基于Android端的電力GIS巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

嚴(yán) 宇，鄒德華，江 維，周展帆，王遠(yuǎn)笛，方子豪

基于Android端的電力GIS巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

嚴(yán) 宇1，鄒德華2，江 維3，周展帆1，王遠(yuǎn)笛1，方子豪3

（1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司 檢修公司，湖南 長沙 410004；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司 輸電檢修分公司，湖南 衡陽 420100；3. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

Android系統(tǒng)是現(xiàn)在使用最多的移動操作系統(tǒng)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)基于PC端的工業(yè)控制的諸多缺陷，基于此，本文面向電力系統(tǒng)GIS設(shè)備檢修任務(wù)提出一種基于Android端的GIS巡檢機(jī)器人新型控制系統(tǒng)，設(shè)計機(jī)器人的硬件控制系統(tǒng)，開發(fā)Android軟件人機(jī)交互平臺，在Android移動設(shè)備上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。同時，對所設(shè)計的GIS巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與結(jié)果分析。實(shí)驗測試結(jié)果驗證了基于Android端的機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠滿足電力系統(tǒng)GIS設(shè)備的巡檢作業(yè)需求。最后，通過硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)集成設(shè)計開發(fā)出電力GIS巡檢機(jī)器人物理樣機(jī)，相比傳統(tǒng)的基于PC端的機(jī)器人控制系統(tǒng)，基于Android端的機(jī)器人控制系統(tǒng)工程實(shí)用性更強(qiáng)、通用性更好，便于二次開發(fā)，具有較強(qiáng)的推廣和應(yīng)用價值。

Android端；GIS；機(jī)器人；控制系統(tǒng)；物理樣機(jī)

0 引言

作為變電設(shè)備的重要發(fā)展方向，系統(tǒng)內(nèi)建設(shè)有大量GIS設(shè)備[1-4]，新建設(shè)的變電站大都是GIS設(shè)備，GIS屬于金屬封閉設(shè)備，一旦有內(nèi)部故障，查找與處理需要打開氣室，非常的不便，安全與經(jīng)濟(jì)性差。且大部分情況下，GIS檢修并不能直接解體故障單元，都需要一層層解體，加上恢復(fù)的時間，一個小問題可能就耗費(fèi)幾十萬，需要半個月時間。從目前的內(nèi)部缺陷看，80%以上集中為固定件松動、清潔度差等小問題。因此，設(shè)計開發(fā)一款體積小、操作靈巧的GIS設(shè)備檢修機(jī)器人[5-8]輔助或者替代人工進(jìn)行GIS設(shè)備的檢修維護(hù)作業(yè)，其對于提高作業(yè)效率、作業(yè)可靠性及電力系統(tǒng)運(yùn)維管理自動化水平的提高具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價值。在GIS檢修機(jī)器人作業(yè)過程中，各關(guān)節(jié)自由度靈巧控制是順利完成作業(yè)的關(guān)鍵，目前很多機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)控制方式還停留在傳統(tǒng)的物理器件控制方式上，對于傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)電機(jī)控制系統(tǒng)，只是簡單的一個單片機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)，控制關(guān)節(jié)運(yùn)行時只能現(xiàn)場就近操控，并且關(guān)節(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù)也只能現(xiàn)場獲取，無法做到遠(yuǎn)程監(jiān)控，傳統(tǒng)控制方法的弊端愈發(fā)凸顯。隨著智能手機(jī)的普及和Android操作系統(tǒng)[9-10]的廣泛應(yīng)用，智能手機(jī)最大的優(yōu)越性就在于其移動性與互聯(lián)性，可通過無線通訊方式與機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)的目的。相較于傳統(tǒng)控制方式，基于智能手機(jī)終端的機(jī)器人關(guān)節(jié)控制有以下明顯優(yōu)勢[11-12]，其一，精確的數(shù)字量調(diào)速。通過單片機(jī)反饋回的數(shù)據(jù)在手機(jī)端呈現(xiàn)，可視化精確調(diào)節(jié)，而傳統(tǒng)物理控制電路調(diào)速只能模糊調(diào)速。其二，遠(yuǎn)程實(shí)施控制?？梢酝ㄟ^手機(jī)界面實(shí)時查看關(guān)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)需要從手機(jī)端即可控制關(guān)節(jié)達(dá)到運(yùn)行要求，而傳統(tǒng)控制方式只能現(xiàn)場操作控制。其三、控制參數(shù)可以靈活改變。可以在手機(jī)端隨時設(shè)置復(fù)雜的數(shù)字控制系統(tǒng)，而無需重復(fù)在單片機(jī)上重復(fù)編程，節(jié)省了機(jī)器人系統(tǒng)地維護(hù)成本。當(dāng)智能手機(jī)與MCU等控制裝置組成一個系統(tǒng)時，可以提供人性化的人機(jī)交互界面和可視化的操作平臺，節(jié)約一定的IO硬件的開發(fā)，同時也可將大計算量的工作交于手機(jī)端執(zhí)行，從而彌補(bǔ)MCU性能不足的缺點(diǎn)，甚至能直接從手機(jī)端動態(tài)的改變機(jī)器人關(guān)節(jié)控制算法。

綜上所述，針對上述傳統(tǒng)基于PC端控制的GIS巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的缺陷, 本文開發(fā)了一款輕巧、靈便、新型的適用于電力系統(tǒng)GIS設(shè)備檢修作業(yè)機(jī)器人物理樣機(jī)，在上層控制上，針對傳統(tǒng)PC控制的諸多缺陷，基于Android Studio 開發(fā)平臺開發(fā)了機(jī)器人的無線終端控制系統(tǒng)，通過作業(yè)實(shí)驗驗證了基于Android端的機(jī)器人控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、實(shí)時性和魯棒性，并且本系統(tǒng)對于其它不同類型的機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和通用性, 且易于開發(fā)和移植到其它機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 電力GIS巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 基于Android端的GIS巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 GIS巡檢機(jī)器人軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電力GIS巡檢機(jī)器人硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 電力GIS巡檢機(jī)器人機(jī)關(guān)節(jié)電機(jī)的基本原理

圖3 GIS巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)工作原理圖

2.2 電力GIS巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)反電動勢檢測電路設(shè)計

圖4 GIS巡檢機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)電動勢過零時刻圖

3 電力GIS巡檢機(jī)器人Android控制端軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

GIS巡檢機(jī)器人應(yīng)用程序使用的Android開發(fā)組件主要包括活動(Activity)和服務(wù)(Service)。Activity是應(yīng)用程序的主要部分，提供界面顯示，控件交互，控制整個應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)的功能。Service為應(yīng)用程序提供后臺服務(wù)，與前臺Activity交換信息，執(zhí)行任務(wù)并返回結(jié)果。GIS巡檢機(jī)器人應(yīng)用程序有兩個Activity，即可視化操作界面，SearchBluetooth和UIActivity。

3.2 Android端控制界面設(shè)計

基于Android端的GIS巡檢機(jī)器人控制端控制軟件的設(shè)計主要包括兩部分，首先是SearchBluetooth：為應(yīng)用程序初始活動，是藍(lán)牙搜索界面，負(fù)責(zé)檢測藍(lán)牙權(quán)限，申請權(quán)限，開啟藍(lán)牙，搜索可用藍(lán)牙設(shè)備并顯示藍(lán)牙搜索結(jié)果。其次是UIActivity：它是應(yīng)用程序的主要活動，也為整個系統(tǒng)的監(jiān)控界面，其界面如圖5所示，程序流程如圖6所示。UIActivity負(fù)責(zé)顯示來自單片機(jī)的信息和發(fā)送給單片機(jī)的控制信息，同時, 控制服務(wù)ConnectService與單片機(jī)的直接通訊。

圖5 GIS 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制界面

圖6 UI界面及藍(lán)牙通訊服務(wù)結(jié)構(gòu)圖

4 電力GIS巡檢機(jī)器人物理實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)調(diào)試

4.1 電力GIS巡檢機(jī)器人系統(tǒng)物理實(shí)現(xiàn)

GIS巡檢機(jī)器人上位機(jī)系統(tǒng)由Android手機(jī)及控制應(yīng)用程序組成，下位機(jī)系統(tǒng)各關(guān)節(jié)由無刷直流電機(jī)、無刷電機(jī)驅(qū)動電路、光電隔離電路、STM32f103控制器及HC-42藍(lán)牙模塊組成。通過硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的集成設(shè)計可以得到開發(fā)的GIS巡檢機(jī)器人物理樣機(jī)系統(tǒng)（如圖7所示）。

圖7 GIS巡檢機(jī)器人物理樣機(jī)系統(tǒng)

4.2 電力GIS巡檢機(jī)器人Android控制端應(yīng)用程序測試

（1）藍(lán)牙連接測試：打開應(yīng)用程序并開啟藍(lán)牙后，開始搜索目標(biāo)藍(lán)牙設(shè)備。掃描到藍(lán)牙模塊的藍(lán)牙名稱和藍(lán)牙地址，并在屏幕中顯示出來，則搜索藍(lán)牙成功。然后點(diǎn)擊屏幕中的藍(lán)牙名稱，應(yīng)用程序關(guān)閉了Searchbluetooth活動，進(jìn)入UIActivity活動，當(dāng)彈出Toast提示“連接藍(lán)牙” 可以開始進(jìn)行通訊。

（2）藍(lán)牙通訊測試：在Android端上操作控件向藍(lán)牙模塊發(fā)送控制命令：①啟動、②設(shè)置轉(zhuǎn)速、③逆時針旋轉(zhuǎn)、④順時針旋轉(zhuǎn)、⑤停止。測試結(jié)果符合數(shù)據(jù)通訊格式，則表示Android手機(jī)與藍(lán)牙模塊通訊成功。

（3）經(jīng)測試空載且驅(qū)動電路電壓為12V時，GIS巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為160r/s，對應(yīng)PWM波占空比100%，最低轉(zhuǎn)速為10r/s對應(yīng)占空比10%，所并測得PWM占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖9所示。

圖8 GIS機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)PWM占空比轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

5 結(jié)論

（1）針對電力系統(tǒng)GIS設(shè)備的檢修作業(yè)，提出了一種GIS巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于Android端的GIS巡檢機(jī)器人上位機(jī)控制系統(tǒng)。

（2）通過硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)的集成設(shè)計，開發(fā)了GIS巡檢機(jī)器人物理樣機(jī)，通過Android端控制系統(tǒng)的測試與實(shí)驗，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

（3）相比傳統(tǒng)的基于PC端的機(jī)器人控制系統(tǒng)，基于Android端的機(jī)器人控制系統(tǒng)使用操控更加方便，程序結(jié)構(gòu)化且易于二次開發(fā)，成本降低，且工程實(shí)用性更強(qiáng)。

[1] 馬徑坦, 趙軍平, 游浩洋, 等. GIS支撐絕緣子表面狀況對其雷電沖擊閃絡(luò)特性的影響[J]. 高壓電器, 2016, 52(4): 63-69.

[2] 劉琳, 李曉昂, 張銳, 等. 影響GIS支柱絕緣子閃絡(luò)電壓的沿面電場特征參數(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(9): 2740-2747.

[3] 馬飛越, 劉威峰, 李奇超. 超聲波局部放電檢測在GIS自由顆粒缺陷檢測中的應(yīng)用[J]. 寧夏電力, 2016, (10): 28.

[4] 任新新，胡文濤，呂海翔. 電纜管道巡檢清理機(jī)器人的研究與設(shè)計[J]. 電力學(xué)報, 2016, (04): 25.

[5] 田可新, 王鋼. GIS絕緣子在沖擊電壓下沿面閃絡(luò)的分析[J]. 高壓電器, 2003, 39(6): 14-16.

[6] Tang C, Hu H, Zhang M, et al. Real-time detection of moving objects in a video sequence by using data fusion algorithm [J]. Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2019, 41(3): 793-804.

[7] Ege E, Ankarali M M. Feedback motion planning of unmanned surface vehicles via random sequential composition [J]. Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2019. 0142331218822698.

[8] Cao X, Liu D, Ren X. Detection method for auto guide vehicle’s walking deviation based on image thinning and Hough transform [J]. Measurement and Control, 2019, 52(3-4): 252-261.

[9] 賈陽靜, 鄒念育, 雷冬鳴, 等. 基于Android和WIFI通信的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J]. 大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, (1): 67-71.

[10] 劉建華, 田歲苗, 趙勇. 基于Android的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J]. 西安郵電大學(xué)學(xué)報, 2013, 18(4): 71-74.

[11] 倪亞玲, 李曉寧, 張小紅. 基于Android的無線智能家居系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件, 2017, 34(11): 97-102.

[12] 丁函, 陸軍軍, 羅軍, 等. 智能家居控制APP系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2017, (01): 121-125.

Design of Electric Power GIS Inspection Robot Control System Based on Android

YAN Yu1, ZOU De-hua2, JIANG Wei3, ZHOU Zhan-fan1, WANG Yuan-di1, FANG Zi-hao3

(1. State Grid of Hunan Electric Power Company Maintenance Company, Changsha Hunan 410004, China;2. State Grid Hunan Transmission Maintenance Company, Hengyang Hunan 420100, China;3. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China )

The Android system is now the most used mobile operation system which can make up for many shortcomings of traditional PC-based industrial control. Based on this, this article proposes an Android-based GIS inspection robot innovation control system for power system GIS equipment maintenance tasks. The robot hardware control system was designed and Android software human-computer interaction platform was developed, and the robot remote control was realized on the Android mobile device. At the same time, debugging and analyzing the results of the designed GIS inspection robot control system. The experimental test results verify that the Android-based robot control system can meet the inspection requirements of power system GIS equipment. Finally, through the integrated design of hardware system, software system and mechanical system, a physical prototype of GIS inspection robot was developed. Compared with the traditional PC-based robot control system, the Android-based robot control system engineering has stronger practicability, better versatility, is convenient for secondary development, and has stronger promotion and application value.

Android; robot; gas insulated switchgear; control system; physical prototype

嚴(yán)宇（1986-），男，高級工程師，博士，研究方向：帶電作業(yè)新技術(shù)及裝備.

智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備（機(jī)器人）湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室/帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)公司實(shí)驗室開放課題資助項目（2020KZD1001）; 國網(wǎng)湖南省電力有限公司科技項目（5126A318000J）.

TM63

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2095－414X(2020)06－0008－06