论文总字数：24675字

摘 要

电缆管廊环境的监控和管理是保证现代输电安全可靠性的重要手段。安装固定点监测的自动化设备是常用的一般方法。为了更加方便快捷地获取管廊各处的温度、湿度等类信息，降低人力成本，可以采用可移动的机器人。

本文从一种较为新颖的机器人形式即球形机器人的应用出发，结合电缆管廊环境，首先阐述了球形机器人在应用于此领域时的优势和独特之处；接着从动力学角度，运用拉格朗日方程进行建模与分析以更好地了解球形机器人的运动原理；然后将应用于环境监测系统的、应用ZigBee无线通信技术进行自组网的多个球形机器人的单体抽离出来，并对球形机器人进行功能简化和应用环境简化，基于STM32单片机进行了实现球形机器人简化运动控制的软硬件的系统研究和设计，利用LabVIEW设计了基于串口通信的上位机界面便于实现人与球形机器人之间的交互。

关键词：环境监测，球形机器人，串口通信，STM32，LabVIEW

Abstract

The monitoring and management of electric cable pipe gallery environment is a kind of important method to ensure the safety and reliability of modern power transmission. The installation of fixed-point monitoring automation equipments is a common method. In order to get information such as temperature and humidity more conveniently and quickly, reduce labor costs at the same time, a moving robot can be used in the pipe gallery.

Starting from the application of a spherical robot, which is a new style, the advantages and uniqueness of the spherical robot when applied in this field are described. From a perspective of dynamics, Lagrange Equation is used for modeling and analysis to understand the principle of moving spherical robots much better. These spherical robots that can build self-organizing networks will be used in environmental monitoring systems. Functions and application environment are simplified. Motion control is implemented by a single chip microcomputer. Based on STM32, the hardware and software of the spherical robot simplified are designed. Based on LabVIEW, the interface of the host computer is designed applying wireless serial port communication for the convenience of the communication between human and spherical robots.

KEY WORDS: environmental monitoring, spherical robot, serial communication, STM32, LabVIEW

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外球形机器人研究发展与应用情况 2

1.2.1 国外球形机器人的研究现状 2

1.2.2 国内球形机器人的研究现状 5

1.3 本文主要研究内容 6

第二章 系统方案分析与设计 8

2.1 控制中心 9

2.2 球形机器人 10

2.2.1 球形机器人动力学分析与建模 10

2.2.2 球形机器人本体实现 12

2.3 控制中心与球形机器人之间的通信 12

第三章 球形机器人硬件实现 14

3.1 机械部分 14

3.1.1 设计软件介绍 14

3.1.2 结构设计 14

3.2 电气部分 17

3.2.1 电源 17

3.2.2 MCU 18

3.2.3 电机与电机驱动 18

3.2.4 传感器 19

3.3 通信部分 19

3.3.1 无线串口模块 19

3.3.2 ZigBee封装模块配置 20

第四章 系统软件设计 22

4.1 球形机器人本体软件设计 22

4.1.1 电机运行状态控制 22

4.1.2 串口通信 23

4.1.3 传感器信息读取处理 24

4.2 控制中心软件设计 24

4.2.1 串口通信 24

4.2.2 运动控制指令的发送 25

4.2.3 控制侧人机界面设计 26

第五章 功能测试 27

第六章 总结与展望 31

致 谢 33

参考文献 34

绪论

课题研究背景及意义

随着我国经济的发展，城市化进程的脚步加快，城市电力网建设也在不断发展。以往的传统输电方式为架空输电，其结构简单，架设方便，投资较少，散热条件良好。然而选择此种方式也有不足，一方面城市的景观会受到影响，特别是在中心区和主要街道中，本就有限的地表空间被占据，土地的利用率显然降低；另一方面，如若发生事故，城市的安全和高效运行会因此方式受到较大影响，例如电线掉落悬挂会极大影响行人或交通安全。而安全、高效、优质、可靠的电能传输是我国电力事业的一贯追求。因而选择利用敷设在地下（或水域下）的电缆来进行电能的传输是应用较为普遍的方式，地下输电线路不容易受到自然环境的影响，避免如大风、暴雪、雷击等气象灾害所引起的故障，同时不会占用地上土地面积。

作为电缆线路敷设通道的电缆管廊，其建设和管理是非常重要的，这里面有一些要注意的问题。首先，较为封闭的电缆管廊环境，决定了其通风条件不是很好，在气候炎热潮湿的情况下容易产生有毒有害气体，一些可燃的气体如甲烷、一氧化碳的积聚还有可能导致电缆管廊内的局部爆炸。又如在供电高峰季节夏季，设备和电缆超负荷运行的情况时有发生，电缆接头处易过热，而管廊内的散热环境明显不佳。其次，电缆管廊与地上架空线不同，目标不明显，出现问题时检修人员对于故障发生点的寻测不是很方便，这给维护和修理带来了一定的困难。

为了有效地防患于未然，引入电缆管廊环境监测系统^[1]。通过实时的自动监测，电缆管廊内环境的安全性可以得到保障。电缆管廊环境监测的项目主要涉及到管廊内的温度、湿度、气体和积水等等。一般是在管廊内设置若干监测点，安装相应的传感器和报警器，并通过通讯将监测到的信号和数据发送传输到监测中心（控制室），然后工作人员就可以应用环境监测综合管理软件对数据进行分析处理。

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