Software design of station controller for lightninng rod against shielding fail ureinsulating and removing robot system

程志勇1,2，郭　亮3，賈永剛1,2，郭　銳1，張　峰1,2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001)

CHENG Zhi-yong1,2,　GUO Liang3,　JIA Yong-gang1,2,　GUO Rui1,　ZHANG Feng1,2

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防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人系統(tǒng)地面站控制軟件設(shè)計(jì)

Software design of station controller for lightninng rod against shielding fail ureinsulating and removing robot system

程志勇1,2，郭亮3，賈永剛1,2，郭銳1，張峰1,2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001)

CHENG Zhi-yong1,2,GUO Liang3,JIA Yong-gang1,2,GUO Rui1,ZHANG Feng1,2

摘要：針對(duì)架空輸電線路防繞擊避雷針裝卸的需要，設(shè)計(jì)了由防繞擊避雷針機(jī)器人及地面站組成的自動(dòng)裝卸機(jī)器人系統(tǒng)。搭建了由PC機(jī)、USB/RS232轉(zhuǎn)換器及無(wú)線通信單元組成的地面站控制系統(tǒng)硬件，在Win XP系統(tǒng)下采用SPCOMM控件和Turbodelphi Lite軟件設(shè)計(jì)了地面站控制軟件，自定義了簡(jiǎn)潔的通信協(xié)議，在4800，8N1無(wú)線通信協(xié)議下進(jìn)行了不同速度的自動(dòng)安裝和自動(dòng)拆卸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)遙控距離超過(guò)1000米，無(wú)丟碼，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度在0～50m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？刂茖?shí)驗(yàn)證實(shí)了地面站控制軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：USB/RS232轉(zhuǎn)換器；SPCOMM控件；Turbodelphi Lite軟件

0　引言

為提高輸電的安全性，開(kāi)展了防繞擊避雷針裝卸技術(shù)的研究，研發(fā)了由地面站、防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人組成的自動(dòng)裝卸機(jī)器人系統(tǒng)。

本文以機(jī)器人系統(tǒng)安裝防繞擊避雷針為目標(biāo)，研究地面站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　地面站控制系統(tǒng)硬件

地面站控制系統(tǒng)包括硬件及軟件兩部分。其中，硬件完成電平轉(zhuǎn)換及無(wú)線信號(hào)發(fā)送和接收功能。地面站硬件主要包括如下個(gè)部分。

1.1USB/RS232轉(zhuǎn)換模塊

1.2SM51高速無(wú)線數(shù)傳單元

用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制及無(wú)線發(fā)送功能。其主要參數(shù)：工作電壓3.3V～5.5V，調(diào)制方式GFSK，發(fā)射頻率433MHz，發(fā)射功率-3dbm（500mW），最大接收靈敏度-132dbm，發(fā)射電流≤380mA，接收電流≤30mA，休眠電流≤5uA，喚醒時(shí)間≤1us。SM51通過(guò)RS232串口與UT-880 USB/RS232轉(zhuǎn)換器相連。

1.3433MHz吸盤(pán)天線

433MHz吸盤(pán)天線通過(guò)SMA接口與SM51高速無(wú)線數(shù)傳單元接收模塊相連，用于地面站與防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人之間信號(hào)的增益接收和發(fā)送。

UT-880轉(zhuǎn)換器、SM51數(shù)傳單元與433MHz吸盤(pán)天線構(gòu)成地面站與機(jī)器人間的信號(hào)通道。地面站發(fā)送的控制信號(hào)經(jīng)筆記本PC USB串口、UT-880轉(zhuǎn)換器、SM51數(shù)傳單元、433MHz吸盤(pán)天線調(diào)制處理后發(fā)送至機(jī)器人。機(jī)器人的反饋數(shù)據(jù)調(diào)制后經(jīng)433MHz吸盤(pán)天線、SM51數(shù)傳單元、UT-880轉(zhuǎn)換器及USB串口反饋給地面站PC。

2　地面站控制系統(tǒng)編程軟件

3　地面站控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1安裝SPCOMM控件

TurboDelphi未含MSCOMM通信控件，只能采用第方控件。本文采用免費(fèi)的SPCOMM控件進(jìn)行USB虛擬串口開(kāi)發(fā)。

下載SPCOMM源代碼后，需按照如下順序進(jìn)行安裝：

1）啟動(dòng)TurboDelphi，注意右上側(cè)的ProjectGroup對(duì)話框。在ProjectGroup1.bpl名稱(chēng)上右擊，在彈出的菜單中點(diǎn)擊“Rename”，名稱(chēng)為SPCOMM，定義SPCOMM.BPL打包文件。

2）在SPCOMM.BPL上右擊，選擇彈出菜單上的“Add..."，再選擇下載的spcomm.pas源碼文件。

3）點(diǎn)擊 ProjectGroup對(duì)話框上的Activate按鍵，激活這個(gè)打包文件和選擇的spcomm.pas文件。

4）右擊SPCOMM.BPL，在彈出的菜單中點(diǎn)擊“Install”，即完成SPCOMM控件的安裝。

3.2通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人機(jī)載控制系統(tǒng)與地面站之間的通信，者除工作于相同的頻率和調(diào)制方式外（由SM51數(shù)傳單元確定），軟件上還需要采用致格式的通信協(xié)議。為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理，采用8位數(shù)據(jù)格式，地面站發(fā)送給機(jī)器人的通信協(xié)議如表1所示。

表1　地面站至機(jī)器人控制指令協(xié)議

位0的R表示機(jī)器人。位1的1表示機(jī)器人編號(hào)，1為防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人。位2至位4的CMD表示控制指令。位5的0表示指令開(kāi)始。位7的X表示指令結(jié)束。位六的x表示不同的指令。例如，0為通信測(cè)試，1為壓緊，......，G為手提觸摸屏控制系統(tǒng)發(fā)送的速度減1指令信號(hào)。根據(jù)不同的功能，x在機(jī)器人控制系統(tǒng)中可能具有不同的含義。機(jī)器人發(fā)送給地面站的通信協(xié)議也采用8位數(shù)據(jù)格式，協(xié)議如表2所示。

表2　機(jī)器人至地面站反饋數(shù)據(jù)協(xié)議

與表1類(lèi)似，位0的R表示機(jī)器人。位1的表示機(jī)器人編號(hào)，1為防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人。位7的Y表示反饋數(shù)據(jù)的結(jié)束。位2至位6則有不同含義，分四種情況:

1）位2為D，位3為0，位5為O，位6為K，位4與表1位6相同的數(shù)字，則表示機(jī)器人報(bào)告地面站指令執(zhí)行完畢。

2）位2為P，位3至位6則用于表示通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器監(jiān)測(cè)到的與機(jī)器人前進(jìn)或后退速度對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)。

3）位2為V，位3至位6則用于表示通過(guò)機(jī)載控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的與驅(qū)動(dòng)電池電壓對(duì)應(yīng)的10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)（與機(jī)載控制系統(tǒng)Atmega128A MCU 10位A/D功能對(duì)應(yīng)）。

4）位2為L(zhǎng)，位3至位6則用于表示通過(guò)機(jī)載控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的與導(dǎo)線傾角對(duì)應(yīng)的10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)（與機(jī)載控制系統(tǒng)Atmega128A MCU 10位A/D功能對(duì)應(yīng)）。

3.3功能設(shè)計(jì)

根據(jù)防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人需要完成的功能，地面站控制系統(tǒng)需要具有如下功能：

1）串口相關(guān)功能

也就是UT-880 USB/RS232轉(zhuǎn)換器虛擬出來(lái)的串口（般為COM4）設(shè)定問(wèn)題，尤其是開(kāi)關(guān)控制、波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位、奇偶校驗(yàn)、緩沖區(qū)、接收函數(shù)設(shè)定等。其中，波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位、奇偶校驗(yàn)等需與SM51串口參數(shù)致，以實(shí)現(xiàn)串口參數(shù)匹配和二者間的數(shù)據(jù)交換。

2）防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

為實(shí)現(xiàn)靈活和解耦控制，將防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分解為壓緊、行走速度調(diào)節(jié)與控制、運(yùn)動(dòng)方向控制（前進(jìn)/后退）、開(kāi)始運(yùn)動(dòng)、停止運(yùn)動(dòng)、緊固防繞擊避雷針、拆卸防繞擊避雷針、檢測(cè)使能及檢測(cè)禁止等獨(dú)立功能，通信協(xié)議如表1所示。

3）反饋數(shù)據(jù)處理

按表2所示，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度、驅(qū)動(dòng)電池當(dāng)前電壓、導(dǎo)線當(dāng)前傾角等。

3.4界面設(shè)計(jì)

根據(jù)地面站控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，與串口打開(kāi)、關(guān)閉、波特率設(shè)定、起始位設(shè)定、數(shù)據(jù)位設(shè)定、奇偶校驗(yàn)相關(guān)的功能使用個(gè)GroupBox組合在起，與防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人相關(guān)的功能分別使用個(gè)GroupBox組合在起以增強(qiáng)易用性。

3.5軟件代碼設(shè)計(jì)

1）串口操作

Comm1有眾多屬性。其中，最為關(guān)鍵的是Comm1控件屬性的設(shè)定及接收程序的編寫(xiě)。

在Comm1控件屬性中，較為重要的是CommName（串口名稱(chēng)）、BaudRate（波特率）、ByteSize（數(shù)據(jù)位）、Parity（奇偶校驗(yàn)方式）、ParityCheck（是否奇偶校驗(yàn)）、PortOpen（是否打開(kāi)）、StopBits（停止位），分別設(shè)置如下：

Comm1.CommName:=COM4; //如果是計(jì)算機(jī)原生串口，則是COM1

Comm1.BaudRate:=4800;

Comm1.ByteSize: =8;

Comm1.Parity: =None;

Comm1.ParityCheck: =False;

Comm1.PortOpen:=False;//默認(rèn)關(guān)閉

Comm1.StopBits=1;

這些屬性可由相應(yīng)的ComboBox控件選擇和設(shè)定。

點(diǎn)擊“打開(kāi)串口”按鍵，打開(kāi)COM4串口的指令為：

Comm1.PortOpen:=True;

點(diǎn)擊“關(guān)閉串口”按鍵，關(guān)閉COM4串口的指令為：

Comm1.PortOpen:= False;

為與SM51串口協(xié)議相對(duì)應(yīng)，UT-880虛擬出來(lái)的串口參數(shù)設(shè)置為4800，8N1。

2）指令發(fā)送

指令發(fā)送就是點(diǎn)擊相應(yīng)按鍵后，按照如表1所示協(xié)議向機(jī)器人發(fā)送指令數(shù)據(jù)的過(guò)程，可通過(guò)將指令數(shù)據(jù)寫(xiě)入Comm1控件Output屬性的方法實(shí)現(xiàn)。

例如，向防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人發(fā)送通信測(cè)試指令的代碼是

Comm1.Output:=’R1CMD00Y’；

3）反饋數(shù)據(jù)處理

SPCOMM控件是采用線程技術(shù)編程和實(shí)現(xiàn)的，可采用線程方法對(duì)機(jī)器人反饋給地面站的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示的過(guò)程和技術(shù)。

SPCOMM控件的接收軟件代碼較為復(fù)雜。點(diǎn)擊SPCOMM控件，在屬性框中點(diǎn)擊Event選項(xiàng)卡，新建DatRCV事件。

inBuff:array[0..10] of char;

讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的代碼是：

Move(Buffer,inBuff,bufferlength);

參見(jiàn)表2，在反饋數(shù)據(jù)處理的DatRCV事件框架內(nèi)，處理反饋數(shù)據(jù)的流程圖如圖1所示。

圖1　反饋數(shù)據(jù)處理流程圖

if AnsiSameStr(lastchar,'X') then

//處理語(yǔ)句

tmpstrid:=Copy(RcvData,3,1); //獲得第個(gè)字符

if (SameText(tmpstrid,'P'))

//處理語(yǔ)句

根據(jù)不同的反饋數(shù)據(jù)，循環(huán)使用這些語(yǔ)句即可得到防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電池電壓、運(yùn)行速度及導(dǎo)線傾角等當(dāng)前參數(shù)。

4　地面站控制實(shí)驗(yàn)

操作系統(tǒng)為Win XP sp3。將UT-880轉(zhuǎn)換器插入任USB接口，安裝驅(qū)動(dòng)程序。在桌面“我的電腦”圖標(biāo)上右擊，在彈出的“系統(tǒng)屬性”對(duì)話框中選擇“硬件”選項(xiàng)卡，在“設(shè)備管理器”框架中點(diǎn)擊“設(shè)備管理器”按鍵，系統(tǒng)彈出“設(shè)備管理器”對(duì)話框。右擊“端口(COM和LPT)”下的“通信端口(COM4)”，在彈出的COM4端口屬性設(shè)置對(duì)話框內(nèi)，將通信協(xié)議設(shè)置為4800，8N1。

使用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在GJ-90架空電力線上進(jìn)行了機(jī)器人安裝防繞擊避雷針實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人將防繞擊避雷針推送至目標(biāo)位置，并進(jìn)行緊固，如圖2所示。機(jī)器人將防繞擊避雷針安裝完畢后退回，如圖3所示。

結(jié)果表明，1）系統(tǒng)遙控距離超過(guò)1000米，無(wú)丟碼；2）機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)速度在0～50m/min范圍內(nèi)連續(xù)

【】【】可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人拖動(dòng)防繞擊避雷針前進(jìn)、后退、緊固防繞擊避雷針、緊固后退回等功能控制，及10位分辨率的速度、驅(qū)動(dòng)電池電壓及導(dǎo)線傾角檢測(cè)，圓滿(mǎn)達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果。

圖2　機(jī)器人安裝防繞擊避雷針

圖3　機(jī)器人安裝防繞擊避雷針后退回

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了由防繞擊避雷針裝卸機(jī)器人及地面站組成的防繞擊避雷針裝卸系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)架空輸電線路防繞擊避雷針裝卸作業(yè)。搭建了由PC機(jī)、UT-880 USB/RS232轉(zhuǎn)換器及SM51高速無(wú)線通信單元組成的地面站控制系統(tǒng)硬件，采用Turbodelphi Lite軟件和SPCOMM控件設(shè)計(jì)了地面站控制軟件，設(shè)計(jì)了地面站至機(jī)器人系統(tǒng)及機(jī)器人系統(tǒng)至地面站的8位格式的通信協(xié)議，在4800，8N1無(wú)線通信協(xié)議下進(jìn)行了防繞擊避雷針安裝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了地面站控制軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：程志勇（1986 -），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)殡娏C(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-12-04

中圖分類(lèi)號(hào)：TP373

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0094-04