基于Pioneer 3-AT的变电站巡检控制系统设计与实现

论文摘要

变电站巡检机器人是实现变电站自动化巡检的一种重要形式。设计方便稳定可靠的机器人控制系统是使巡检机器人正常工作,提高巡检作业效率和质量的有效手段。论文在重庆市科委科技攻关计划项目“变电站巡检机器人关键技术研究及开发（CSTC2009AB2139）”的支持下,开展基于Pioneer 3-AT移动平台的巡检机器人控制系统的研究。主要工作包括以下五个方面:①根据变电站的巡检工作需求,构建了基于Pioneer 3-AT移动平台的巡检机器人系统,包括控制系统、通讯系统、监控系统、导航系统和避障系统。②基于客户端/服务器（C/S: Client/Server）模型构建了巡检机器人本地控制系统。基于ArNetworking软件系统设计了客户端与服务器的连接与通讯,基于VS.2003 MFC和数据库系统设计了控制中心界面并编程实现了对地图和实时图像的接收和操作。③基于浏览器/服务器（B/S: Browser/Server）模型设计了巡检机器人远程控制系统。利用Windows下的IIS服务构建Web服务器系统,利用视频服务器进行视频的传输与处理,利用ASP. NET编写友好的人机交互动态页面,利用ActiveX控件实现与服务端机器人实时交互。④设计了基于局部任务的巡检机器人直接控制系统,将工作人员控制操作标记为局部任务命令序列发送给机器人,机器人根据检测传感器的输入动态调整和重新规划局部任务序列,克服了时延对机器人直接控制带来的影响与不确定性。⑤提出了基于全局任务的巡检机器人监督控制系统,将变电站巡检要求标记为全局任务。根据不同需求,工作人员可以对全局任务进行制定、设置和修改,机器人根据全局任务要求自动执行巡检任务,它的优先级低于基于局部任务的直接控制模式,操作人员可以在需要的时候通过直接控制介入机器人全局任务运行中,克服了机器人在执行任务过程中不能自主解决遇到的问题或者不能完全按照人的意识执行的缺点。同时,在设定或修改某些具体设备巡检要求的过程中需通过直接控制系统操作机器人实现。实验结果表明,用户能够通过本地控制中心准确的控制和操作机器人执行巡检工作。远程控制中心可以方便无人值守或少人值守变电站的管理人员在任何时间、任何地点通过WWW浏览器访问和控制巡检机器人。用户可以通过基于局部任务的直接控制系统可靠的控制机器人到达指定位置,客服了时延的影响,消除了机器人控制中的不稳定性和不确定性。通过基于全局任务的监督控制系统,提高了变电站机器人的自动化水平,同时,工作人员可以通过任务反馈界面实时查看视频及传感器等的监测数据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 机器人技术发展背景
• 1.1.2 变电站巡检机器人研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 变电站巡检机器人
• 1.2.2 机器人远程控制技术
• 1.3 课题来源及论文组织结构
• 1.4 本章小结
• 2 巡检需求及相关控制技术
• 2.1 变电站巡检需求
• 2.2 远程控制技术概述
• 2.3 控制模式概述
• 2.3.1 直接控制
• 2.3.2 监督控制
• 2.3.3 基于事件的控制
• 2.3.4 预测控制
• 2.4 传统控制系统的问题
• 2.5 小结
• 3 巡检机器人系统整体设计
• 3.1 巡检机器人整体结构
• 3.2 控制模式整体结构
• 3.3 巡检机器人硬件结构
• 3.3.1 硬件整体结构
• 3.3.2 机器人本体
• 3.3.3 控制系统
• 3.3.4 通讯系统
• 3.3.5 监控系统
• 3.3.6 导航系统
• 3.3.7 避障系统
• 3.4 机器人软件结构
• 3.4.1 软件整体结构
• 3.4.2 底层软件系统
• 3.4.3 上层软件系统
• 3.4.4 两层软件系统连接
• 3.5 本章小结
• 4 基于 C/S 的巡检机器人本地控制
• 4.1 本地控制系统整体结构
• 4.2 远程控制技术实现
• 4.2.1 基于TCP/IP 的机器人控制
• 4.2.2 ArSocket 编程实现
• 4.2.3 ArNetworking 通信原理
• 4.3 基于C/S 的控制结构实现
• 4.3.1 服务端实现
• 4.3.2 客户端实现
• 4.4 客户端与服务端通信设计
• 4.4.1 服务端命令响应
• 4.4.2 客户端命令请求
• 4.5 机器人监控图像与地图获取
• 4.5.1 机器人监控地图获取
• 4.5.2 机器人监控图像获取
• 4.6 实验结果
• 4.7 本章小结
• 5 基于 B/S 的巡检机器人远程控制
• 5.1 远程控制系统整体结构
• 5.2 远程控制系统技术实现
• 5.2.1 Web 服务器
• 5.2.2 ActiveX 控件
• 5.2.3 ASP. NET 与数据库
• 5.2.4 视频服务器
• 5.3 实验结果
• 5.4 远程控制系统时延分析
• 5.5 本章小结
• 6 基于局部任务的直接控制设计
• 6.1 时延对直接控制的影响
• 6.2 局部任务控制模型整体设计
• 6.3 局部任务控制各模块设计
• 6.3.1 任务规划模块
• 6.3.2 任务参考模块
• 6.3.3 任务队列
• 6.4 实验结果
• 6.5 本章小结
• 7 基于全局任务的监督控制设计
• 7.1 全局任务监督控制分层模型
• 7.2 任务操作层、权限层与反馈层
• 7.3 设备管理层与任务设定层
• 7.4 地图规划层
• 7.4.1 地图任务执行实现
• 7.4.2 地图任务修改实现
• 7.4.3 地图任务更换实现
• 7.4.4 地图添加巡检点实现
• 7.5 实验结果
• 7.6 本章小结
• 8 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录