隧道巡檢機器人通信系統(tǒng)設(shè)計

閆詩玥 郭陽寬

摘要：針對隧道巡檢機器人巡檢過程中環(huán)境密閉、強磁干擾、長距離傳輸、信號延遲、通信不穩(wěn)定等問題設(shè)計了隧道巡檢機器人通信系統(tǒng)，分別從網(wǎng)絡通信及內(nèi)部通信兩方面設(shè)計了基于Labview的軟件控制的網(wǎng)橋通信、以太網(wǎng)絡通信與串口通信結(jié)合的隧道巡檢機器人通信系統(tǒng)。有效解決了隧道巡檢環(huán)境干擾問題，使通信更加快速，信號更加穩(wěn)定，保障了隧道巡檢機器人巡檢過程信息交互的穩(wěn)定與可靠。

關(guān)鍵詞：隧道巡檢機器人;通信系統(tǒng);網(wǎng)絡通信

中圖分類號：TP242? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電纜發(fā)生故障引發(fā)的事故的幾率也在相應地增加，為了保障電力電纜在地下隧道內(nèi)的穩(wěn)定安全運行，隧道巡檢機器人孕育而生[2]。隧道巡檢機器人具有可長時間不間斷工作，保證了巡檢過程中的實時可靠性，復雜環(huán)境中適用性等。隧道巡檢機器人在進行巡檢時需要與外界搭建可靠的通信，由于隧道區(qū)域空間狹小，存在拐角和岔口，加上內(nèi)部有大量的電力電纜，構(gòu)成了一種閉域空間環(huán)境，這些都將給隧道巡檢機器人的通信帶來嚴重困難，因此有必要對隧道巡檢機器人的通信系統(tǒng)進行設(shè)計[1]。

1 通信系統(tǒng)整體設(shè)計

通信系統(tǒng)分為網(wǎng)絡通信和內(nèi)部通信，其中網(wǎng)絡通信為了避免因直角彎產(chǎn)生的信號延遲等問題，主要由兩個部分組成分別為有線、無線傳輸[3]。有線傳輸部分與信號中繼相連接，被放入井下的隧道巡檢機器人攜帶中繼模塊。其中中繼模塊通過網(wǎng)橋無線發(fā)射和接受相應指令;內(nèi)部通信即本體攜帶的控制單元與驅(qū)動器、傳感器等裝置的信號通信。

由于隧道巡檢系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可分為三層：上層-上位機、中層-微控制器、下層-用于執(zhí)行的驅(qū)動單元和用于反饋的采集單元。因此隧道巡檢機器人的通信系統(tǒng)流程圖如圖1所示，上層上位機與中層微控制器通過網(wǎng)絡通信完成指令的傳輸及相應處理;中層微控制器與下層單元選用串口通信方式完成信息交互[4]。

2 網(wǎng)絡通信設(shè)計

通信系統(tǒng)中運用網(wǎng)絡通信傳輸者著上層上位機和中層微控制器之間的指令，同時負責與機器人所攜帶的攝像頭之間的畫面反饋工作。因為隧道空間密閉同時存在強磁干擾，所以需要傳輸距離較長并且穩(wěn)定的信號傳輸，為穩(wěn)定完成通信任務，實現(xiàn)較長距離信號傳輸，為實現(xiàn)對機器人動作位置調(diào)整和實時監(jiān)控等功能，設(shè)計了以網(wǎng)橋為中繼的網(wǎng)絡通信模式[6]。

網(wǎng)橋可以在較長的距離上正常工作，其主要在數(shù)據(jù)鏈路層工作，連接LAN的方法是不同的MAC地址發(fā)送幀[5]。由于考慮到在網(wǎng)絡通信的過程中會有障礙物出現(xiàn)的可能，為降低對信號的影響將中繼單元（網(wǎng)橋）放置在隧道內(nèi)，與上位機的連接由于不需要移動所以選用了有線傳輸更加穩(wěn)定。傳輸網(wǎng)橋有2.4G和5.8G兩種型號傳輸方式，由于5.8G傳輸距離長、傳輸速率塊、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢選用5.8G網(wǎng)橋進行信號傳輸。

上位機和微控制器及上位機和攝像頭之間為單獨通信，因為與上位機間的通信都需要通過雙絞線形式進行連接并且在于機器人內(nèi)部，并且穩(wěn)定性能要求高，所以選擇國電龍源電氣路由器搭建網(wǎng)絡，即能接入控制器進行指令傳輸，也能連接攝像頭增加控制靈活性。具體參數(shù)如表1所示。

3串口通信設(shè)計

中層的微控制器與下層的電機及三個驅(qū)動器之間的信號通信采用的是串口通信模式，因為RS232應用簡便、成本較低、通信質(zhì)量穩(wěn)定、應用領(lǐng)域廣泛等特點所以設(shè)計選用了RS232串口協(xié)議通信方式。

RS232串行接口主要用于完成中層微控制器與下層部分模塊之間的通信，選用的中層的微控制器與下層的驅(qū)動器上均有可以用于進行RS232通信的DB9串行接口。組網(wǎng)時應在發(fā)送線與地線之間連接一個10kΩ的電阻，為保障工作電路和驅(qū)動器的安全。通過對三個驅(qū)動器的組網(wǎng)方法就可以實現(xiàn)機器人各個電機之間的聯(lián)動控制，實現(xiàn)靈活操作控制。

4 結(jié)論

本文完成了基于Labview的軟件控制的5.8GHz的外部網(wǎng)橋通信、以太網(wǎng)絡通訊與RS232串口通信結(jié)合的隧道巡檢機器人巡檢系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計。此通信系統(tǒng)可以保證網(wǎng)絡傳輸?shù)目焖倏煽?，有效降低隧道?nèi)的強磁干擾。

參考文獻

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收稿日期：2020-03-10

作者簡介：閆詩玥（1995—），女，北京人，碩士研究生，研究方向：儀器儀表工程。

Design of Communication System for Tunnel Inspection Robot

YAN Shi-yue1， GUO Yang-kuan2

（1.GUODIAN LONGYUAN ELECTRICAL CO.， LTD.，Beijing 100039;

2.Beijing Information Science and Technology University， School of Instrument Science and opto Electronics Engineering， Beijing 100192）

Abstract： Aiming at the problems such as environmental confinement， strong magnetic interference， long-distance transmission， signal delay， and unstable communication during the inspection process of the tunnel inspection robot， the tunnel inspection robot communication system was designed. From the aspects of network communication and internal communication， a bridge communication and a tunnel inspection robot communication system combining Ethernet communication and serial communication are designed. This design effectively solves the problem of environmental interference in tunnel inspection， makes communication faster， and signals are more stable， ensuring the stability and reliability of information interaction during the inspection process of the tunnel inspection robot.

Keywords：Tunnel Inspection Robot;Communication System;aspects of network communication