基于混合通信技術的巡檢機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究

[摘" " 要]在我國當前的智能生產(chǎn)以及管控建設過程中，巡檢機器人已經(jīng)能夠有效代替部分人工操作，并且具備較強的應用質(zhì)量。以巡檢機器人的遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為主要研究對象，分析混合通信技術?；旌贤ㄐ偶夹g能夠有效改善遠程監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢模式，同時可以在實時傳輸?shù)幕A上，提升巡檢機器人的工作有效性，能夠為工作人員的遠程監(jiān)控提供良好平臺。

[關鍵詞]混合通信技術;機器人;遠程巡檢;監(jiān)控系統(tǒng)

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A

隨著信息技術的不斷創(chuàng)新，當前利用科技來改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式，已經(jīng)成為多方關注的重點。以智能化技術為基準打造的遠程控制機器人，更是可以為當前的社會發(fā)展提供有效保障。以案例分析法和理論分析法作為主要分析方式，針對性分析遠程巡檢機器人監(jiān)控系統(tǒng)的通信技術，不僅能夠進一步提升通信技術的應用價值，也可以為巡檢機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新提供根本保障。

1 研究現(xiàn)狀

國外的巡檢機器人最初誕生于1980年，以美國、日本以及加拿大等國家為首，落實了巡檢機器人技術的研發(fā)，同時取得了較為明顯的進展[1]。綜合最初的巡檢機器人研發(fā)情況來看，雖然具備翻越障礙物的功能，但是自重和尺寸較大，實用性不高，同時也未配備無線通信模塊，只可以利用IC卡來進行數(shù)據(jù)交換，這種方式導致信息傳輸存在困難。

國內(nèi)1990年開始開展關于巡檢機器人的研究。武漢大學設計的越障功能擺臂式兩臂機器人得到了社會的關注，后續(xù)以此技術體系為基礎，又研發(fā)出了多種類型的障礙物識別技術以及遠程遙控體系。但是從綜合實際應用情況來看，由于機器人需要深入到環(huán)境較為惡劣的區(qū)域進行作業(yè)，大部分障礙物的遮擋會進一步降低通信的有效性。這就要求要在通信體系方面進行深入研究和分析，打造高質(zhì)量的通信技術，確保能夠為機器人的遠程控制提供更多的可能性。

2 智能巡檢機器人通信網(wǎng)絡的結構

2.1 拓撲結構分析

網(wǎng)絡通信結構涉及到光纖通信網(wǎng)絡和中繼（無線）傳感器這兩個重要的組成結構。從具體的網(wǎng)絡傳感模型角度來看，多跳分層結構網(wǎng)絡中的每一個傳感器都被劃分成了不同的“簇”。每一個“簇”都包含了一個簇頭以及多個節(jié)點[2]，其中，多個成員節(jié)點會將感知到的信息直接發(fā)送到簇頭，簇頭再將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合，然后發(fā)送到匯聚節(jié)點。在這樣的傳輸結構中，不同節(jié)點具有不同的職能。例如，能量較低的節(jié)點將直接進行數(shù)據(jù)檢測以及數(shù)據(jù)信息的收集，然后將其進行上一級傳送，而能量較高的節(jié)點將直接轉(zhuǎn)化為簇頭，主要處理收集到的相關信息，并且進行信息發(fā)送。

另外，結合簇的實際分化方式來看，可以綜合每一個節(jié)點距離簇頭的實際距離進行劃分。例如，可以將其分成多跳簇結構（圖1a）以及單跳簇結構（圖1b）。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡

綜合傳感器本身的可移動性特點，整體通信網(wǎng)絡可以劃分成移動傳感器網(wǎng)絡和靜止傳感器網(wǎng)絡。其中，靜止傳感器網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都不可移動，適用于當前的大部分場合。在某些特殊的遠程巡檢要求下，則需要使用移動傳感器網(wǎng)絡可移動的節(jié)點，可以進一步提升網(wǎng)絡的復雜性，同時也可以滿足特殊的巡檢和遠程操控需求。

2.3 網(wǎng)絡連通問題分析

當前應用較為廣泛的驗證方式，往往是無線網(wǎng)絡拓撲控制驗證方法。主要指在確保網(wǎng)絡連通的情況下，促使網(wǎng)絡整體的通信結構能夠滿足稀疏狀態(tài)下的實際通信要求。全面減少工作節(jié)點數(shù)，簡化通信節(jié)點之間的路由機制，降低節(jié)點能耗，從而進行通信質(zhì)量的提升。

3 巡檢機器人通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)以及優(yōu)化策略

3.1 組網(wǎng)方案分析

綜合技術條件以及通信方案，本文借助某電力桿塔巡檢機器人作為主要研究對象，通過無線多跳中心節(jié)點混合組網(wǎng)方案進行通信模塊的研發(fā)。這種方案能夠為機器人主體提供高效便捷的通信網(wǎng)絡，同時將opgw光纜通信設備作為主要的輔助設備，能夠有效增強通信的質(zhì)量以及穩(wěn)定性。從具體的通信節(jié)點角度來講，無線通信設備每隔10km布置通信節(jié)點，光纖通信模塊以及大功率無線通信設備，需要每間隔40km布置通信節(jié)點[3]。

多跳簇多跳無線網(wǎng)絡主要是通過多條通信路徑來為機器人提供通信服務，其中，通信協(xié)議是建立在能量基礎上來實現(xiàn)的，確保利用最小的功耗來提供最為穩(wěn)定的通信鏈路以及切換方案。核心設備是大功率無線通信設備，能夠有效提升整體通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)信息的傳輸質(zhì)量。

3.2 輔助性設備分析

3.2.1 太陽能基站及上下線裝置

除了對機器人通信外，通信網(wǎng)絡能夠與太陽能基站、上下線裝置進行通信連接。太陽能基站能夠建立在本地網(wǎng)絡的基礎上，生成串口通信協(xié)議，上下線裝置通信按照本地局（無線/有線）域網(wǎng)的通信協(xié)議工作。

3.2.2 通信節(jié)點功能結構

在整體機器人的通信方案設置過程中，以無線多跳中心節(jié)點混合式組網(wǎng)方式作為核心方案，其中，通信節(jié)點主要分為普通通信節(jié)點以及跳簇中心通信節(jié)點這兩種類型。前者主要指建立在機器人系統(tǒng)個體組件的基礎上，提供數(shù)據(jù)通信服務的通信體系。例如，機器人本體利用無線鏈路和通信節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，太陽能充電基站以及上下線裝置則采用有線網(wǎng)絡進行連接。太陽能充電基站采用RS232串行接口，自動上下線裝置采用RJ45網(wǎng)線接口。

3.2.3 通信設備及天線

例如，在電力工程桿塔的巡檢中應用智能機器人，假設桿塔節(jié)點的最大距離為10km，中心節(jié)點與桿塔之間的最大距離為40km，每一個桿塔上都要配備無線通信設備，且所有的設備型號以及規(guī)格相同，這時節(jié)點通信的最大距離需要以中心節(jié)點和桿塔之間的距離為基礎進行計算。

微波中繼通信是遠距離無線傳輸?shù)闹匾M成部分，其中的通信電磁波以微波為主，波長控制在0.1～1000mm。這樣能夠有效避開微波公用頻段，避免受到其他信號的干擾，同時也可以選擇頻率控制在4000MHz的特高頻無線電[4]。綜合這樣的傳輸介質(zhì)，可以結合其自由空間路徑和損耗情況進行軟件分析，利用Matlab軟件繪制具體的二維曲線，如圖2所示。

建立在最遠40km的通信條件下，無線電頻率控制在4000MHz，最終的路徑損耗數(shù)值為136.5dB。數(shù)值滿足具體的傳輸需求，能夠有效保障數(shù)據(jù)信息的傳輸，具有精準性和及時性。

無線通信系統(tǒng)中的天線主要分為全向天線和定向天線。全向天線能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍以及大角度的通信信號接收以及發(fā)射，定向天線只能針對某一個方向或?qū)δ骋粋€角度范圍內(nèi)的信號進行發(fā)射和接收。綜合巡檢機器人在實際應用過程中的具體通信組網(wǎng)天線選擇情況見表1。

3.3 巡檢機器人遠程遙控通信結構

在以上通信技術、節(jié)點、設備和天線等多種要素的整合基礎上，利用網(wǎng)絡節(jié)點傳輸概率以及轉(zhuǎn)發(fā)概率來驗證機器人中心節(jié)點和其他節(jié)點通信的可能性，由此打造整體的通信點結構，如圖3所示。

3.4 后臺終端遙控系統(tǒng)

后臺終端遙控系統(tǒng)涉及機器人系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、集中顯示系統(tǒng)和應急指揮系統(tǒng)等多種模塊[5]。后臺監(jiān)控需要直接介入到電網(wǎng)中心，綜合開放接口來實現(xiàn)機器人的遠程遙控。大屏幕監(jiān)控墻顯示相關數(shù)據(jù)信息以及機器人自身的運行狀態(tài)，建立在服務器的基礎上，實現(xiàn)機器人自身核心系統(tǒng)的管理。服務器往往以監(jiān)控終端以及工業(yè)級的網(wǎng)絡交換機為主。具體的系統(tǒng)結構以及相關功能見圖4，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制中心與電力系統(tǒng)的對接，這種遠程系統(tǒng)可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。

另外在多機器人并行通信方式的主從控制模式下，只要設定相對應的機器人通信系統(tǒng)，便可以建立并聯(lián)的連接網(wǎng)絡，實現(xiàn)從屬機器人與主機器人的通信。主機器人將接收到的信息進行匯總整合之后，可以直接通過后臺的監(jiān)控系統(tǒng)顯示相關信息[6]。在這種并聯(lián)通信結構中，各機器人都可以完成不同的任務，從而滿足智能化巡檢的需求。

4 結束語

在當前智能化生產(chǎn)以及管控過程中，落實好機器人巡檢體系的創(chuàng)新以及混合通信技術的研發(fā)，打造科學有效的通信模式，能夠有效提升巡檢機器人的遠程操控質(zhì)量。建立在上述技術體系的基礎上，不斷進行技術體系創(chuàng)新和試驗，能夠進一步提升巡檢機器人的應用價值和應用范圍。通信技術的優(yōu)化也可以為我國相關工程的技術研發(fā)提供有效保障。

參考文獻

[1] 肖俊生，盧春亭，王五奇. 城市綜合管廊智能機器人巡檢關鍵技術研究及應用[J]. 安裝，2021（4）：72-74.

[2] 陳文濤，劉飛飛，代云勇，等. 一種城市地下綜合管廊巡檢機器人系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動化，2020，42（9）：65-69，74.

[3] 彭道剛，關欣蕾，戚爾江，等. 巡檢機器人云臺遠程控制系統(tǒng)的設計[J]. 電氣傳動，2018，48（11）：43-47.

[4] 謝旭琛，陳曉鵬，石基，等. 變電站巡檢機器人的應用技術探析[J]. 中國設備工程，2018（10）：221-222.

[5] 王吉岱，丁冠軍，郝亞東. 基于C#. NET技術的巡檢機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 機床與液壓，2018，46（9）：38-41，46.

[6] 張圣富，朱潔. 電力系統(tǒng)智能機器人巡檢的應用探索[J]. 內(nèi)燃機與配件，2017（7）：130.

作者簡介

陳丹（1994—），女，安徽安慶人，本科，助理工程師，主要研究方向為市政道路、交通工程建設管理。