基于有限状态机的导线检测机器人控制系统设计

论文总字数：24560字

摘 要

高压电力传输线是现代生活正常运作的基础设施，对其进行检修维护是电力公司的重要工作之一。传统的输电线路检测与维护主要依靠人力，维护成本较高。随着导线检测机器人技术、传感器技术的发展，将导线检测机器人技术应用于高压输电线路维护的研究在世界范围内相继开展，并取得了阶段性成果。本文设计了一套基于有限状态机的导线检测机器人控制系统，对实验室现有导线检测机器人进行改进。

本文基于实验室现有导线检测机器人硬件平台，针对机器人控制中存在的探伤效率较低、数据处理难度大等问题，提出了一种基于有限状态机的控制系统，利用QP框架进行底层控制软件设计。操作人员通过控制终端的上位机软件完成导线检测机器人参数设置和远程控制，同时通过相关参数、监控视频及探伤图像等信息实现对机器人状态与探伤结果的远程监控。底层控制器接收上位机指令，完成行走或探伤动作；工控机作为图像处理控制器接收底层控制器信号，完成射线图像采集与预处理。

本文对改进的基于有限状态机的导线检测机器人控制系统进行了实验验证。分别测试了机器人功能实现和实时性。由实验结果可知，基于有限状态机的控制系统有效完成了多任务的并行调度，且提升了导线检测机器人的响应速度。

关键词：导线检测机器人，有限状态机，远程控制

Abstract

High-voltage power lines are important infrastructures that maintaining the operation of modern life, thus, the power companies need to attach great importance to the inspection and maintenance of them. The traditional methods performing these tasks rely mainly on manpower and tack high costs. With the development of robotics and sensor technology, several researches of using robots to inspect and maintain power lines have been carried out all over the world. A control system for power line inspection robot is introduced in this paper which based on Finite-state Machine and used in inspection and maintenance of high-voltage power lines.

Based on the existing framework of the robot in the laboratory, this paper presents a control system designed based on FSM using QP framework which proposes to solve the problems of low detection efficiency. Operator sets the robot and sends instructions to control it through the host computer software deployed in the control terminal, and also can check the robot parameters, monitoring video and detection images on it. The underlying controller receives commands from the host computer for walking and detection. The small industrial computer as an image processing controller passes the processed images through the local area network to the control terminal.

Finally, the power line inspection robot based on FSM was experimentally verified in this paper. With the test for function and real-time performance of the robot, it’s verified that the control system based on the FSM does complete multitask dispatching of the robot and improve the detection efficiency of it.

KEY WORDS: Power line inspection robotics, Finite-state Machine, teleoperation.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 3

1.3论文主要工作和架构 5

1.3.1研究目的和意义 5

1.3.2本文主要工作 5

1.3.3论文结构和内容安排 6

第二章 导线检测机器人综述 7

2.1导线检测机器人系统架构 7

2.2导线检测机器人硬件结构 7

2.2.1 STM32最小系统设计 8

2.2.2 动力模块 9

2.2.3 通信模块 10

2.2.4电源模块 11

2.2.5 探伤模块 11

第三章 基于HSM的控制软件设计 13

3.1有限状态机概述 13

3.2 UML简介 13

3.2.1序列图 13

3.2.2状态图 14

3.3 QP框架简介 14

3.4基于HSM的控制软件设计 16

3.4.1导线检测机器人功能需求分析 16

3.4.2导线检测机器人工作流程 16

3.4.3导线检测机器人状态分析 18

3.4.4控制软件中的事件 20

3.4.5状态机实现 21

第四章 上位机软件设计 22

4.1 Qt简介 22

4.2上位机软件设计 22

4.2.1上位机界面设计 23

4.2.2上位机工作流程 23

第五章 实验验证 25

5.1 系统验证 25

5.1.1实验方案设计 25

5.1.2实验结果 26

5.2实时性验证 26

5.2.1实验方案设计 26

5.2.2实验结果 26

第六章 总结与展望 29

6.1总结 29

6.2展望 29

参考文献 31

致 谢 33

1. 绪论

1.1研究背景和意义

高压传输电力线作为一种战略性的基础设施，其安全可靠地运行对维持社会生活的安全有序具有重大意义。因此，为了应对电路老化、损坏等带来的种种问题，对高压输电线路进行定期检查与维护是必不可少的。传统的高压输电线检查方式主要依靠人力。检查员使用动臂卡车或直升机，通过望远镜，照相机，红外探测器等工具，针对导线的表面缺陷或异物进行检测。这种方式耗费大量人力物力，检查成本较高。随着机器人技术、传感器技术的发展，将搭载各类检测设备的导线检测机器人应用于输电线路检测的研究在世界范围内相继开展。

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