变电站巡检机器人GPS导航系统设计

1、技术创新微计算机信息(嵌入式与SOC2010年第26卷第10-2期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例机器人技术变电站巡检机器人GPS 导航系统设计Design of GPS Navigation system for Substation Equipment Inspection Robot(1.浙江省电力公司嘉兴电力局;2.山东电力研究院张彩友1冯华1付崇光2肖鹏2ZHANG Cai-you FENG Hua FU Chong-guang XIAO Peng摘要:针对变电站巡检机器人磁轨迹导航的不足,将高精度差分GPS 导航作为磁轨迹导航的替代导航方式,对导航系统的

2、组成结构和工作原理进行了论述,并以AS-RF 机器人平台为基础详细介绍了导航控制系统各软件模块的实现过程,为巡检机器人GPS 导航系统的进一步开发应用做好了准备。关键词:变电站巡检;移动机器人;GPS 导航系统中图分类号:TP242.3文献标识码:B Abstract:According to the deficiency of magnetic track navigation,this thesis uses high-precision differential GPS navigation as an alternative navigation method.The composit

3、ion and working principle of navigation system are discussed,and the implementation pro -cess of the software modules included in this system is also explored based on AS -RF robot platform.The further development of GPS navigation system for inspection robot has been prepared ready.Key words:substa

4、tion equipment inspection;mobile robot;GPS navigation system文章编号:1008-0570(201010-2-0166-031引言随着科技的进步和电力体制改革的不断深入,电力系统自动化程度已有了很大提高,变电站设备的电气信号可以通过监视控制和数据采集系统以及高压设备绝缘监测、继电保护等装置获得,也实现了变电站主设备的远程监控,变电站运行维护的工作量大大减少,设备检修和运行巡视的周期延长。目前很多变电站实现了少人或无人值班,但一定程度上都还存在因无人在现场及时监视、巡视而带来的一系列问题,并在室外变电站表现的尤为明显。而变电站巡检机器人则

5、能够以自主或遥控的方式,在无人值守或少人值守变电站对室外高压设备进行巡检,为相关问题的解决提供了一种行之有效的方法。目前,变电站巡检机器人普遍采用磁轨迹导航,在实际使用中发现,虽然其具有导引原理简单可靠,导航定位精度高并且重复性好,抗干扰能力强等优点,但该导航方式磁轨迹需要人工铺设,地面处理工作量大,路径灵活性差,同时磁轨迹导航方式不能实时反馈当前机器人在变电站内所处的精确位置,不利于操作人员对机器人运行的远程监控。在综合比较了其它可应用于室外移动机器人的各种导航方式(惯性、激光、GPS 、视觉等后,考虑到GPS 导航可直接从GPS 接收机得知当前测点的绝对位置坐标,其动态定位精度最高可达厘米

6、级,且不存在误差累积,理论上可以精确的得到变电站内任意位置的坐标,机器人巡检路线可由GPS 测量确定,且路线更改方便,因此本文选择了GPS 导航作为磁轨迹导航的替代导航方式,对GPS 导航系统的设计进行了介绍。2巡检机器人GPS 导航系统组成结构2.1巡检机器人GPS 导航系统总体结构巡检机器人GPS 导航系统主要由高精度差分GPS 定位系统和导航控制系统两部分组成,后台监控计算机则主要为远程监控人员提供人机界面,其通过无线网络与导航控制系统交换数据,监控并显示机器人运行状态,接收操作人员的指令,并将这些指令下达至导航控系统,同时还具备全局路径规划、数据存储等功能,导航系统结构如图1所示。图1

7、巡检机器人GPS 导航系统总体结构2.2高精度差分GPS 定位系统该系统由两套双频GPS 接收机组成,工作于RTK(Real Time Kinematics,实时动态测量模式下,其中一套GPS 接收机静止安放于空旷位置作为GPS 基准站,另一套则作为GPS 移动站安装于巡检机器人,数据链路负责将GPS 基准站生成的差分数据传输至移动站,移动站采集GPS 观测数据并结合接收到的差分数据,计算得到移动站天线中心处定位数据,然后通过串口输出至导航控制系统。2.3导航控制系统巡检机器人导航控制系统主要由导航控制计算机和驱动系统两部分组成。前者主要负责机器人导航控制过程中接收后张彩友:高级工程师硕士16

8、6-邮局订阅号:82-946360元/年技术创新 机器人技术PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注台监控计算机下发的控制指令,GPS 定位数据的采集、分析和处理,生成机器人运动控制量,采集机器人导航运行状态数据,并将相关数据发送至后台监控计算机;而后者则根据导航控制计算机下发的控制指令控制机器人两轮电机按指定速度运行,该系统结构如图2所示。图2巡检机器人导航控制系统结构3巡检机器人GPS 导航系统工作原理由于变电站现场巡检路线包含路径绝大多数为直线路径,且均位于同一平面内,因此机器人GPS 导航控制就可简化为对直线路径的跟踪控制,而待跟踪直线路径的起点和终点则可由GPS 预先测量得到

9、。实际导航时,通过差分GPS 移动站可以实时输出机器人的精确位置和运动方向,通过导航算法的处理,闭环控制机器人的运动,使其在行驶过程中始终沿着预先设定的路径行驶。机器人导航运行开始之前,后台监控计算机对路径进行规划,确定机器人运行路线,并将运行路线中各直线路径信息发送至导航控制系统;机器人导航运行过程中,导航控制计算机实时采集GPS 数据,获得机器人当前位置及航向信息,并由导航控制算法对GPS 采集的数据进行处理,并与预先设定的路径比较、分析,求出相关偏差量,进而得到机器人左右两轮的调整量,最后下发至机器人驱动系统,控制机器人进行调整,以逼近期望路径;当机器人运行至路径终点时,导航控制系统取得

10、新的路径信息后,再按导航控制算法控制机器人沿新的路径行驶,最终完成整个巡检路线的运行。图3巡检机器人导航控制示意图如图3所示,要使机器人沿路径点P1(x 1,y 1和P2(x 2,y 2定义的路径行驶,则可根据GPS 实时输出的机器人位置和航向(x,y,计算得到其相对于路径的位置偏差S 和航向偏差,然后各自乘以相应系数K S 和K 再相加后作为运动控制量增量V,最后在机器人基准运行速度V 的基础上分别减去和加上V,从而得到机器人驱动系统最终执行的左右轮速度V L 和V R 。4巡检机器人GPS 导航系统实现4.1导航系统硬件平台对于巡检机器人GPS 导航控制系统,出于对开发调试便捷性的考虑,本

11、文选择了上海广茂达公司生产的AS-RF 履带式机器人作为系统实现平台,其运动方式两轮差速运动,一台标准工业PC 和运动控制卡作为控制硬件核心,提供了显示、PS/2、串口和USB 等接口,可以很方便的接入各种设备;控制计算机安装了标准Windows XP 操作系统,并由RTX 实时库保证运动控制的实时性。由于该平台有一套完整的机器人应用程序开发包(SDK,包含了基本的机器人运动控制接口且支持标准的Win -dows 应用程序开发环境,控制程序可直接在该平台或任意一台装有该SDK 的Windows 计算机上开发,然后拷贝至该平台运行,因此GPS 导航控制系统开发时,可完全关注于导航系统核心功能的实

12、现,程序开发调试方便且便于移植,缩短了系统开发调试周期。该机器人驱动系统与目前变电站巡检机器人的驱动系统类似,包含2个24V/150W 的Maxon 电机、63:1的减速器以及500线增量式光电编码器,由PID 控式算法闭环控制机器人运行速度和位置,最大运行速度为0.7m/s,速度闭环精度<%1,位置闭环精度<0.6%(直线运动5m,重复定位偏差小于0.03m。接入导航控制系统所需定位数据则由徕卡GPS1200系统提供,GPS 基准站和移动站均包含24通道准扼流圈天线和接收机,可同时处理GPS 卫星播发的L1和L2波段数据,GPS 移动站定位数据输出频率最高为20Hz,RTK 工作

13、模式下其动态定位精度:平面为1cm+1ppm,垂直为2cm+1ppm 。GPS 移动站固定在机器人轮轴线中心,这样整个机器人的位置就可由移动站天线中心确定,系统硬件安装如图4所示。图4机器人GPS 导航系统硬件安装图4.2导航控制系统软件设计在建立了系统硬件平台后,本文利用VC+6.0结合机器人SDK 函数开发实现了GPS 导航控制系统,该控制系统软件包含了导航控制和数据通信两个模块,导航控制模块实现了导航控制算法,主要负责GPS 定位数据处理、运动控制量计算、采集机器人运行状态和处理后台用户控制指令等功能;而数据通信模块则负责GPS 移动站数据接收和解析、与监控主机通信等功能;以上两模块利用

14、共享内存进行数据交换。该模块基于Windows 系统提供的多媒体定时器,按照设定的控制周期控制机器人运动,其从共享数据区中得到运行所需数据及指令,同时也将机器人运行状态写入共享数据区,本模块流程如图5所示。167-技术创新微计算机信息(嵌入式与SOC2010年第26卷第10-2期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例机器人技术图5导航控制模块软件流程图程序执行时首先利用AS-RF 提供的SDK 函数初始化机器人系统并利用:MMRESULT timeSetEvent (UINT uDelay,UINTuResolution,LPTIMECALLBACK lpTimeProc

15、,DWORD_PTR dwUser,UINT fuEvent函数启动一个多媒体定时器,其中uDelay 值为100,表示每隔100毫秒执行回调函数lpTimeProc 一次,回调函数中则实现了导航控制算法以及导航控制相关功能;最后该模块生成的控制量由AS-RF 机器人SDK 函数发送至机器人驱动系统执行。本模块负责导航控制模块和其它系统间的数据交换,主要功能有:GPS 移动站定位数据解析、机器人运行状态数据转发、后台监控计算机命令接收,相关数据交换由共享内存和无线网络完成。本模块流程如图6所示。图6数据通信模块软件流程图其中,机器人运行状态转发由一个普通定时器循环查询完成,由于该功能较为简单,

16、因此未包含于图6中,该定时器从共享数据区取得由导航控制模块采集的机器人运行状态信息,之后通过无线网络发送至后台监控计算机。GPS 移动站输出数据通过串口接入导航控制计算机,数据输出格式符合NMEA-0183数据帧,数据帧每100毫秒输出一次,每次输出都包含LLQ 和VTG 两种帧类型,包含了机器人在GPS 基准站天线中心为原点的东北天局部直角坐标系中的位置数据、GPS 定位状态、速度以及航向数据,数据帧的具体格式可参考文献。串口数据接收利用MSCOMM 控件实现,解析得到的数据被写入共享数据区,以供导航控制模块使用。5结语本文介绍了巡检机器人GPS 导航系统设计,论述了巡检机器人GPS 导航系

17、统结构和基本工作原理,对组成导航系统各子系统所具有的功能进行了说明,并以AS-RF 移动机器人为平台实现了导航系统算法及相关软件功能模块,为巡检机器人GPS 导航系统的进一步开发应用做好了准备。本文创新点为:针对变电站巡检机器人磁轨迹导航的不足,设计了巡检机器人高精度差分GPS 导航系统,在AS-RF 机器人平台上实现了导航控制系统各软件模块,为巡检机器人GPS 导航系统的进一步开发应用做好了准备。参考文献1鲁守银,钱庆林,张斌,等.变电站巡检机器人的研制J.电力系统自动化,2006,30(13:94-98.2李向东,鲁守银,王宏,等.一种智能巡检机器人的体系结构分析与设计J.机器人,2005

18、,27(6:502-506.3欧阳正柱,何克忠.GPS 在智能移动机器人中的应用,微计算机信息,2001,17(11:56-58.4Elliott D.Kaplan 著,邱致和,王万义译.GPS 原理与应用M.电子工业出版社,2002.6Leica Geosystems AG.GPS1200Technical Reference Manual DB/OL.www.leica-,2005.作者简介:张彩友(1971,男,高级工程师,硕士,嘉兴电力局副总工程师,从事电力系统生产管理;冯华(1977,男,高级工程师,硕士,嘉兴电力局生技处副处长,从事电力系统生产管理。Biography:ZHANG Cai -you (1971-male (Han,master