基于物联网的智能绝缘涂覆机器人远程控制系统.pdf

控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications基于物联网的智能绝缘涂覆机器人远程控制系统陆茂鑫,蒋申晨,王昭夏（国网上海市电力公司市北供电公司,上海 200072）摘要:为了提高机器人命令执行精度，提出基于物联网的智能绝缘涂覆机器人远程控制系统。分析系统总体架构，从硬件与软件两部分对远程控制系统进行设计，硬件部分包括电源模块、服务器模块以及数据库模块，使用远距离射频技术并结合物理层调制手段实现远距离的信号连接；系统软件部分采用运动学建模方法结合力学矩阵计算涂覆机器人关节动作完成的精准度，实现涂覆机器人的远程控制。仿真实验证明，所提系统对时延因素的补偿效果较好、动作完成轨迹与预设轨迹吻合度较高，可高效实现远程控制操作。关键词:智能绝缘涂覆机器人；远程控制技术；远距离射频技术；运动学建模中图分类号：TP242;TP273文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)08-0062-05Remote Control System of Intelligent Insulation Coating RobotBased on Internet of ThingsLU Mao-xin,JIANG Shen-chen,WANG Zhao-xia(State Grid Shanghai Shibei Electric Power Supply Company,Shanghai 200072 China)Abstract:In order to improve the command execution accuracy of robot,a remote control system of intelligent insulation coating robotbased on Internet of things is proposed.The overall architecture of the system is analyzed,and the remote control system is de-signed from two parts:hardware and software.The hardware part includes power module,server module and database module.The long-distance signal connection is realized by using long-distance RF technology and physical layer modulation;In the soft-ware part of the system,the kinematics modeling method combined with the mechanical matrix is used to calculate the accuracyof the joint action of the coating robot,so as to realize the remote control of the coating robot.Simulation results show that theproposed system has good compensation effect for time delay,high coincidence between action completion trajectory and presettrajectory,and can effectively realize remote control operation.Keywords:intelligent insulation coating robot;remote control technology;long distance RF technology;kinematic model收稿日期:2021-08-31DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）08-0062-05.1引言智能绝缘涂覆机器人作为一种现代化的技术手段，已被广泛应用到各种现代工业以及生活领域中1。但由于涂覆机器人的工作性质危险性较强，所以通常情况下需要进行远程操控。因此，远程操控的精度直接影响涂覆机器人的工作质量2。应用Wi-Fi的机器人远程控制系统3，系统硬件包括STM32主控芯片、串口摄像头与通信模块等，软件部分通过Wi-Fi远程通信实现控制指令信息的传输，完成机器人远程控制。基于多传感器融合的机器人远程控制系统4，采用卡尔曼滤波算法对机器人移动数据进行多传感器采集，并融合多个传感器的信息结果。基于此，设计模糊PI控制器，以实现机器人的远程控制。想要机器人高效地完成工作计划，则需要成熟控制技术以及完整的操作思路。为此，本文应用物联网技术研究一种新的涂覆机器人远程控制系统。2控制系统设计控制系统主要利用LoRa（远距离无线电）技术实现机器人的远程无线信号连接，通过物理层的无线调制对目标计算机以及客户端服务器进行同步管理，为远程控制系统提供通信服务。相比于其他短距离射频技术，Lo-Ra技术采用NXP A53处理器，有效运用了物联网的性能特点，具有较高的安全性及稳定性。在保证传输效率的同时还能维持低功耗运行，可根据实际情况扩大通信范围，是目前智能通信领域的首要技术选择。考虑到智能绝缘涂覆机器人的工作性质以及特征属性，将远程控制系统分为两大部分：一是服务端主要提供控制信号的捕捉、输入以及管理等服务，保证信号连接的稳定性及系统运行的安全；二是客户端主要提供数据信62自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications息的显示、管理等功能服务，保证系统的服务质量。控制系统框图如图1所示。图1控制系统框图2.1系统硬件采用ATMEL公司生产的ATmega16单片机，具有精简指令结构的高性能、低功耗等优点。控制系统以ATmega16单片机为控制核心，利用主从两片单片机实现人机接口控制，可使控制系统更加灵活、应用范围更广、维护成本更低。上位机与主单片机之间采用RS232串口通信，使用MAX485芯片进行电源电平转换，提升系统可靠性。（1）电源模块由于智能绝缘涂覆机器人工作的特殊性，需要长时间进行户外作业，导致电池的耗用量较大，控制系统的电源设计要符合高容量、大储存、低耗电的要求。确保远程控制的稳定性，不会出现断连或停止运行等异常情况。电源的具体设计步骤如下：1）因为电源线路自身的电压承受能力有限，并且其还会受到各电压变换档位的限制，所以想要保证系统电压的稳定并提高电池的耐用性，就必须根据机器人自身的重量变化来计算电压变换范围。2）模拟在恶劣的高压环境下，高低温对电池老化程度的影响，通过分析研究得出有效结论，将电池的损耗情况控制在标准范围内。3）装配可移动的蓄能型电池，保证系统工作的稳定性及连续性。（2）服务器模块远程控制平台是由几个自定义的独立服务模块共同组成，每一个服务模块中都搭载了终端服务器的程序端以及客户端，并通过Java编程语言5实现程序交接。其中，三种服务模块分别为：机器人行为远程控制模块、视觉信息反馈模块以及数据显示模块，服务器模块框图如图2所示。1）视觉信息反馈模块。当用户通过虚拟网络在客户端远程操控机器人时，会有反馈信息从相关机制传输到客户端服务器中。图像的传输对实现机器人的远程控制具有重要作用，为了保证信息图像传输的稳定性及连续性，就需要在短时间内不间断地获取远程运动信息，这样才能获得高质量的反馈图像。通过socket交换机制将图像信息发送到Java编程的小程序中，利用小程序对图像进行压缩，这样在一定程度上会降低图像获取的损坏率。图2三种独立服务模块的整体框图2）机器人行为远程控制模块。该模块的主要工作是控制机器人的行为动作，通过一些基本的动作命令，使得机器人进行特定的动作，例如：拿起、后退、前进、变向、变速等。系统一旦开始运行，Java后台程序就会开始持续工作，直至系统停止运行。当用户通过socket交换机制6发出相关控制指令时，命令信息就会通过无线转换器传送至服务器端，然后再通过控制机制使得机器人作出相应的指令动作。其中，socket 交换机制是一种以TCP/IP通信协议为技术支持的套接字技术7。主要工作流程是一方通过网络连接通信客户端，另一方连接相关应用程序接口，实现信息的对接或数据的交换。3）数据显示模块。在系统客户端的主界面上，通过小程序对机器人的远程控制信息进行分类重组。这种小程序组可以有效显示机器人的移动方向和详细位置信息等，也能通过绘制工具描述具体关节的详细控制坐标及变化角度，方便管理与表达。还可通过无线传感器读取外界的环境信息，并且每隔2 000 ms就进行更新升级，确保信息的时效性及准确性。（3）数据存储模块为了提高系统控制信息的逻辑性，将采用在安卓智能终端内布置嵌入式SQLite数据库8的形式对机器人行为指令信息进行有效保存。SQLite数据库是一种轻量型的储存类数据库，其中包含大量语言编程信息，并遵循ACID（Atomicity Consistency Isolation Durability,不可分割性、一致性、独立性、持久性）基本执行要素。且该数据库硬件资源的占用率较低、数据搭载性较高，可实现63控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications高效率、低耗用的数据管理。利用该数据库连接所有复合消息数列，将全部的应用信息与相关记录联系起来，保证信息的安全性及可匹配性。依据数据库的分类机制，可以将数据的属性特征分为如下几类：一是有关网络连接及数据传输的全部信息；二是与机器人控制相关的全部信息；三是与客户选择相关的全部信息；四是与内部管理控制相关的全部信息。通过这些信息的分类与处理，可减少传输误差，提高系统的工作效率和安全性，增强用户使用的体验感。2.2基于运动学原理的系统软件设计利用运动学的建模原理，建立智能绝缘涂覆机器人的连杆坐标系，对其位姿及动作进行详细描述。采用D-H（Denavit Hartenberg）矩阵实现远程控制坐标系的建立，在机器人每个动作部位的连杆上都固定标记一个坐标系，然后利用大小为44的数值变换矩阵实现坐标位置的准确表达。通过相邻连杆之间的动作关联关系表述其空间数值关系，通过依次转换以及迭代计算最终得出其坐标系的关键位姿，从而建立远程控制的运动学理论方程，通过计算得出的方程参数来实现合理准确地控制。具体关节坐标系示意如图3所示。图3机器人关节控制坐标系示意图机器人控制所需的各项关键参数如表1所示。表1机器人连杆远程控制参数杆件123456变量转角1（0）2（-90）3（0）4（0）5（0）6（0）扭角-900-90-90-900杆件长度0a2a30a50杆件距离d100d40d6转角范围（-150，150）（-135，45）（-70，50）（-90，90）（-90，90）（-180，180）通过D-H描述方法推导出机器人的6个匹配自由度，具体表示为：（1）基于这6个匹配自由度得出正向运动学方程组为：(2)式中，Ai为机器人内部相邻两处关节的同次变换矩阵；i为动作关节i和关节i-1的方向夹角；i为动作关节的机械扭转角；di为动作关节i-1沿方向轴Zi-1线运动到关节点i的位置距离；ai为动作关节i-1沿方向轴线Xi-1运动到关节点i的位置距离；Trans(x,y,z)表示位置运动算子；x、y、z分别代表沿三个空间坐标轴方向运动的实际操作量，可表达为：（3）定义Rot()表示动作关节的旋转轴算子，当机械杆臂跟随X轴转动，变换矩阵表达式可以写为：（4）与上述步骤同理，当机械杆臂跟随Y轴转动时，变换矩阵可以写为：（5）与上述步骤同理，当机械杆臂跟随Z轴转动时，变换矩阵可以写为：（6）基于此，就能按照矩阵步骤逐一计算出机器人各关节在三维空间坐标轴上的控制向量角，以此角度参数为基准，帮助自动控制机制对涂覆机器人实现合理的动作指导与掌控。3仿真实验3.1实验环境设置为保证实验的合理性及真实性，实验将在两个不同的远距离地点之间进行。远程控制系统的终端服务器设置在上海市北部地区的某个实验室内，而被测机器人则应用于上海市西北部地区的某个实验涂覆作业线路区域64自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications内，两个地区之间的距离为100 km，测试数据将采用WinSock进行实时通信。涂覆机器人工作图如图4所示。图4涂覆机器人工作图3.2位移控制效果通过运行指令使涂覆机器人开始工作，并设定机器人的涂覆路径，对比实际运动位移与实验设定路径位移之间的差距，以验证远程控制系统的位移控制效果。位移控制效果对比结果如图5所示。图5位移控制效果对比结果由图5可知，其中黑色加粗曲线为预设的理想轨迹，另一条曲线则为远程控制系统下机器人的涂覆位移数值变化曲线。可以看出，本文系统控制下位移曲线没有出现大范围轨迹偏离情况，与预设曲线的吻合度较高，整体变化范围较为一致。说明本文系统控制误差较小，能够很好地控制机器人进行涂覆工作。这主要是因为本文系统在处理远程控制操作时引入了相关数据交换机制作为信号传输通道，使控制数据能精准传达，降低控制误差。3.3控制信号传输延迟时间一般情况下，由于远程信号传输环境中有大量不可控的影响因素（网络信号、传输时间、网络延迟），进而导致系统在发送控制信号时易出现时间上的延迟或计算偏差等问题，需要通过控制系统中的补偿机制来实现有效改善。实验环境下，外界网络信号传输延迟时间与本文系统下的延迟时间情况如图6所示。由图6可知，在没有任何约束以及限制条件下，外界环境中网络信号传输的延迟时间较高，可以明显看出延迟时间表达曲线整体呈上升趋势，在同等相隔的信号发送时间内，延迟时间在不断上涨。而本文系统控制下信号传输延迟时间有所降低，说明本文系统能够减少一部分外界环境因素所带来的信号传输干扰。图6信号传输延迟时间对比结果3.4控制信号输出稳定性系统在传输延迟时间补偿前后的远程控制信号输出对比结果如图7所示。图7补偿前后控制信号传输实况从图7中可以看出，没有经过补偿的信号输出曲线变动范围较广，波动趋势较为明显，说明受到外界因素的影响，整体信号传输的稳定性较差。而在经过本文系统补偿后的信号输出曲线整体浮动范围较小，数值间的差异性不大，稳定性较强。说明经过补偿后已经很好地处理了外界因素干扰问题，增强信号传输的时效性，使得控制命令能在规定时间内高效到达执行机制，提高控制系统的工作效率。4结束语为了提高涂覆机器人的远程控制可靠性，提出基于物联网的智能绝缘涂覆机器人远程控制系统，仿真实验证明，系统对机器人运动轨迹的远程控制力较强，精准度较高与其控制位移距离与预设轨迹相吻合，并且对外界环境中信号传输的时间延迟补偿效果较好，系统的可应用性较高、实用性较强。(下转第140页)65行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications(a)基于人眼视觉特性的视觉监控设备感知结果(b)基于目标跟踪的视觉监控设备感知结果(c)所设计视觉监控设备感知结果图7三种监控设备感知煤流结果参考文献:1 程玉龙.基于用电避峰填谷的小河嘴煤矿主排水监控系统J.煤矿安全,2019,50(11):99-102.2 蒋卫良,王兴茹,刘冰,等.煤矿智能化连续运输系统关键技术研究J.煤炭科学技术,2020,48(7):134-142.3 赵德超,彭力,王皓.非完整机器人目标跟踪控制器的设计与实现J.计算机工程,2019,45(1):297-302.4 赵鸣.特大型矿井采区煤流运输系统转载方案设计比选J.煤炭工程,2019,51(4):6-9.5 吴东隆,王向前.基于Flexsim模型的煤炭主生产物流系统仿真与优化J.中国矿业,2020,29(9):76-81.6 乔湘洋,王海芳,祁超飞,等.基于机器视觉的线缆表面缺陷检测系统设计与算法研究J.机床与液压,2020,48(5):49-53.7 季渊,余云森,高钦,等.基于人眼视觉特性的硅基OLED微显示器系统J.光子学报,2019,48(4):63-70.8 黄青丹,何彬彬,宋浩永,等.基于双目立体视觉的目标空间坐标计算及姿态估计J.华南师范大学学报(自然科学版),2020,52(2):9-13.作者简介:崔凯（1988-），男，本科，工程师，研究方向；机电一体化，智能化、自动化。参考文献:1 陈建平,赵海军,梁湘鹏,等.绝缘子涂层检测机器人研究设计J.机械设计与制造,2018(4):238-241.2 梁成,刘放,薛齐豪,等.高压绝缘子检测机器人模糊RBF神经网络控制算法研究J.制造业自动化,2020,42(2):86-90.3 李雪,杨大勇,刘家毅,等.水下石油管道巡查机器人控制系统的设计J.测控技术,2019,38(8):15-20.4 毛文勇,张文安,仇翔.基于多传感器融合的机器人轨迹跟踪控制J.控制工程,2020(7):1125-1130.5 王博,于金鹏,于海生.四足仿生机器人的循迹算法研究J.制造业自动化,2020,42(5):83-87.6 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