基于PC104的巡线机器人控制系统设计

11摘要：本文介绍了高压输电线巡线机器人控制系统，实现了高压输电线巡线机器人的越障、线路检测、实时监控等功能。实验结果表明该系统运行良好，具有良好的可靠性和实用价值。关键字：PC104；检测机器人；控制系统；高压输电线1.引言高压输电线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原本微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故。因此，电力公司需要定期对线路设备进行巡检，及时发现早期损伤和缺陷并加以评估，根据评估结果安排必要的维护和修复，从而确保供电的安全可靠性。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对于山区和大江大河等的输电线路巡检存在很大困难，甚至一些巡检项目靠常规方法都难以完成。因此，采用机器人自动巡线成为保障高压输电线安全运行的一种必要手段。高压输电线路巡线机器人属于特种机器人的研究范畴，主要完成高压供电线缆的无损探伤、悬垂绝缘子绝缘特性检测、输电线附件输电性能测试、机械连接牢固性检查、线缆异物清除等高空作业。国外在巡线机器人领域的研究起步较早，研究水平较高，1988年，日本东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线巡检移动机器人，该机器人可以沿地线爬行，遇到障碍物时，可以通过弧形手臂辅助跨越。加拿大魁北克水电研究院的Montambault等人于2021年研制成功了输电线遥控机器人，该遥控机器人可以消除电力传输线上的积冰，并可以用来线路巡检平台。国内关于输电线路巡线机器人的研究还处于起步阶段，只有武汉水利大学、山东大学、中科院等作过一些研究。2.机器人概述由于高压输电线的线缆附件种类多、形状复杂，因此，越障成为巡线机器人要具备的首要功能。本文所述的机器人采用3个自由摆动的吊臂跨越线缆附件，当遇到障碍物时摆动3个吊臂，使3个吊臂依次通过障碍物。机器人本体如图1所示，该机器人可以在四分裂、二分裂、单股等高压输电线缆上爬行，可自主跨越悬垂绝缘子、隔离棒、防振锤、线夹等线缆附件，具有输电线缆的检测功能。机器人综合性能指标如下：1）本体外形：850×300×700mm；2）本体重量45Kg；3）缆径适应性Ф10～Ф25mm；4）移动速度0～25m/min；5）爬升角度0～30°；6）控制方式：自主运行和主从遥控操作；7）故障处理：手动/自动。图1

机器人本体示意图3.控制系统的设计机器人的控制系统分本体控制系统和地面监控系统两部分，如图2

所示。本体控制系统用来规划机器人的运动轨迹，控制机器人运动构件，确保机器人可靠快速的越过障碍物，并实现与地面基站的命令、数据的远距离传输；地面监控系统实现机器人的手动/自动控制，并监控机器人的稳定运行。为机器人设计自动和手动两套控制系统的增加了机器人的灵活性与可靠性，当其中一套系统发生故障时可启动另一套控制系统，另外在某些特殊的场合可只用手动系统，降低了机器人野外作业的难度，增加了机器人的应用性。

3.1机器人本体控制系统的设计机器人本体的控制系统以嵌入式PC104工控机为核心,并配有输入输出扩展板HT-750和A/D采集扩展板PM-516。采用PC104

作为核心模块,

可将主要精力放在软件和接口的设计上,

而且PC104

的开发、维护和扩展都非常方便。PC104与通用PC和PC/AT标准（IEEE

P996）完全兼容,

可以很快掌握其软、硬件的使用,

并且具备嵌入式控制的特殊要求,为嵌入式应用提供了标准的系统平台[1]。

3.1.1故障检测输电线缆附件种类多，形状复杂，对机器人判断障碍物类型带来了极大的困难。因此有必要携带多种传感器，将多种线路故障检测器集成到巡线机器人移动平台上，运用多传感器信息融合技术，以便提高故障探测的效率、精度和准确度。主要的传感器有CCD视觉模块、红外温度传感器、超声波传感器等。视觉检测CCD模块使用PC104上的COM2串口，用于识别高压输电线各类附件，从原始图像中找到目标（防振锤、绝缘子、连接金具、隔离棒等附件）所在区域，利用图像处理技术，提取障碍物特征尺寸，自动判断输电线路上的障碍物类型、距离，并向机器人运动控制单元提供越障信息[2]，形成下一步的越障策略。另外，视觉检查一般能发现架空线外表故障现象，如输电线外表损伤，连接金具松脱等；红外温度传感器则利用高压输电线在故障点会产生异常温升的特点，检测线缆的异常温升。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334传感器来检测线缆的异常温升，以达到检测线缆故障的目的。

3.1.2运动控制由于机器人的动作较复杂，多数吊臂式巡线机器人采用多电机驱动方案，即用6个电机实现摆动吊臂与行走轮转动。这种方案机器人较为灵活，但多电机增加了机器人的重量，不利于机器人自身平衡。本文用2个电机实现需要的动作，通过3个电磁离合器与图2中的电机1配合控制三个吊臂的摆动，用电机2控制机器人行走。为了增加检测的灵活性，在机器人上增加了两个可升降的传感器支架，分别用电机3和电机4带动。驱动框图如图3所示，用Silicon

Lab公司的高性能单片机C8051F047和H桥组件LMD18200T来驱动电机。LMD18200T是美国国家半导体公司（NS）推出运动控制专用H桥组件,内部集成了CMOS控制电路和DMOS驱动电路，峰值输出电流高达6A,连续输出电流3A，工作电压高达55V，具有温度报警和过热与短路保护功能。本文所选电机的连续堵转电流在3A左右，因此选用LMD18200T芯片可以满足使用要求。电机1与电机2使用数字PID算法调速。数字PID算法是一种常用的控制算法，由等间隔时间光电编码器的数值与给定的速度值进行比拟，通过PID算法，改变C8051F047的PWM的占空比，实现电机的闭环控制，即：（1）其中Kp为比例系数，

Ki为积分系数，

Kd为微分系数，

T为采样周期[3]。电机3和电机4只用来控制支架升降，对速度无具体要求，因此只需采集编码器脉冲数。

3.1.3数据传输机器人爬行时，要将自身状态信息、采集到的数据、抓拍的图片等信息发送给监控系统；而在特殊情况下，监控系统也要向机器人发送指令，这就需要在两者之间传输数据。设计传输距离<2Km,本文使用一对无线数传模块SRWF-108完成此功能。机器人本体的SRWF-108占用PC104上的COM1端口[4]，波特率9600bps，8位数据位，共有状态帧、指令帧和文件帧三种格式。

3.1.4

电源设计巡线机器人在高空作业，只能使用自备电源。本文使用4节12V铅酸蓄电池，由B1205S、B1212S、LM2678等电源转换芯片得到系统需要的+12V,

±5V等电平。为了保证机器人有充足的能源，有必要监控电池电量，本文使用DS2438Z芯片，DS2438Z芯片是DALLAS

公司推出的新一代智能电池监测芯片，具有功能强大、体积小、价格低廉等优点，并且用1-Wire总线传输数据，硬件接线简单，可用来检测电池温度，电压剩余电量等参数。当发现电池电量不足时，机器人本体会向监控系统发出报警，提示更换电池。

3.1.5控制系统的软件PC104控制系统的软件用C语言编程，开发周期短，效率高。程序需实现数据采集、系统状态检测、串行通讯、动作输出、故障处理、异常情况处理、电源监测等功能，其程序流程图如图4所示。与监控系统的数据传输可以采用查询或中断方式，查询方式的优点是编程容易，但会占用较多的系统资源，中断方式则与之相反。机器人除了要进行串口通讯还要完成电机控制、故障处理等功能，因此查询方式不宜使用，本文使用中断方式。初始化COM1和COM1中断处理程序[5]如下：

void

InitCOM（）

/＊初始化COM1串口，设置串口参数＊/｛

outportb（0x3fb,0x80）;

/＊将设置波特率＊/

outportb（0x3f8,0x0c）;

/＊波特率9600＊/

outportb（0x3f9,0x00）;

outportb（0x3fb,0x03）;

/＊8个数据位，1个停止位、无奇偶校验＊/

outportb（0x3fc,0x08|0x0b）;/＊设置MCR＊/

outportb（0x3f9,0x01）;

/＊开中断＊/

｝

void

interrupt

far

asyncint（）｛

char

ch;

ch=inportb（0x3f8）;/＊ch

为接收到的字符数据＊/

……

……｝

3.2监控系统的设计监控系统用Visual

Basic

6.0软件开发，VB具有面向对象的可视化设计工具、事件驱动编程机制、强大的数据库操纵功能、Active技术以及应用程序集成开发环境等优点。根据机器人系统的要求，采用模块化思想开发了较完善的监控系统，其可扩展性较强，具有电池电量监测、运动状态监测、线缆故障数据库查询、手动自动切换等功能。能将输电线的故障信息保存在Access数据库中，并对故障类型、时间进行查询。4.结束语本文提出了一种以PC104模块为核心的机器人控制系统，解决了机器人的自主越障问题，并能识别部分线缆附件，进行无线数据传输,检查线缆状况等,为高压输电线的自动检测提供了便利。参考文献[1]

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龚建伟.熊光明.Visual

C++/Turbo

C串口通讯编程实践[M].电子工业出版社.2021作者简介：吴俊飞（1968－），男，汉，博士,副教授.

研究领域：压力容器安全工程、机器人技术。吴爽（1982－），男,汉，硕士研究生.

研究领域：机器人技术，E-mail:

wushuangqust@yahoo

姜生元（1969－），男，汉，博士，教授.

研究领域：机器人技术、虚拟样机技术。王新智（1980－），男，汉，硕士研究生.

研究领域：机器人技术。Author

introduction:WU

Jun-fei,

male,

Doctor,

Major:

Safety

Engineering

for

Pressure

Vessels,

Robot

Technology.WU

Shuang

,

male,

Master

graduate

student

,

Qingdao

University

of

Science

and

Technology

,

Major:

Robot

Technology,

E-mail:

wushuangqust@yahooJIANG

Sheng-yuan

,male,

Doctor

,

Major:

Robot

Technology,

Virtual

Prototyping

Technology.WANG

Xin-zhi,

male,

Master

graduate

student,

Major:

Robot

Technology.

咖啡店创业计划书第一部分：背景在中国，人们越来越爱喝咖啡。随之而来的咖啡文化充满生活的每个时刻。无论在家里、还是在办公室或各种社交场合，人们都在品着咖啡。咖啡逐渐与时尚、现代生活联系在一齐。遍布各地的咖啡屋成为人们交谈、听音乐、休息的好地方，咖啡丰富着我们的生活，也缩短了你我之间的距离，咖啡逐渐发展为一种文化。随着咖啡这一有着悠久历史饮品的广为人知，咖啡正在被越来越多的中国人所理解。第二部分：项目介绍第三部分：创业优势目前大学校园的这片市场还是空白，竞争压力小。而且前期投资也不是很高，此刻国家鼓励大学生毕业后自主创业，有一系列的优惠政策以及贷款支持。再者大学生往往对未来充满期望，他们有着年轻的血液、蓬勃的朝气，以及初生牛犊不怕虎的精神，而这些都是一个创业者就应具备的素质。大学生在学校里学到了很多理论性的东西，有着较高层次的技术优势，现代大学生有创新精神，有对传统观念和传统行业挑战的信心和欲望，而这种创新精神也往往造就了大学生创业的动力源泉，成为成功创业的精神基础。大学生创业的最大好处在于能提高自己的潜力、增长经验，以及学以致用;最大的诱人之处是透过成功创业，能够实现自己的理想，证明自己的价值。第四部分：预算1、咖啡店店面费用咖啡店店面是租赁建筑物。与建筑物业主经过协商，以合同形式达成房屋租赁协议。协议资料包括房屋地址、面积、结构、使用年限、租赁费用、支付费用方法等。租赁的优点是投资少、回收期限短。预算10-15平米店面，启动费用大约在9-12万元。2、装修设计费用咖啡店的满座率、桌面的周转率以及气候、节日等因素对收益影响较大。咖啡馆的消费却相对较高，主要针对的也是学生人群，咖啡店布局、格调及采用何种材料和咖啡店效果图、平面图、施工图的设计费用，大约6000元左右3、装修、装饰费用具体费用包括以下几种。(1)外墙装饰费用。包括招牌、墙面、装饰费用。(2)店内装修费用。包括天花板、油漆、装饰费用，木工、等费用。(3)其他装修材料的费用。玻璃、地板、灯具、人工费用也应计算在内。整体预算按标准装修费用为360元/平米，装修费用共360*15=5400元。4、设备设施购买费用具体设备主要有以下种类。(1)沙发、桌、椅、货架。共计2250元(2)音响系统。共计450(3)吧台所用的烹饪设备、储存设备、洗涤设备、加工保温设备。共计600(4)产品制造使用所需的吧台、咖啡杯、冲茶器、各种小碟等。共计300净水机，采用美的品牌，这种净水器每一天能生产12l纯净水，每一天销售咖啡及其他饮料100至200杯，价格大约在人民币1200元上下。咖啡机，咖啡机选取的是电控半自动咖啡机，咖啡机的报价此刻就应在人民币350元左右，加上另外的附件也不会超过1200元。磨豆机，价格在330―480元之间。冰砂机，价格大约是400元一台，有点要说明的是，最好是买两台，不然夏天也许会不够用。制冰机，从制冰量上来说，一般是要留有富余。款制冰机每一天的制冰量是12kg。价格稍高550元，质量较好，所以能够用很多年，这么算来也是比较合算的。5、首次备货费用包括购买常用物品及低值易耗品，吧台用各种咖啡豆、奶、茶、水果、冰淇淋等的费用。大约1000元6、开业费用开业费用主要包括以下几种。(1)营业执照办理费、登记费、保险费;预计3000元(2)营销广告费用;预计450元7、周转金开业初期，咖啡店要准备必须量的流动资金，主要用于咖啡店开业初期的正常运营。预计2000元共计： 120000+6000+5400+2250+450+600+300+1200+1200+480+400+550+1000+3000+450+2000=145280元第五部分：发展计划1、营业额计划那里的营业额是指咖啡店日常营业收入的多少。在拟定营业额目标时，必须要依据目前市场的状况，再思考到咖啡店的经营方向以及当前的物价情形，予以综合衡量。按照目前流动人口以及人们对咖啡的喜好预计每一天的营业额为400-800，根据淡旺季的不同可能上下浮动2、采购计划依据拟订的商品计划，实际展开采购作业时，为使采购资金得到有效运用以及商品构成达成平衡，务必针对设定的商品资料排定采购计划。透过营业额计划、商品计划与采购计划的确立，我们不难了解，一家咖啡店为了营业目标的达成，同时有效地完成商品构成与灵活地运用采购资金，各项基本的计划是不可或缺的。当一家咖啡店设定了营业计划、商品计划及采购计划之后，即可依照设定的采购金额进行商品的采购。经过进货手续检验、标价之后，即可写在菜单上。之后务必思考的事情，就是如何有效地将这些商品销售出去。3、人员计划为了到达设定的经营目标，经营者务必对人员的任用与工作的分派有一个明确的计划。有效利用人力资源，开展人员培训，都是我们务必思考的。4、经费计划经营经费的分派是管理的重点工作。通常能够将咖啡店经营经费分为人事类费用(薪资、伙食费、奖金等)、设备类费用(修缮费、折旧、租金等)、维持类费用(水电费、消耗品费、事务费、杂费等)和营业类费用(广告宣传费、包装费、营业税等)。还能够依其性质划分成固定费用与变动费用。我们要针对过去的实际业绩设定可能增加的经费幅度。5、财务计划财务计划中的损益计划最能反映全店的经营成果。咖啡店经营者在营运资金的收支上要进行控制，以便做到经营资金合理的调派与运用。总之，以上所列的六项基本计划(营业额、商品采购、销售促进、人员、经费、财务)是咖啡店管理不可或缺的。当然，有一些咖啡店为求管理上更深入，也能够配合工作实际需要制订一些其他辅助性计划。第六部分：市场分析2019-2021年中国咖啡市场经历了高速增长的阶段，在此期间咖啡市场总体销售的复合增长率到达了17%;高速增长的市场为咖啡生产企业带给了广阔的市场空间，国外咖啡生产企业如雀巢、卡夫、ucc等企业纷纷加大了在中国的投资力度，为争取未来中国咖啡市场的领先地位打下了良好的基础。咖啡饮料主要是指速溶咖啡和灌装即饮咖啡两大类咖啡饮品;在速溶咖啡方面，2018-2021年间中国速溶咖啡市场规模年均增长率到达16%，显示出还处于成长阶段的中国速溶咖啡市场的高增长性和投资空间;在灌装即饮咖啡方面，2008-2010年间中国灌装即饮咖啡市场年均增长率也同样到达15%;未来几年，中国咖啡饮料的前景仍将被看好。现今咖啡店主要是以连锁式经营，市场主要被几个集团垄断。但由于几个集团的咖啡店并没有个性主题，很难配合讲求特式的年青人。我们亦有思考到其他饮品店的市场竞争状况，但发现这些类似行业多不是以自助形式经营，亦很难配合讲求效率的年青人。故我们认为开设自助式主题咖啡店能到达年青