条件。所以，日常运行和维护变电站是非常有必要的步骤。大多数传统的变电站检查方法都是在固定点进行人为的检查。检查员拥有纸质标准检查手册，并使用一些个人判断和他们所带的检查设备来测试电气设备。通过监视各种抄表器显示的温度和出现的异常声音，可以证明变电站中各种设备和配线的安全问题。而且，调查人员将使用手持式热像仪、听力和目测的方法，判断电气设备和电线以确认是否存在安全隐患。由于变电站很大，自检时间范围很广，因此技术技能不足和检查员经验不足会导致检查不当、误诊和错误的发生。除此以外，调查人员无法利用大量的审计数据进行科学，有效的分析；他们不足以对定期调查中记录的历史数据的各个方面进行对比分析，无法解决安全隐患，这样会使得事故出现的概率增大，给组织造成无价损失。随着变电站检查范围越来越大，检查系统的工作越来越复杂，人工检查的弊端越来越显现出来了。如果可以实现智能巡检机器人技术的应用以及变电站智能化系统的应用，就有可能实现检查机器人的智能自动化，这项研究已成为电力系统的研究方向。电气行业中的变电站通常搭在室外。因为户外环境比较的复杂，这就要求检查机器人具备更先进的定位和导航技术。同时，自动导航技术使得巡检机器人更加的智能化，向前迈进了一大步。为了让机器人变得比之前自动且智能，如今，许多学者和专家把全部精力放在研究具有自动导航功能和定位技术的机器人身上，这是导航系统的重要组成成分。当检查环境比较复杂时，不可能用单个传感器实现高精度定位。一般的单传感器定位通常存在缺陷，并且容易跟随监视信号强度的改变而改变。如果信号被阻止，则定位甚至就会失败。目前，数据融合需要融合不同种类的传感器，其附加优点是可以有效发挥每个传感器的作用，从而实现其定位功能，导航系统更加精确。同时，当巡查机器人与边缘设备通信时，使用集成的感应控制方法来操作边缘设备，以提高检查的可靠性和效率。总之，开发一种以PLC系统控制为基础的智能监控机器人系统对我们来说非常的重要，这样才能够智能地监控自动化变电站。1.2 巡检机器人研究现状经过多年的探索，多年来，国内的巡检机器人的研究与发展一直稳步发展，国内巡检机器人的研究经验也越来越多。1999年，山东电力公司率先在国内率先提出了自己对巡检机器人研发的要求，在2004年研发出第一台样机检验与开发机器人的基础上，在国家电网公司和国家863两个项目的鼓励下，开发了一个系列化的变电站巡查机器人，达到了对变电站的智能监控的目的，并且这项应用在国内迅速传播。在机器人巡查的历史上，世界上并没有用于变电站设备的机器人。移动变电站巡检机器人的研究分为三类，他们分别是履带式、轨道式以及轮式三种。轨道式检查机器人的出现比其他两种机器人出现的时间更加的早，沿着指定的路线进行了检查的任务，2007年，山东大学的黄教祥一行人开发了一种采用双臂设计的悬挂式轨道巡检机器人，这种机器人能够有一种通过高压塔的能力。2012年2月，由中国科学院沉阳研究所开发的轨道式巡检机器人在辽宁省鞍山市的王铁变电站投入运行，这个变电站的额定电压为220kV，这个轨道式的巡检机器人解决了在夏天全天候高温检测、以及冬天雨雪气候检测的问题。在2013年，在深圳开发的第一台轨道式巡检机器人在河南的多个变电站内首次投入使用。2016年，在山东开发的室内轨道巡检机器人在江苏沙洲变电站投入使用，达到了开关柜的状态监测和温度测量的能力。履带式巡检机器人基于一般的履带构造，拥有良好的机动性和克服障碍的功能，2009年哈尔滨工业大学开发的地下煤矿探测机器人使用了传统的履带，三个关节可以在交叉时一起跨越工作障碍物，提高穿越障碍物时的稳定性。同时，有相应的传感器和摄像头用于监控道路环境。2013年，在中南大学由导师带领学生开发的可重构履带式移动机器人是用四杆机构来设计的，这种设计的有点是可以调节重心并增加稳定性。轮式巡检机器人具有简单的运动结构和灵活高效的驱动过程。自动驾驶技术的开发在长安大学2011年就开始了，长安大学的无人驾驶汽车配备了工业相机和激光雷达等传感器。这类巡检机器人是由周立辉小组开发的，既能够时间按照既定的轨道实现运行，又配备了红外热像仪以及摄像头这类设施进行检查。浙江省一家研发机器人的公司开发了一种轮式巡检机器人，这类机器人配备了高清摄像头，红外热像仪以及激光雷达等高科技的传感器，能够在复杂的环境中完成检测设备的任务。从1980年代开始，国外就开始着手开发智能机器人，并在一定程度上取得了成功。在1984年，美国陆军研制出当时第一辆在陆地上能够自动驾驶的汽车，这辆汽车可以说是之后的移动机器人的先驱。是由A. Brik和其他的学者在2005年开发的轨道巡检机器人，并且安装了红外热像仪这类高科技装备，已经将它部署在变电站中工作。由日本的Akihisa Ohya和其他人在2009年开发的腹部式带机器人可用于监视黑暗中的房屋地板。由美国Irobot公司开发的一系列的小型履带机器人具有构造灵活、驱动速度快之类的特点。巡检机器人的起源要追溯到军事研究的领域当中。一种新的机器人-Tri-star II巡检机器人能够自由折叠并具有非常强的跨越障碍的能力，Klarer等人在美国开发了一种采用转向节悬挂系统的轮式感应机器人，该机器人在遇到障碍物时能使所有四个车轮着陆，大大提高了它的克服障碍的能力和稳定性。由Gomathi V等公司开发的煤矿监控机器人使用无线传感器网络实现人机交互，并可以在煤矿的地下环境中执行监控任务。1.3 主要研究内容这篇文章的主体是一个室外自动巡检系统的搭建，这个系统由通信系统、感应机器人的主体以及控制中心相辅相成。在机器人巡检的时候，集成了用于定位和感应控制方法的多种传感器组合，用于边缘设备的操作，能够按照规定的位置运行，与其他的边缘设备数据传输并拍摄录像，通过与红外热成像技术的组合，可以执行视觉识别的任务并监视机壳、仪表以及油位计还有其他仪表的温度，获取准确的信息，并使用拾音器和其他设备收集来自检查设备和检查环境的噪音从检查中获得的图像，视频，温度、声音以及其他数据通过通信系统发送回控制中心，然后详细分析每台设备的历史数据，以了解设备是否能够安全使用。达到异常信息报警的目的以及确保了变电站的安全、稳定以及可靠的工作。在检查的过程中，可以根据实际的情况对检查的线路进行独立优化，并可以智能切换电池管理模式以延长电池寿命。完成这些以后，能够达到工作人员远程控制变电站检查工作，减少了人员的检查工作量，提高了设备的监控效率的同时，为企业节省了人工成本。3第二章 巡检机器人整体方案设计第二章 巡检机器人整体方案设计2.1 系统设计的需求分析2.1.1 功能需求通过对国内以及国外的巡检机器人目前的情况以及工作环境的了解，提出了可以实现增加巡检机器人安全性，以及提高巡检变电站的电气设备安全性的几点要求：（1）对于机器人自身来说：巡检机器人所应用的系统总共被分为三种，他们分别是通信系统、巡检机器人系统以及控制中心。巡检机器人配备有红外热像仪、可见光摄像机、激光雷达传感器、里程计、超声波传感器、视觉传感器以及声音采集的装置，在检查电气的装置时，能够达到把传输音频、视频以及图像等信息传递会控制中心的目的。系统可以将设备位置状态、表计读数以及设备温度状态这一类的消息储放在巡检的数据库里面。巡检机器人能够和后台保持联络，使得通信更加的有保障。不仅能够进行手动巡检，还能够进行手动巡检。巡检机器人能够在一定程度上的防风、防水。巡检机器人的电池能够进行自动的充电，而且电池的容量很大。（2）控制中心管理系统：这个系统可以随时随地的获取巡检机器人所在的地方，能够显示一个完整的电子地图。能够操控巡检机器人，无论是远程还是近距离，而且能够以手动和自动两种方式。拥有报警功能，当遇到突发情况，就会报警。能够随时随地获取巡检机器人检查的时候得到的红外视频以及高清视频等。可以自动生成巡检任务报表以及设备缺陷报表这一类的表格，而且具备展示历时的曲线的能力以及所有打印和报表查询这类的能力。系统软件的人机界面显示清晰直观、操作方便、界面友好。2.1.2 性能需求按照巡检所需要的系统的功能要求还有巡检机器人工作的需要，最后，清楚的表现出机器人主体和后端处理系统的总体系统要求和性能要求，如表2-1，表2-2和表2-3所示。表2-1巡检机器人系统整体技术指标表2-2 巡检机器人本体技术指标表2-3 机器人系统软件技术指标2.1.3 设计约束巡检机器人系统的研究以Windows的系统为基础，并确定把ROS机器人软件平台当作一个分布式的运行框架，ROS具有灵活的计算调度模型、完整的开发套件以及丰富的调试工具，能够提供部署操作、配置管理还有底层通信等作用，这将大大提高了开发效率。控制中心能够储存巡检中得到的视频、传达巡检目标、比对讨论变电站装置的工作状态以及分析图像和音频数据等，控制中心运用的Windows的系统。机器人与后台之间的联系以遥控以及无线网络的形式来传达信息。工控机运用Windows Embedded Standard的系统，工控机与单片机之间的信息传达是基于RS232串口来进行的。2.2 巡检机器人系统方案设计2.2.1 整体方案巡检机器人所应用的系统总共被分为三种，他们分别是通信系统、巡检机器人系统以及控制中心。这里面机器人的系统主要分为几个部分，他们分别是：控制模块、机器人本体以及传感器设备。其中通信系统的主体组成部分分为以下几部分，他们分别是：交换机以及无线传输设备，包含了遥控控制以及网络控制这两个方法，主要承担了控制中心和机器人系统之间来传递信息。控制中心能够传递巡检目标、储存巡检过程里面得到的音频、视频以及图像的数据、比对讨论变电站装置的工作状态等，它的主要功能是把巡检机器人整体联合起来，使得巡检机器人更加像一个整体。巡检系统的构成在图2-1中有所展示。图2-1 巡检系统构成图2.2.2 软件系统方案巡检机器人第一步需要解决无轨导航系统的目标，这些步骤包含了机器人的避障以及自主充电等任务。完成这些以后，进行自动智能机器人检查的检查路径规划，包括智能抄表、红外热图像高温监控以及异常声音检测等任务。第二步，为控制中心搭建一个无线通信系统，以控制监视机器人以及两者之间的数据传输。最后，控制中心开发后台和数据库系统软件，实现基本的存储和审计数据，人机交互界面设计以及诸如报告之类的数据分析功能。巡检机器人研究技术路线如图2-2所示。图2-2 巡检机器人研究技术路线2.2.3 通信方案选择（1）主体通信方案选择巡检机器人与控制中心相互发送信息，需要满足带宽大以及通讯区域大的要求。根据研究和相关文献，发现以下解决方案：第一个解决方案：使用PLC通信，人们开发了此方法，并将其有效地使用在电气系统。对于PLC通信来说，是应用预制线来达到构成通道的目的，不用布置其他的线路，省钱以及安全。但是，PLC通信中存在信号盲点和抗干扰能力差的严重问题。第二个解决方案：应用运营商的4G网络来进行连接，这项技术具有高频和高速的优势。变电站的监控区域很大，这项技术能够达到早期的覆盖需求，只需要建设一个全面的4G无线专用网络，所以投资很小，但是后期将不得不在以后阶段为昂贵的流量向运营商付费。第三项解决方案：使用WIFI连接，此方法需要一个自己创建的通信AP基站，并且可以无线连接到其他AP以扩大网络覆盖范围。它们最常在变电站的室外使用，并且在随后的操作需要免费维护的情况下，距离的范围通常从数十米到数百米。在上述解决方案的优点和缺点中，智能巡检机器人采用第三种解决方案。 （2）边缘通信方案选择变电站中的边缘设备，除电气设备外，还指安装用于保护电缆和配电箱的某些设备，例如排水沟、配电箱和井盖等。当前，通过遥控器与边缘设备进行通信时，以下解决方案是最常用的：解决方案一：蓝牙技术可用于手机，计算机，立体声音响，打印机和其他设备。基于该机器，它可以连接到国际网络。其中蓝牙有很多版本，而蓝牙4.0是使用最广泛的版本，它拥有很多的优点，比如说低功耗，成本低，高可靠性和快速启动等特点。但是因为通信距离比较短，在户外巡检并不适合。解决方案二：采用红外通信作为数据传输所需的传输介质的红外遥控技术，实现方法方便，收发器具有成本低，结构简单以及可靠性高的优点。在家电行业中，它通常被用来当作短距离的遥控器，但是它不能适应恶劣的环境，因此不能保证数据传输的可靠性，可靠性差。解决方案三：无线电遥控技术是用遥控器来传递无线电信号，用来达成对设备的遥控的目的。这种方法的传输距离很长，受环境影响因素不大。日常的生活中，可以轻松地在户外使用。这种方式还被广泛的应用于军事防御以及国内的工业等领域本文采用第三种解决方案，在检查机器人和边缘设备之间进行数据的传递。2.2.4 导航定位方案选择该巡检机器人的导航计划在下面：解决方案1：运用磁导航方法，这种方法需要事先插入磁轨和RFID，同时，之后的维护和实施的成本很高。解决方案2：使用对变电站环境中的干扰敏感的GPS系统，这种方式的缺点也很明显，就是对环境变化比较敏感。解决方案3：使用LIDAR SLAM导航方法，所需的传感器通常包括里程表以及碰撞开关盒等设备，并且LIDAR传感器不易受欢迎影响，而且巡查的范围比较的大，广泛用于变电站的巡检机器人的身上。解决方案4：使用SLAM视觉导航方法。该图像传感器具有低成本、高分辨率以及低功耗的优点。它高度依赖于光线，通常与其他传感器一起用于定位和导航。详细介绍了以上示意图的优缺点，本文结合了第三示意图和第四示意图进行导航合成和定位，以准确地识别和可靠地控制巡检机器人。2.3 硬件选型分析2.3.1 控制模块硬件选型监视机器人主体使用工控机当作它的主控制器，使用PLC的控制器当作它的辅助的控制器。其中的主控制器连接无线AP以及工业交换机，达到能够通过无线的方式进行网络连接的目的，并通过PLC控制器的控制中心后台管理系统传输数据，在工业计算机上运行命令并实时传输信号，包括上载按钮、警报信息这一类重要的信息。还具备操作和控制指示灯状态的功能。工业计算机的功能主要包括以下几部分：控制云台的角度，然后将红外热像仪以及可见光摄像机接收到的图像和视频数据通过网络上传到控制中心。工控机通过RS485接口把云台连接到PTZ，红外热像仪以及可见光摄像头用USB的接口相互接起来。实时接收控制中心发布的命令。建议包括监视，启动以及暂停等命令，并且工控机指导巡检机器人完成相应的任务。完成自动充电的动作，当巡查机器人点亮不足时，可以通过给CC电和PLC控制器传输指令来达到充电器插头部分还有机器人的充电插头部分自动断开和自动连接，以达到自动充电的目的。随时随地的传递人工掌控按键的信息，紧急启动和停止按钮安装在检查机器人上。通过按下这些按钮，工控机可以实时接收此信息，以达到指示灯状态的变化。其中工控机运用了一种无风扇嵌入式的工控机研华，它的型号是ARK-3500，物理示意图为2-3。这个工控机把其他工业级以及串口的作用整个起来，放置到一个紧凑而且坚固的盒子里面，为了确保其最高的可靠性和防震性能，这个盒子采用高强度铝合金结构，主控制器的参数性能在表2-4有所展示。图2-3 传感器选型传感器模块由红外热像仪、可见光摄像机、激光雷达传感器、里程计、视觉传感器以及超声波传感器等组成。控制模块对传感器的模块执行控制的命令，和它的连接形式分别包含了：RJ45有线连接方式、RS485/232方式以及无线网络连接方式。这篇文章通过选择传感器的设备型号，能够达到确保各各装置的功能参数可以达到系统方案的要求，把选择的传感器区别开来，共分为：实现巡检机器人定位导航的传感器以及用于变电站设备监测的传感器两部分。红外热像仪以及可见光摄像机被构建在云台的上面，云台非常的灵活，能够向各个方向转动以及运动，提供给设备给广阔的视野。它收到的图像以及视频的信息经过一系列过程传递给后台。激光雷达传感器、里程计、视觉传感器以及超声波传感器相辅相成，来控制装置的运作。图2-4 可见光摄像机和红外热像仪可见光摄像机它的首当其冲的功能就是捕捉监控画面，清晰的辨别仪表盘上的仪表信息，所以对设备的要求比较高，一般来说为具备多倍光学变焦以及信噪比高的设备，这篇文章运用了海康威视所研发的的高清数字摄像机，这台摄像机的实物图在图2-4中云台的右侧，其具备了SDK的功能，有利于对设备进行二次开发。红外热像仪被人们看作是“一个不需要休息的红外眼睛”，具有测温范围大、夜视距离远、性能稳定以及隐蔽性强这类的优点，在很大范围内用来监控装置的温度。这篇文章在图2-4中云台的左侧所展示的就是一台FOTRIC-626红外热像仪，这台红外热像仪视场角高、分辨率高以及测温范围大，非常的实用。激光雷达传感器是发射激光束以检测目标的速度、位置以及其他系数的一种雷达系统。拥有测距精确、分辨率高、体积小、信息量大、抗有源干扰能力强、质量轻以及低空探测性能好这么多优点。这篇文章应用了在图2-5a里面所展示的型号为SICK LMSI51-10100的一种激光雷达传感器，把它构建于机器人的前面，来进行避障还有导航的定位的作用。图2-5 （a）激光雷达传感器 （b） 超声波传感器 （e） RGB-D深度相机超声波传感器是一种使用声波介质把一种超声波信号变成一种其他能量发射信号的传感器，用于非接触式和非穿戴式检测被检测物质。主要用来检测距离，具有运行稳定以及测量精度高的优势。这篇文章应用了超声波传感器与激光雷达相互组合的形式来完成定位导航的任务，选择在图2-5b里面展示的型号为HC-SR04的一种传感器，在机器人的周围安装3个超声波传感器，监控玻璃这一类的光学传感器没有办法来监控的物体，而且要测定它们的距离，主要来应用他们所具有的机器人防撞以及跨越障碍这一类的作用。视觉传感器这一整套装置的“眼睛”，他是通过把成像装置传递过来的外部环境的图像信息进行处理分析。这个设计运用了一个型号为RGB-D的深度相机系列，采取第二代的ZE双目立体相机，在图片2-5c里面展示的。它具备了成本低、帧率及分辨率高以及功耗低这一类的优点。将装置的“眼睛”构建在机器人的前方以及上方，可是实现对高度不一样的障碍物的检测，而且和视觉传感器、内部传感器以及激光雷达传感器相辅相成，来完成定位工作。2.3.3 传感器的分类配置（1）内部传感器配置方式巡检机器人的监视功能用于估计相应运动的传感器里面的陀螺仪和里程计，把它们称为内部传感器。 陀螺仪是用于感应和保持方向的仪器，主要由轴上的旋转转子组成，在航空和导航中被用作导航工具。由于精度比较高的陀螺仪比较的贵，所以使用上面的陀螺仪来检测的巡检机器人成本比较便宜，因此经常把里程计用作观测相对位置和姿态的仪器。里程表通过检测车上的光电编码器对检测机器人进行计数，检测车轮的转动次数，并根据轨迹估计检测机器人的相对姿态。里程表适用于近距离导航和定位，在户外远程检测中需要与外部传感器提供的信息进行匹配，以避免巡检机器人姿态估计中长时间以来产生的错误。利用车载光电编码器的里程表进行计数，检查转子转动计数，通过以下方式对巡检机器人的相对姿态进行评估，里程表适用于室外远程监控中确定短距离位置和导航，需要与外部传感器获得的数据进行匹配，避免估计中累积误差的影响。（2）测距传感器配置方式巡检机器人通过是测量周围环境的距离来描述环境。在机器人这么多年的历史中，采用过红外测距、毫米波测距、超声波测距以及激光测距这四种方式。毫米波传感在巡航导弹武器以及直升机里面的应用面非常的大，过去几年里，这类一起开始在防止撞车的方向上发挥着越来越重要的作用，具有体积小、测量距离远、环境适应性强以及质量轻这类的好处，但是却不容易检测到距离远、体积小的物体，不适合我们本篇文章所讨论的巡检机器人的安装运用。利用红外线来测定距离的传感器具有能够在夜间测量以及测量时间比较短暂的优点，但是它的数值容易随环境的改变而改变，非常的不准确，只能够用来进行估计的任务。利用激光和雷达来进行测距的传感器和利用超声波来进行测距的传感器所运用的测量距离的方式，都是利用传播速度以及间隔时间来计算的，所以需要用到对激光、雷达、以及超声波具有高度敏感特性的传感器，而且需要这类传感器具有测量精确、抗干扰能力强、质量轻以及体积小之类的特点，能够在各种各样的环境中执行任务，上面的传感器也是我们这篇文章里面索要用到的传感器。（3）视觉传感器配置方式和激光传感器作比较可以发现，视觉传感器就像是设备的眼睛一样，能够把外界的信息更加清晰的展现出来，因为处理的图像更加的清晰，所以处理的时间就相应的比较长，因此这类传感器可以和上面上一条中的传感器融会贯通，取长补短。在这里有很多种类的视觉传感器，包含了双目摄像头、单目摄像头以及三目摄像头等。其中，单目传感器因为只有一个“眼睛”所以测量的值并没有那么的清晰，准确。再一次实验中，就出现了这类传感器只测到了方向数据，而没有距离数据。所以这类传感器的稳定性非常的差。三目传感器虽然比双目传感器多了一只“眼睛”，但是双目传感器已经具备的了完整可靠的功能，所以这一只“眼睛”也只不过是锦上添，但是它们的本质还是一样的，。我们这篇文章用的是在单目传感器与三目传感器中间的双目传感器，这样既能保证数据的可靠性，也能适度的降低设施的成本。15第四章 机器人的控制系统设计第三章 智能巡检机器人硬件结构3.1 系统硬件组成我们所研究的整个系统的核心就是巡检机器人，这个巡检机器人分别由控制模块、机械模块还有传感器模块这三部分共同相辅而成，能够达到全时段、全方位巡检的目的。巡检机器人的系统用了两种方式，它们分别是人工遥控以及全自动巡检，它们通过识别控制模块传递的指令，来完成相应的任务。第一部分机械模块包含了底盘运动模块、形状模块还有电源管理的模块。其中，第一小部分形状模块指的是设施的外部形状，这里面包含了云台、头部、驱动机构、外壳以及底盘的形状。第二小部分底盘运动模块具备了非常好的驱动能力，能够承受比较高的负载，能够适应不同的环境，并且帮助机器人翻越不同的障碍，二第三小部分为电池管理模块，他就是整个机器人的“心脏”，提供给机器人“生命活动”所必须的能量，这也是机器人达成指令所必不可少的。第二部分控制模块包含了PLC控制器、工控机以及所需要的直流电机这类设施。这整个控制模块的核心就是第一部分-工控机，它主要的功能就是路径规划、定位导航、与其他部分进行交流、发布巡检任务以及对处理数据还有控制机器人。第三部分就是传感器模块，它包含了红外热像仪、可见光摄像机、拾音器还有所用到了多种传感器，其中红外热像仪、可见光摄像机以及拾音器它们的主要工作是识别仪表、处理高清图像、声音采集以及监测温度数据的接收，除此以外的传感器的主要作用就是测定障碍物的距离，通过距离来表现出周围的环境。图3-1 巡检机器人设备连接图各设备和巡检机器人的构造线路图在图3-1有所展示，其中激光雷达传感器、运动底盘、视觉传感器以及超声波传感器都用RS232串口和主控制器相连，而直流电机用一个RS485串口和主控制器相连，然后这些练完之后，主控制器集中在连到无线网关。可见光摄像机、自动充电装置、无线对讲模块、红外热像仪、制动开关以及扬声器这一类的设备不用连接到主控制器，可以直接连接到无线网关。3.2 机械结构设计巡检机器人因为要能够完成在恶劣天气下工作的任务，所以它的外壳比较的坚硬，不容易被破坏，而且外壳有效的保护了内部的电源装置，这也就成为了虚拟按机器人能够完成任务的前提，机器人所安装的温湿度传感器可以以很快的速度把外界的温湿度变化的情况传输给控制中心，然后控制中心来进行具体的控制来适应外界环境的变化。巡检机器人由底盘运动模块、形状模块还有电源管理模块组成。3.2.1 形状模块形状模块的重要组成部分为云台、头部、驱动机构、外壳以及底盘，这里面的头部装备着红外热像仪以及可见光摄像机，其中的云台能够向各个方位进行转动，保证摄像机无死角的巡检，外壳以及头部运用的是一种不锈钢的材料，而底盘则是用的一种铝合金的材料。在对机器人的外观进行构建的过程中，有很多的因素都会影响着它，比如说要将它构建成一个容易翻越各种障碍物的形状，这样的设计所需要思考的重点就是要掌握障碍物的形状以及高度。而且外壳要保证巡检机器人的所有功能都能够正常的施展，能够让我们所涉及的功能都能够安全有效的完成，而且要把巡检机器人内部的活动空间给预留出来，以保证各个部件的活动不会相互影响。还有就是要使巡检机器人具有良好的通透性，不饿能让机器人在工作的途中因为自身温度过高而停止工作。它的外壳上装有按钮、指示灯以及急停开关，以方便人们能够及时发现设备不正常的运行出现，以及及时的对此进行修正。外壳安装了一个防碰撞的开关，如果机器人在运行的过程中碰到了障碍物，防碰撞开关就会启动，巡检机器人就会停止运行。在图3-2里面展现的就是一个防碰撞开关的结构，其中拥有一个杠杆，能够灵敏的检测碰撞作用，微动开关2以及防撞盖1共同组成了这个防碰撞开关，利用一个防撞盖来使得作用的力臂变得更长，我们都知道，力臂越长，力的放大效果也就越大，即使是轻微的力撞击防撞盖1，也能够使得弹簧6受到力的传递而压缩，从而碰撞到开关使得机器人能够瞬间停止。而且外壳的两边都安装了微动开关，如果这个开关受到碰撞，即使是一个轻微的碰撞，就会做出一个使机器人停止工作的应答。这个防碰撞开关使得遇到障碍物并碰上的时候的灵敏度提升了，而且它可以对小的障碍物由较好的检测作用，防撞效果好而且结构比较的简单。 图3-2（a） 碰撞开关展开图 （b）碰撞开关整体效果图3.3.2 底盘运动模块装置的底盘所运用的铝合金材料使用数控铣床进行加工的，底盘可通过不同的车轮驱动系统在各个方向上移动或驱动。驱动器的结构结合了两个实心轮和两个合成全向轮，四个轮子分别位于矩形的四个角上，每个轮子都具有驱动功能。它由齿轮电动机组成，需要相互之间连接，但是也具有良好的驱动能力来驱动机器人的运作。因为机器人进行工作的时候经常会遇见这样那样的障碍物，所以，翻越障碍的能力对于机器人来说是非常重要的。我们运用半独立式悬挂的四轮减震结构来设计机器人的底盘运动模板。因为每个巡检机器人的配置都不太一样，能够承受的荷载也没有办法推断出来，如果采用了一个减震器（不可以调整它的阻尼），那么就会经常导致超过原定的所能承受的载荷，那么这个减震器就会被毁坏，之后就没有办法展现它的减震效果了，这个机器人系统运用的是图3-3展示的可以调节阻尼的一款减震器。图3-3 可以调节阻尼的减震器机器人底盘运动模型的悬架采用前后轮的半独立悬架结构，这种悬架在穿越时在车身的左右两侧波动不大，障碍物小，即使行驶过程非常的复杂也能稳定的完成任务。3.2.3 电源管理模块巡检机器人的电源管理模块依靠大容量电池，充电插头位于巡检机器人的底部，充电器位于充电室。自动充电的设备在下图里面有所展示。图3-4 自动充电设备该模块完全能够达到巡检机器人日常巡检所需的功率，性能稳定而且持久。机器人系统具有电池电量检测功能，可以设置能量下限。当机器人的电池电量低于下限时，会停止监控，跑到充电室进行充电，并且报警。3.3 通信系统构成对人员监控机器人的控制以及控制中心后台管理系统与监控机器人系统之间的交互通信可分为主体通信和边缘设备通信。主题通信的大部分通信是通过交联和无线通信或单独的无线通信完成的。大多数边缘设备通信涉及到巡检机器人与边缘设备之间的通信，类似于变电站电缆盖板与巡检机器人之间的通信，可以通过蓝牙以及红外和无线遥控进行控制。3.3.1 主体通信架构控制中心的变电站和计算机网络中的大多数网络设备都使用有线局域网进行数据传输和通信控制。大多数室外无线网络的布局均基于有线局域网，AP（接入点）将布置在网络上。为了达到全面的外部无线网络并将其与有线局域网集成的目的，在数据AP无线网络的情况下，机器人将安装有通用无线路由器的巡检机器人可以无缝地反映在控制室的控制主机上，还可以通过临时设置无线局域网与便携式设备（例如笔记本电脑）进行通信，这很方便。现场检查机器人或者用于临时检查工作。建立临时无线网络的方法与传统无线网络方法基本相似，可以在线使用。无线通信的原理如图3-5所示。图3-5 无线通讯的基本图示监控机器人通信系统是基于有线局域网的无线和有线的结合，AP节点与网络连接相距指定距离，实现网络的覆盖，变电站的无线网络与局域网集成在一起。无线接入点是无线网络的骨干，用于无线网络的无线交换机中，无线AP是移动计算机用户的接入点，要进入有线网络必须通过AP，通常在变电站外使用。正常距离范围从几十米到几百米，类似于我们常用的有线网络中的集线器。网络覆盖范围使用多模式，双频无线AP，并支持在2.4GHz和5.8GHz下运行的802.11a / b / g协议网络，大多数无线AP也具有客户端模式。无线连接到其他AP以扩大网络覆盖范围。网络子系统的架构在下图中有所展示。图3-6 网络子系统架构图检查机器人的网络设备由可见光摄像机，红外热像仪，激光雷达传感器，视觉传感器等组成，它们通过工业交换机和无线客户端连接到无线网络。监视区域被多个工业数据安全无线AP覆盖以实现完整的无线覆盖，并且无线AP通过光纤连接到基站服务器。该无线通信器将Rocket M2无线产品用了IEEE 802.11g / n，这是室外无线网桥产品套件中最具成本效益的设备。该产品结合了天线和模块技术，以集成网格天线的所有功能。外部电源通过PoE网线供电，传输距离可以达到30公里。3.3.2 边缘设备通信本文采用无线控制技术对变电站电缆沟盖板的控制进行了改进。在升降装置中，无线电控制单元的主控制单元采用西门子ST20。提升装置接线图如图3-7所示。推拉机构的多组推拉杆的顶部铰接在壳体的顶部和底部支架上，轴铰接在底部支架上。第一是由PLC控制器控制，继电器触发电动推杆，使接收到的电动推杆可以弹出或拉回，完成电动推杆的顶起动作。图3-7升降装置器件连接图由控制单元控制的无线电控制模块的超外差与遥控器相同。控制编码方法采用硬编码。遥控器上有两个按钮，对应控制单元的2引脚输出。输出控制器的超外差接收其信号并通过第二继电器连接到控制器的两个输入端子，控制器通过不同的输出控制第一继电器的断开和闭合。温湿度传感器用于检测电源柜内的温度、湿度。当检测到温度和湿度高于设定的阈值时，反馈信号给控制器，控制器控制加热板。第四章 机器人的控制系统设计爬壁机器人的核心部分就是控制系统，主要有PLC和PC机两大部分，主要任务是通过PLC完成监控任务，机器人的行走状态可以实时显示在上位机显示屏上，通过上位机的操作进行控制。控制系统要求:1)控制系统结构尺寸小，重量轻。2)运动功能，通过方向按钮和加减速按钮控制机器人的全方位运动。3)上位机可实时显示显示功能的功能/状态。4）遥控功能，通过PC控制PLC来实现；4.1 PLC的特点4.2.1 抗干扰能力强，可靠性高：PLC非常适合工业控制领域，能够适应恶劣的工业现场环境。在可编程控制器的制造以及设计的进程里面，采用干扰和多个层级还有选择好的部件等多种保护措施来确定两者之间的平均可编程控制器不出现故障的时间为20000小时，但是，机器人是为智能监控而设计的，环境恶劣，所以我们需要抗干扰能力强，稳定性高的，因此PLC更适合完成工作。4.2.2 易于操作和维护：PLC控制程序可通过专用编程器输入可编程控制器支持程序存储器。编程器PLC不仅具有强大的自诊断能力，还可以检测自身故障，并随时向用户和远程操作人员显示，使机器人能够快速检测并确定故障原因。这对维护非常有用。除了问题，他们还有能力快速找到缘由，一最快的速度转入到正常的工作当中来。4.2.3 PLC的功能：PLC可以控制现场执行器，使其实现在现场的动作下输入信号并按照预先编程的输入的步骤，按照一定的规则进行操作。它有多种功能如：定时器功能、逻辑运算、加减运算、移位、分支、条件判别、暂存、跳转、编码、译码以及BCD数转换等能力。4.2.4 PLC分类（1）按I / 0点的数量分类：PLC的输入以及输出点数是指PLC能从外界接收到的输入输出点数，实际上就是PLC的输入输出端子数。一般来说，这种端子数越多，PLC功能就会越强。低于265的I / 0点称为微型机。基本上只有定时、逻辑运算、位移以及功能计数等等一系列的功能，这类装置适用于开关控制，可以用来实现定时/计数控制、状态控制以及顺序控制等一系列的操作。那些I / 0在265 - 1024之间的被称为中型机，除了逻辑运算的能力以外，它们还具备算术运算、模拟处理、数据通信、数据传输以及其他一系列的功能，可以执行复杂的开关和控制模拟量。I/O点大于1024点称为中型机，其功能在模拟调制、数据处理、网络通信、记录、监控以及打印等功能上显得更加的完整，还有在远程智能控制、中断控制等方面的功能也越来越强大。可用于大规模过程控制，建立分布式系统或全厂分布式系统的控制。（2）根据结构、形状分类：从结构和形状来看，PLC可分为两类集成模块。最常见的微型机是结构化组件。由于这种结构的CPU、电源和I / 0组件位于中心位置，其中一些组件也安装在印刷电路板上。易于装配在工业控制设备内部，适用于生产设备的单机控制。内置PLC的缺点是主机I / 0点固定，操作不够灵活。而且维护起来也不容易。每个PLC部件都采用模块化结构和单独的模块构建，例如CPU模块、电源模块、输入以及输出模块还有其他模块。 这些类型的PLC通常放置在机架末端的每个模块上。 底板上有几个插槽，在操作过程中，模块可以直接连接到机架的下面板。这种类型的PLC易于安装，配置灵活，模块配置灵活。按照一定的控制规范，它很容易的进行扩展，并且由具有不同功能的不同控制系统组成。 通常，PLC大型机使用此结构，但是价格方面相对比较的高。（3）根据生产厂家分类目前有很多的PLC生产商，而且每家生产商所制造的PLC都各不相同，但是它能够识别许多的指令，然而，选择相同配置的PLC可以大大提高工作的效率。这里面功能较好的PLC有很多种，在此就不一一列举了。4.2 上位PC机与PLC通讯PLC与PC的通信通常通过RS232C端口进行，数据交换方式为线路中的字符串的方式。使用RS232这种方法，系统可以轻松设置和计算机的通信。软件组件的所有数据和状态通过可编程控制器传输到计算机，然后计算机收集它们，分析并检查其用户状态。使用计算机、标准变更和可编程控制器通过计算机直接控制可编程控制器。一旦定义了编程控制模式，就可以很容易地访问RS232C计算机与输出线的连接。这篇文章研究的移动机器人采用独立的PC机+可编程控制器控制结构，具有高可靠性、适应性以及配置灵活的功能。4.2.1 移动机器人控制功能要求控制系统的整个结构图在下面的图片里面有所展示，其结构使用两个计算机系统来控制机器人。机器人采用模块化架构控制器。所有硬件系统均采用PC机作为机器人控制系统的硬件管理系统，用PLC控制机器人的运行。上位机采用RS232端口和PLC RS485端口通过端口转换器与PLC通信，采用主机响应的办法。图4.1 控制系统总体框图上位机的作用是收集的操作参数控制对象存储在PLC中,显示每个部分的工作状态的控制对象,通过A/D采集卡得到传感器所发出的命令。PLC响应指令并在上位机中准备数据I读取:1可以获得通信读取数据。把数据写入设备的时候，上位机通过通信I: 1将数据和数据写入PLC, PLC可以获取到这个命令。PLC通信模块提供上位机命令链接码，微机通过向PLC传送各种各样的指令，对特殊功能模块的软设施或缓冲区域进行读写。4.2.2 PLC功能要求OMROM 5PL系列写入用于与计算机读取器进行通信的命令，并且完成读和写的任务，PLC启用对数据缓冲区上受控对象功能的操作控制，并保持已编程操作的读写状态。上位机可以随时向它查询所需数据以及内容。4.2.3 PLC与上位PC机的通信协议图4.2 上位机通讯程序流程框图.OMROM PLC系列的CPU配备有一个RS-485端口，用于与个人计算机和上位机进行信息的传递。通过在上位机和PLC之间交换命令和响应，可以实现主机之间的通信。上图中展现了它的运作原理。4.2.4 上位机发送命令格式符号位于每个命令的开头，节点号位于PLC的DM6648上，并且标识代码和消息取决于计算机参考命令。 识别码在命令码中添加2个字符，文本设置命令参数，将终端设置为“”，以指示命令结束。 一个命令框架最多可以包含131个字符。为了保证整个通信是可靠的，需要去检查传输的数据，主要步骤是添加FCS顺序符号。 FCS将此8位数据转换为2个ASCII字符，也就是一共8个数据。从帧的开始到帧结束的所有数据的“异或”，每当接收到帧时，FCS都会对其进行计算并将其与FCS进行比较以检查错误。 来自帧中间的数据如果这些数据不是重复的，则说明传输中存在错误。 检查出来错误以后修正好了重新提交。4.2.5 来自PLC的应答格式图4.3 PLC的应答格式符号必须放在每个答案帧的开头。 节点号设置为PLC的DM6648。 个人代码返回一个2字母的命令代码，结束代码表示该命令的结尾。 也就是说，如果存在错误，则FCS返回命令的结果为2个字符的命令，用于检查序列代码并返回终止符“”来表示任务的终止。4.2.6 移动机器人运动控制的实现移动机器人的运动系统由移动电机组成。移动电机包含两个部分，它们分别是运动电机和方向电机。输入位置控制模块的参数，由位置控制模块C200HW NCA13控制运动的运行方向，速度以及运动的距离，并在DM2001-DM2008中保持运动频率和加速度，机器人制动器的启动动作，并显示字型（在图4.4里面可以表现出来）。图4.4字的格式将Fx（= 1-8）分别写入PLC上方，上方的8位旋转标志，并写入DM area-wD命令。 上位机连续两次向Fx分配的值。 PLC中相应的继电器会产生较大的横向脉冲并启动相应的电动机。要停止电动机运动，只需将ST0P位置加上相应的值就好。另外，添加一些Fx标志就能够连接不同的电动机一起运作。4.3 PLC控制机器人响应动作4.3.1 输入：00000总开关00001电机A正转控制开关（机器人向前移动）00002电机A反转控制开关（机器人向后移动）00003电机B正转控制开关（机器人向左移动）00004电机B反转控制开关（机器人向右移动）4.3.2 输出10000指示灯（总开关接通）10001电机A正转（机器人前进）10002电机A反转（机器人后退）10003电机B正转（机器人左转）10004电机B反转（机器人右转）4.3.3 PLC梯形图图4.5梯形图要控制电动机A和B，请使用控制系统1程序前后移动机器人以完成测试。31参考文献第五章 结论这篇文章从巡逻检查自动机器人自身系统的硬件设计出发，然后在仔细说说明了系统的自我控制模块、智能传感器板块和本身构成的板块的硬件设计。机器人采用像红外热像仪、自主控制的摄像头等各种在主控制器PLC控制的传感器等，这样机器人就能够自主进行温度测定、定位功能和精准识别等活动。巡检机器人的通信系统主要利用遥控控制和网络控制两种方法来控制，巡逻检查机器人不仅可以进行自我检查，工作人员也可以控制它进行检查。巡回检查机器人也可以实现和变电系统内多方面的合并，巡逻检查机器人的任务布置和调用都可以通过变电系统进行。为了更好的提高机器人的安全性，软件系统可以收集基本的巡逻检查数据对其进行处理、分析和存储，能够对不正常的状况进行警告。巡逻检查机器人的较为关键的技术难关是它的自动导航技术，自动导航的重点就是它的定位系统，这篇文章通过采取视觉SLAM技术和激光SLAM技术相互结合的方法来构成定位系统，结合各种传感器来提升机器人的稳定性，最终使得它的定位更加精准。巡逻检查机器人采用边缘化的设备的集中性来控制边缘设备的通信，这样使得它的工作过程有很高的效率和稳定性。文章设计的巡逻检查机器人应用在变电站中可以提高它的工作效率。19

最近，智能巡检机器人在雅安雨城水电站投入使用，这中国华能第一次采用智能巡检机器人设备巡查。智能巡检机器人具有声音采集、烟雾有害气体检测、移动视频图像采集、温度探测、人机对话等功能，还配套了运维服务平台，在运维服务平台上可随时精确查看设备运行情况，对配电室高低压配电柜和变压器进行在线监测，做到24小时不间断往复式巡检，及时探测现场存在的问题，做出预判、发出警报，并将巡检图像、监测的各类实时参数等上传至该平台，实现变电室“无人值守、少人值班”。同时，智能巡检机器人为配电室的安全运行、故障诊断、状态预警，提供智能分析与精确指导，对选煤厂用电量、负荷、告警情况、能效、电能质量等一些重要数据进行统计和分析，并自动生成综合报告，为选煤厂提供能源管控、节能优化、专家诊断等一体化的优质服务。
有了智能巡检机器人，现在配电室实现了精准有效地远程停送电、智能化巡检和无人化值守，电气人员可以直接远程监控，配电室内各项数据都了如指掌，无需再开展人工巡查，工作更加轻松高效。

同时操作人员可以对需要巡检的点位进行快速智能部署。