使用智能終端控制激光異物清除設(shè)備

楊 波，劉傳利，吳英迪，蔡亞芬

(中國信息通信研究院 泰爾系統(tǒng)實驗室，北京100045)

0 引言

高壓電線上纏繞的異物是高壓輸電網(wǎng)絡(luò)線路故障的主要原因之一，其帶來的短路事故占到外力破壞引致事故的一半以上[1]。 因此，對輸電線上異物的及時清除是電力行業(yè)非常重視的問題。傳統(tǒng)使用輔助工具進行人工清除的做法[2-3]效率較低；而使用無人機[4-5]、掛線機器人[6-8]等進行清除的方法操控難度較大，自損率高，且容易帶來次生危害。 近年來，使用二氧化碳激光從地面遠距離清除電線上異物的方法[9]憑借便于運輸、操作方便、清除迅速、對輸電線纜的安全性[10]等優(yōu)點逐漸成為一種主流的清理方式。

在激光異物清除裝置中，對激光指向、焦點、功率等的控制決定了工作的精準度和效率，因此其控制部分的硬件和算法至關(guān)重要。 針對清除任務(wù)中涉及的算法，例如視頻識別[11]、聚焦[12]、清除方式[13]等，很多研究者已進行過深入研究。 但從已發(fā)表的研究成果來看，大多數(shù)的研究基于集驅(qū)動、控制、運算、操作界面于一體專用平臺(工控機等)進行，大部分的設(shè)備也使用專用的工控機作為控制系統(tǒng)硬件的核心。 然而，在實際激光異物清除的任務(wù)中，絕大部分控制并不涉及復(fù)雜計算的大數(shù)據(jù)量的通信，無需高性能的計算平臺來完成；同時，便攜智能電子設(shè)備(如智能手機、平板電腦等)在今天已經(jīng)非常普及，這些設(shè)備不僅能夠提供異物清除任務(wù)所需要的顯示反饋和人機接口，其算力也能夠勝任較為復(fù)雜的計算任務(wù)。 如果使用通用便攜終端實時控制激光異物清除裝置，相比現(xiàn)有的一體化控制系統(tǒng)而言，能提供如下便利：

(1)使用模塊化結(jié)構(gòu)，將操控/顯示和機械/電子控制分離，便于硬件系統(tǒng)的維護；

(2)使用通用設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)的操控和顯示，提高系統(tǒng)適應(yīng)性，降低了系統(tǒng)的成本；

(3)將計算壓力轉(zhuǎn)移到通用設(shè)備中，大幅降低了機械/電子部分的硬件需求，降低了前端的成本；

(4)利用智能終端的網(wǎng)絡(luò)功能，可進一步將復(fù)雜計算轉(zhuǎn)移到云/邊緣進行，大幅提高了系統(tǒng)的靈活度；

(5)控制方法/算法相關(guān)的改動僅需要進行軟件升級，且可以在線進行。

基于這樣的想法， 本文提出并實現(xiàn)了一種利用便攜智能終端控制的激光異物清除系統(tǒng)的設(shè)計方案，并詳述了各部分的設(shè)計細節(jié)。

圖1 激光異物清除系統(tǒng)的構(gòu)成

1 原理

1.1 激光異物清除原理、設(shè)備和流程

激光異物清除裝置主要用于清除高壓電線上纏繞的風(fēng)箏、遮陽網(wǎng)、塑料大棚等異物。清除設(shè)備置于地面，將大功率的激光聚焦在目標物上，使其燃燒/熔化并脫落。 清除任務(wù)中，目標物通常距離清除設(shè)備百米以上。在此距離上使用激光燒灼異物，需要對激光的指向和焦點進行準確控制。 為此，除激光器外，清除設(shè)備需要具備可水平/垂直旋轉(zhuǎn)的云臺以及用于調(diào)節(jié)調(diào)焦鏡頭所用的高精度滑臺。為了操控方便，定位準確，需要選用清晰程度較高的相機，并具備長距離的光學(xué)變焦功能，以實現(xiàn)對目標物體的視覺捕獲。

異物清除的主要流程為：首先依據(jù)相機圖像的反饋，通過控制接口控制云臺水平和垂直角度，使得激光器輸出的激光正對目標；以低功率輸出激光，并通過異物上焦點的大小反饋，調(diào)整對焦鏡頭的位置，使激光能夠聚焦在異物上，提高功率密度；之后，選擇合理的清除方式(如點燒、掃描等)，確定清除作業(yè)時云臺的動作軌跡及激光器的輸出功率。 開始作業(yè)后，控制系統(tǒng)將依據(jù)之前選定的清除方式和坐標位置自動控制云臺的旋轉(zhuǎn)及激光器的輸出，從而實現(xiàn)對異物的清除。

1.2 對控制系統(tǒng)的需求

從以上任務(wù)及流程描述可以看出，設(shè)備的控制系統(tǒng)需要準確控制二維云臺的指向、透鏡的位置、激光器的開關(guān)以及功率的能力，并控制相機參數(shù)(焦段、曝光等)，顯示反饋的圖像/視頻，并提供相應(yīng)操作界面。

在實際使用中，目標的尋找、激光焦點的調(diào)整等均屬于一次性工作；而清除方式一旦確定，云臺的控制軌跡和激光器的功率控制也是完全確定的。完整作業(yè)流程中，對數(shù)據(jù)鏈路的流量和計算的需求主要集中針對視頻的編解碼和可能的處理工作上。由于大部分相機支持直接通過有線或無線接口和便攜智能終端(手機、平板等)交換視頻和控制數(shù)據(jù)，可以將這一部分分離出來，剩余對于執(zhí)行機構(gòu)的控制工作即可以在很低成本和功耗下，在較小的體積內(nèi)實現(xiàn)。這樣的設(shè)計相當(dāng)于將傳統(tǒng)一體化控制系統(tǒng)拆成了兩個部分：用于控制和驅(qū)動設(shè)備的低成本模塊和一塊以便攜智能終端為核心的控制器。前者控制各執(zhí)行機構(gòu)的運動，后者負責(zé)圖像顯示、參數(shù)運算并提供人機交互接口。 二者通過無線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。 圖1為設(shè)備整體形態(tài)的示意圖。

2 方法

2.1 硬件設(shè)計

圖1 所示結(jié)構(gòu)中控制與驅(qū)動部分的硬件主要包括兩個功能：針對執(zhí)行機構(gòu)(云臺、對焦滑臺、激光器)的控制，以及與控制終端的無線通信。 為通用性及維護方便之考慮，將其作為兩個獨立模塊分別進行了開發(fā)。

針對執(zhí)行機構(gòu)的控制中，調(diào)整云臺角度以及透鏡的位置均可以歸結(jié)為對步進電機的控制，對控制電路的要求為方向和步進脈沖的輸出。激光器的開關(guān)通過開關(guān)量信號實現(xiàn)，其功率的調(diào)節(jié)通過模擬電壓信號輸出。 為實現(xiàn)這一應(yīng)用包含的多路開關(guān)量、脈沖信號以及模擬電壓輸出的需求，使用了一塊帶有多路PWM 信號輸出和DAC 的低成本通用單片機STM32F103ZET6 作為執(zhí)行機構(gòu)控制板的主要處理器。

為了顧及顯示和人機接口的通用性，選用了所有便攜式智能終端均支持的WLAN 作為控制系統(tǒng)的主要無線通信方式。 盡管部分高端的單片機/ARM 芯片能夠直接或配合Ethernet PHY 芯片和LwIP 等協(xié)議棧實現(xiàn)IP 網(wǎng)絡(luò)功能[14]，考慮到網(wǎng)絡(luò)通信占用單獨線程可能對控制任務(wù)帶來時間上不利的影響，本文使用了另一塊獨立的低成本處理器樹莓派計算模塊(Raspberry Pi Compute Module，下稱Rpi-CM)進行對設(shè)備控制電路的命令下發(fā)，并通過其USB 接口，利用USB-WLAN 無線網(wǎng)卡，或者利用USB-ETH PHY 加上無線路由器實現(xiàn)設(shè)備本身與外界的無線IP 通信。 Rpi-CM 是樹莓派基金會發(fā)布的一塊帶有CPU、內(nèi)存和片上存儲器的DDR2 內(nèi)存條尺寸的工業(yè)級模塊[15]，其完整的操作系統(tǒng)Raspbian 提供了對IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的完全支持。 Rpi-CM 并不能獨立使用，需要為其開發(fā)擴展板，引出各個接口用于與其他設(shè)備的連接。 在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了SPI 和若干GPIO 作為通信板與執(zhí)行機構(gòu)控制板之間數(shù)據(jù)交換的接口， 以保證通信的速率和實時性。 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制/通信方式設(shè)計如圖2 所示。

2.2 軟件流程

系統(tǒng)設(shè)計中，對執(zhí)行機構(gòu)的控制與控制軟件的解耦，使得在設(shè)備內(nèi)部的兩塊CPU基本沒有運算壓力。 通信板僅需要“轉(zhuǎn)譯”控制終端發(fā)來的命令給設(shè)備控制板，并按照特定的需求查詢設(shè)備的各項狀態(tài)，反饋給控制終端；執(zhí)行機構(gòu)控制板則僅需要根據(jù)通信板通過SPI 傳輸過來的命令執(zhí)行相應(yīng)的驅(qū)動動作。 只要在設(shè)計時保證各項控制指令和動作能夠涵蓋對各執(zhí)行設(shè)備的所有操作，這兩部分的功能是完全確定的，幾乎不需要維護和升級。

另一方面， 控制整體流程的軟件在控制終端上編寫和運行。 在具備Windows/Linux/Android/iOS 操作系統(tǒng)的高性能智能終端中編寫程序，獲取相機的圖像數(shù)據(jù)進行計算并輸出相應(yīng)控制動作，相較在嵌入式系統(tǒng)中進行相應(yīng)開發(fā)而言技術(shù)門檻更低，更加易于移植和維護。結(jié)合前述流程，3個處理器的主要軟件流程及相互協(xié)同如圖3 所示。 設(shè)備正常上電后，通信板將啟動一個TCP 服務(wù)器， 等待控制用的便攜式智能終端(下稱控制終端)連接。 控制終端中的APP 啟動 時，將會主動連接這一服務(wù)器，并進行身份校驗等工作。連接成功后，控制終端將發(fā)起對整個系統(tǒng)的初始化，并在后續(xù)繼續(xù)向通信板中的服務(wù)器傳遞參數(shù)，通過其控制各個設(shè)備協(xié)同動作。

圖2 控制模塊的結(jié)構(gòu)和通信方式

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程

可以看到，所有流程中的計算幾乎完全發(fā)生在控制終端上。 在瞄準、清除的階段，可以手動識別和處理，也可以依托控制終端的圖像處理能力，部署相應(yīng)算法進行調(diào)整。 對于對算力要求高的任務(wù)，在控制終端本身算力不足的情況下，亦可以利用其本身的網(wǎng)絡(luò)連接能力(如4G、5G 等)將圖像和視頻信號傳輸?shù)皆贫?邊緣的計算服務(wù)器，并依托在其上部署的算法進行運算。

傳統(tǒng)的激光異物清除系統(tǒng)中，部分步驟(例如用相機的長焦鎖定目標、激光聚焦調(diào)整等功能)手動操作耗時費力。以鎖定目標功能為例，相機在廣角狀態(tài)下，依據(jù)圖像進行位置控制的精度不足；而在長焦?fàn)顟B(tài)下視野很窄，難以在視野中捕獲目標物，實際操作中常常需要反復(fù)切換。 在文中所述系統(tǒng)中，利用在控制終端中部署的圖像識別等算法，在廣角狀態(tài)下選取目標物后，可以在調(diào)整焦段的過程中同步調(diào)整云臺，保證目標物始終處在視野的中心，從而提高控制的效率。

3 討論

相比于一體化的系統(tǒng)或有線傳輸?shù)南到y(tǒng)，通過無線通信實現(xiàn)控制反饋可能會帶來一定額外的時延。在目標捕獲、對焦等精細調(diào)整的過程中，可能需要適當(dāng)降低執(zhí)行機構(gòu)動作速率、增加步進時間或加入預(yù)測性控制算法，以降低時延帶來的影響。 由于該設(shè)備大部分應(yīng)用場景在電磁干擾較小的戶外/野外，當(dāng)前這一問題帶來的影響并不顯著。 隨著通信技術(shù)的演進，5G、Wi-Fi6 等技術(shù)的普及和應(yīng)用將進一步降低控制系統(tǒng)的時延，從而改進控制系統(tǒng)的性能。在文中所述的模塊化控制系統(tǒng)設(shè)計中， 完全可以在不重新設(shè)計/生產(chǎn)任何硬件情況下完成此類通信方式和控制終端的升級和更換。

4 實際設(shè)計和實驗結(jié)果

根據(jù)以上想法，使用STM32F103ZET6 單片機和樹莓派計算模塊開發(fā)了一套完整控制系統(tǒng)，并在一套激光異物清除的設(shè)備中得到應(yīng)用。 控制系統(tǒng)成品如圖4 所示。

圖4 執(zhí)行機構(gòu)控制板和通信板

在測試用系統(tǒng)中，控制終端使用了通用的Windows平板，使用觸摸屏幕直接控制。 軟件手動方式下可以通過各按鈕控制執(zhí)行機構(gòu)的運作，并可以在攝像機捕捉的圖像上直接進行選點瞄準等操作。測試系統(tǒng)的控制軟件的界面如圖5 所示。

圖5 測試用控制軟件界面

在已經(jīng)進行的測試實驗中，控制系統(tǒng)能夠在便攜式智能終端的控制下準確控制設(shè)備清除一百米之內(nèi)模擬電線的目標物上纏掛的異物。 實際實驗結(jié)果如圖6 所示。圖中從左到右分別為對線纜上地膜、樹枝、尼龍線繩的清除實驗。針對地膜和風(fēng)箏，使用的是線性掃描模式，即激光焦點在兩個工作點附近往復(fù)切割；針對樹枝使用的是點燒模式，即將激光焦點集中在固定位置，直至目標清除。 實驗表明，該控制系統(tǒng)的控制速度和精度能夠滿足實際應(yīng)用的需求。

圖6 實際清除作業(yè)

5 結(jié)論

以上的原理分析和實驗結(jié)果證明，將激光異物清除設(shè)備的控制界面和計算任務(wù)分離出來轉(zhuǎn)移到便攜智能終端上，并利用無線連接對設(shè)備進行操控的方法，能夠在實現(xiàn)功能的前提下降低控制系統(tǒng)的體積/成本，并提高使用的靈活性。 使用本文所設(shè)計的低成本控制系統(tǒng)， 輔以無線連接的通用便攜式智能終端，可以完整、精確地實現(xiàn)控制激光異物清除設(shè)備清除高壓線纜上異物的功能。