防繞擊避雷針裝卸機器人系統(tǒng)地面站控制軟件設計

Software design of station controller for lightninng rod against shielding fail ureinsulating and removing robot system

程志勇1,2，郭　亮3，賈永剛1,2，郭　銳1，張　峰1,2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南 250101；3.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南 250001)

CHENG Zhi-yong1,2,　GUO Liang3,　JIA Yong-gang1,2,　GUO Rui1,　ZHANG Feng1,2

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防繞擊避雷針裝卸機器人系統(tǒng)地面站控制軟件設計

Software design of station controller for lightninng rod against shielding fail ureinsulating and removing robot system

程志勇1,2，郭亮3，賈永剛1,2，郭銳1，張峰1,2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南 250101；3.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南 250001)

CHENG Zhi-yong1,2,GUO Liang3,JIA Yong-gang1,2,GUO Rui1,ZHANG Feng1,2

摘要：針對架空輸電線路防繞擊避雷針裝卸的需要，設計了由防繞擊避雷針機器人及地面站組成的自動裝卸機器人系統(tǒng)。搭建了由PC機、USB/RS232轉(zhuǎn)換器及無線通信單元組成的地面站控制系統(tǒng)硬件，在Win XP系統(tǒng)下采用SPCOMM控件和Turbodelphi Lite軟件設計了地面站控制軟件，自定義了簡潔的通信協(xié)議，在4800，8N1無線通信協(xié)議下進行了不同速度的自動安裝和自動拆卸實驗。結(jié)果表明，系統(tǒng)遙控距離超過1000米，無丟碼，機器人運動速度在0～50m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？刂茖嶒炞C實了地面站控制軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：USB/RS232轉(zhuǎn)換器；SPCOMM控件；Turbodelphi Lite軟件

0　引言

為提高輸電的安全性，開展了防繞擊避雷針裝卸技術(shù)的研究，研發(fā)了由地面站、防繞擊避雷針裝卸機器人組成的自動裝卸機器人系統(tǒng)。

本文以機器人系統(tǒng)安裝防繞擊避雷針為目標，研究地面站控制系統(tǒng)設計方法，并進行實驗驗證。

1　地面站控制系統(tǒng)硬件

地面站控制系統(tǒng)包括硬件及軟件兩部分。其中，硬件完成電平轉(zhuǎn)換及無線信號發(fā)送和接收功能。地面站硬件主要包括如下個部分。

1.1USB/RS232轉(zhuǎn)換模塊

1.2SM51高速無線數(shù)傳單元

用于實現(xiàn)信號調(diào)制及無線發(fā)送功能。其主要參數(shù)：工作電壓3.3V～5.5V，調(diào)制方式GFSK，發(fā)射頻率433MHz，發(fā)射功率-3dbm（500mW），最大接收靈敏度-132dbm，發(fā)射電流≤380mA，接收電流≤30mA，休眠電流≤5uA，喚醒時間≤1us。SM51通過RS232串口與UT-880 USB/RS232轉(zhuǎn)換器相連。

1.3433MHz吸盤天線

433MHz吸盤天線通過SMA接口與SM51高速無線數(shù)傳單元接收模塊相連，用于地面站與防繞擊避雷針裝卸機器人之間信號的增益接收和發(fā)送。

UT-880轉(zhuǎn)換器、SM51數(shù)傳單元與433MHz吸盤天線構(gòu)成地面站與機器人間的信號通道。地面站發(fā)送的控制信號經(jīng)筆記本PC USB串口、UT-880轉(zhuǎn)換器、SM51數(shù)傳單元、433MHz吸盤天線調(diào)制處理后發(fā)送至機器人。機器人的反饋數(shù)據(jù)調(diào)制后經(jīng)433MHz吸盤天線、SM51數(shù)傳單元、UT-880轉(zhuǎn)換器及USB串口反饋給地面站PC。

2　地面站控制系統(tǒng)編程軟件

3　地面站控制系統(tǒng)軟件設計

3.1安裝SPCOMM控件

TurboDelphi未含MSCOMM通信控件，只能采用第方控件。本文采用免費的SPCOMM控件進行USB虛擬串口開發(fā)。

下載SPCOMM源代碼后，需按照如下順序進行安裝：

1）啟動TurboDelphi，注意右上側(cè)的ProjectGroup對話框。在ProjectGroup1.bpl名稱上右擊，在彈出的菜單中點擊“Rename”，名稱為SPCOMM，定義SPCOMM.BPL打包文件。

2）在SPCOMM.BPL上右擊，選擇彈出菜單上的“Add..."，再選擇下載的spcomm.pas源碼文件。

3）點擊 ProjectGroup對話框上的Activate按鍵，激活這個打包文件和選擇的spcomm.pas文件。

4）右擊SPCOMM.BPL，在彈出的菜單中點擊“Install”，即完成SPCOMM控件的安裝。

3.2通信協(xié)議

為實現(xiàn)防繞擊避雷針裝卸機器人機載控制系統(tǒng)與地面站之間的通信，者除工作于相同的頻率和調(diào)制方式外（由SM51數(shù)傳單元確定），軟件上還需要采用致格式的通信協(xié)議。為簡化數(shù)據(jù)處理，采用8位數(shù)據(jù)格式，地面站發(fā)送給機器人的通信協(xié)議如表1所示。

表1　地面站至機器人控制指令協(xié)議

位0的R表示機器人。位1的1表示機器人編號，1為防繞擊避雷針裝卸機器人。位2至位4的CMD表示控制指令。位5的0表示指令開始。位7的X表示指令結(jié)束。位六的x表示不同的指令。例如，0為通信測試，1為壓緊，......，G為手提觸摸屏控制系統(tǒng)發(fā)送的速度減1指令信號。根據(jù)不同的功能，x在機器人控制系統(tǒng)中可能具有不同的含義。機器人發(fā)送給地面站的通信協(xié)議也采用8位數(shù)據(jù)格式，協(xié)議如表2所示。

表2　機器人至地面站反饋數(shù)據(jù)協(xié)議

與表1類似，位0的R表示機器人。位1的表示機器人編號，1為防繞擊避雷針裝卸機器人。位7的Y表示反饋數(shù)據(jù)的結(jié)束。位2至位6則有不同含義，分四種情況:

1）位2為D，位3為0，位5為O，位6為K，位4與表1位6相同的數(shù)字，則表示機器人報告地面站指令執(zhí)行完畢。

2）位2為P，位3至位6則用于表示通過伺服驅(qū)動器監(jiān)測到的與機器人前進或后退速度對應的脈沖數(shù)。

3）位2為V，位3至位6則用于表示通過機載控制系統(tǒng)監(jiān)測到的與驅(qū)動電池電壓對應的10位二進制數(shù)據(jù)（與機載控制系統(tǒng)Atmega128A MCU 10位A/D功能對應）。

4）位2為L，位3至位6則用于表示通過機載控制系統(tǒng)監(jiān)測到的與導線傾角對應的10位二進制數(shù)據(jù)（與機載控制系統(tǒng)Atmega128A MCU 10位A/D功能對應）。

3.3功能設計

根據(jù)防繞擊避雷針裝卸機器人需要完成的功能，地面站控制系統(tǒng)需要具有如下功能：

1）串口相關(guān)功能

也就是UT-880 USB/RS232轉(zhuǎn)換器虛擬出來的串口（般為COM4）設定問題，尤其是開關(guān)控制、波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位、奇偶校驗、緩沖區(qū)、接收函數(shù)設定等。其中，波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位、奇偶校驗等需與SM51串口參數(shù)致，以實現(xiàn)串口參數(shù)匹配和二者間的數(shù)據(jù)交換。

2）防繞擊避雷針裝卸機器人運動控制

為實現(xiàn)靈活和解耦控制，將防繞擊避雷針裝卸機器人運動控制分解為壓緊、行走速度調(diào)節(jié)與控制、運動方向控制（前進/后退）、開始運動、停止運動、緊固防繞擊避雷針、拆卸防繞擊避雷針、檢測使能及檢測禁止等獨立功能，通信協(xié)議如表1所示。

3）反饋數(shù)據(jù)處理

按表2所示，對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示防繞擊避雷針裝卸機器人的當前運動速度、驅(qū)動電池當前電壓、導線當前傾角等。

3.4界面設計

根據(jù)地面站控制系統(tǒng)功能設計，與串口打開、關(guān)閉、波特率設定、起始位設定、數(shù)據(jù)位設定、奇偶校驗相關(guān)的功能使用個GroupBox組合在起，與防繞擊避雷針裝卸機器人相關(guān)的功能分別使用個GroupBox組合在起以增強易用性。

3.5軟件代碼設計

1）串口操作

Comm1有眾多屬性。其中，最為關(guān)鍵的是Comm1控件屬性的設定及接收程序的編寫。

在Comm1控件屬性中，較為重要的是CommName（串口名稱）、BaudRate（波特率）、ByteSize（數(shù)據(jù)位）、Parity（奇偶校驗方式）、ParityCheck（是否奇偶校驗）、PortOpen（是否打開）、StopBits（停止位），分別設置如下：

Comm1.CommName:=COM4; //如果是計算機原生串口，則是COM1

Comm1.BaudRate:=4800;

Comm1.ByteSize: =8;

Comm1.Parity: =None;

Comm1.ParityCheck: =False;

Comm1.PortOpen:=False;//默認關(guān)閉

Comm1.StopBits=1;

這些屬性可由相應的ComboBox控件選擇和設定。

點擊“打開串口”按鍵，打開COM4串口的指令為：

Comm1.PortOpen:=True;

點擊“關(guān)閉串口”按鍵，關(guān)閉COM4串口的指令為：

Comm1.PortOpen:= False;

為與SM51串口協(xié)議相對應，UT-880虛擬出來的串口參數(shù)設置為4800，8N1。

2）指令發(fā)送

指令發(fā)送就是點擊相應按鍵后，按照如表1所示協(xié)議向機器人發(fā)送指令數(shù)據(jù)的過程，可通過將指令數(shù)據(jù)寫入Comm1控件Output屬性的方法實現(xiàn)。

例如，向防繞擊避雷針裝卸機器人發(fā)送通信測試指令的代碼是

Comm1.Output:=’R1CMD00Y’；

3）反饋數(shù)據(jù)處理

SPCOMM控件是采用線程技術(shù)編程和實現(xiàn)的，可采用線程方法對機器人反饋給地面站的反饋數(shù)據(jù)進行處理并顯示的過程和技術(shù)。

SPCOMM控件的接收軟件代碼較為復雜。點擊SPCOMM控件，在屬性框中點擊Event選項卡，新建DatRCV事件。

inBuff:array[0..10] of char;

讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的代碼是：

Move(Buffer,inBuff,bufferlength);

參見表2，在反饋數(shù)據(jù)處理的DatRCV事件框架內(nèi)，處理反饋數(shù)據(jù)的流程圖如圖1所示。

圖1　反饋數(shù)據(jù)處理流程圖

if AnsiSameStr(lastchar,'X') then

//處理語句

tmpstrid:=Copy(RcvData,3,1); //獲得第個字符

if (SameText(tmpstrid,'P'))

//處理語句

根據(jù)不同的反饋數(shù)據(jù)，循環(huán)使用這些語句即可得到防繞擊避雷針裝卸機器人的驅(qū)動電池電壓、運行速度及導線傾角等當前參數(shù)。

4　地面站控制實驗

操作系統(tǒng)為Win XP sp3。將UT-880轉(zhuǎn)換器插入任USB接口，安裝驅(qū)動程序。在桌面“我的電腦”圖標上右擊，在彈出的“系統(tǒng)屬性”對話框中選擇“硬件”選項卡，在“設備管理器”框架中點擊“設備管理器”按鍵，系統(tǒng)彈出“設備管理器”對話框。右擊“端口(COM和LPT)”下的“通信端口(COM4)”，在彈出的COM4端口屬性設置對話框內(nèi)，將通信協(xié)議設置為4800，8N1。

使用本文設計的控制系統(tǒng)在GJ-90架空電力線上進行了機器人安裝防繞擊避雷針實驗。機器人將防繞擊避雷針推送至目標位置，并進行緊固，如圖2所示。機器人將防繞擊避雷針安裝完畢后退回，如圖3所示。

結(jié)果表明，1）系統(tǒng)遙控距離超過1000米，無丟碼；2）機器人行走運動速度在0～50m/min范圍內(nèi)連續(xù)

【】【】可調(diào)，實現(xiàn)了機器人拖動防繞擊避雷針前進、后退、緊固防繞擊避雷針、緊固后退回等功能控制，及10位分辨率的速度、驅(qū)動電池電壓及導線傾角檢測，圓滿達到實驗效果。

圖2　機器人安裝防繞擊避雷針

圖3　機器人安裝防繞擊避雷針后退回

5　結(jié)束語

本文設計了由防繞擊避雷針裝卸機器人及地面站組成的防繞擊避雷針裝卸系統(tǒng)以實現(xiàn)架空輸電線路防繞擊避雷針裝卸作業(yè)。搭建了由PC機、UT-880 USB/RS232轉(zhuǎn)換器及SM51高速無線通信單元組成的地面站控制系統(tǒng)硬件，采用Turbodelphi Lite軟件和SPCOMM控件設計了地面站控制軟件，設計了地面站至機器人系統(tǒng)及機器人系統(tǒng)至地面站的8位格式的通信協(xié)議，在4800，8N1無線通信協(xié)議下進行了防繞擊避雷針安裝實驗。實驗結(jié)果證實了地面站控制軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

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作者簡介：程志勇（1986 -），男，工程師，碩士，研究方向為電力機器人控制系統(tǒng)設計。

收稿日期：2015-12-04

中圖分類號：TP373

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0094-04