[摘" " 要]在當前社會產業(yè)結構調整過程中，信息技術的應用已經成為社會多方關注的重點，巡檢機器人在多個領域中發(fā)揮了自身的價值。文章以巡檢機器人的控制系統(tǒng)作為主要的分析對象，介紹分布式控制理論，打造具有高性能的多傳感器容錯控制設備，能夠有效提升巡檢機器人的作業(yè)效率。

[關鍵詞]容錯策略;巡檢機器人;分布式控制系統(tǒng);可靠性分析

[中圖分類號]TP24 [文獻標志碼]A

隨著當前遠程作業(yè)需求的不斷提升，以及需求種類的多樣化，巡檢機器人自身的性能以及控制體系都需要進行升級。因此通過技術分析以及案例解析闡述系統(tǒng)的升級方案，打造具有容錯率的分布式控制系統(tǒng)，這不僅是文章論述的重點，也是進一步增強巡檢機器人控制系統(tǒng)研發(fā)合理性和可靠性的關鍵研究課題。

1 分布式控制理論及應用

1.1 分布式控制理論

20世紀70年代中期，美國霍尼韋爾公司主導研究的分布式控制系統(tǒng)，逐步為人們所知[1]。發(fā)展至今，積累了40余年的經驗和技術方案，依舊具有較強的社會應用價值。從具體的技術原理角度來講，分布式控制系統(tǒng)理論是建立在解決復雜問題的基礎上，打造的綜合性控制方法，是從自動化控制的角度進行研究，其中涵蓋了集中管理以及分散控制的相關理論體系，利用多層分級以及合作自制的方式打造控制結構。

1.2 技術體系及應用結構

1.2.1 實現(xiàn)分級控制

整體的控制系統(tǒng)往往劃分成3或者4級，通過微處理器作為核心的控制結構，能夠代替原有的模擬儀表，完成對整體系統(tǒng)的模擬控制，同時也可以利用復雜算法來進行程序控制[2]。其中現(xiàn)場級主要負責數(shù)據(jù)的輸入輸出以及相關處理，能夠進一步降低通信傳輸?shù)木嚯x，同時也可以減少同一時間的數(shù)據(jù)處理體量，有效提升計算機性能，也可以簡化原有的系統(tǒng)流程。

1.2.2 實現(xiàn)分散控制

系統(tǒng)結構中涵蓋了多個控制器，每一個控制器都可以在獨立編程的基礎上完成不同的任務，促使整體的系統(tǒng)功能分層，也能夠分化實際的風險，從而增強系統(tǒng)的靈活性以及可靠性。

1.2.3 通信體系

整個分布式控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級和管理級等4個層次，如圖1所示?？刂萍壷饕撠熃邮宅F(xiàn)場級上傳的相關數(shù)據(jù)和信息，并且實現(xiàn)水平上的協(xié)調以及數(shù)據(jù)交換處理。

2 基礎容錯策略控制分析

2.1 硬件容錯控制方法

從原理角度來講，硬件容錯控制方法主要是建立在硬件冗余的基礎上來實現(xiàn)的。針對某些子系統(tǒng)，落實雙重或者多重備份，打造冗余信息通道。確保在某些條件下，即便系統(tǒng)發(fā)生了故障，依舊可以正常運行[3]。基于該原理打造出的靜態(tài)冗余方案涉及到三模冗余（圖2a）和N模冗余（圖2b）等兩種具有代表性的方法。

（1）動態(tài)硬件冗余。這種方式主要指給其中一個單元設置一個備用的裝置，在正常運行狀態(tài)下，該單元可以通過獨自運行來完成任務，若單元本身出現(xiàn)故障，則直接自動切換成備用裝置進行作業(yè)[4]。

（2）混合硬件冗余。這種方式能夠有效提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，可以在多種場合進行應用。但是系統(tǒng)本身的成本、重量、空間、結構可能會被改變，這會進一步提升系統(tǒng)運行的復雜性。因此，想要落實所有硬件的冗余設置是不現(xiàn)實的，會導致在部分環(huán)境中存在一定限制。

2.2 軟件容錯體系設置

從具體的應用角度來講，系統(tǒng)軟件至少需要具備以下幾方面的性能。首先，在某些環(huán)境下可以針對軟件自身的錯誤進行屏蔽;其次，在某些程度上可以將已經出現(xiàn)故障問題的軟件恢復到正常狀態(tài);最后，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可以確保部分系統(tǒng)依舊能夠正常運轉，按照預期完成操作任務。想要達成這樣的目的，需要在當前硬件冗余技術的基礎上，進行融合性研究，并且打造出多種控制方式。其中時間冗余、靜態(tài)容錯技術、恢復塊和信息冗余是較為常見的軟件容錯控制技術。

3 以容錯控制為核心的巡檢機器人分布式控制系統(tǒng)

3.1 核心方案分析

從技術角度來看，當前巡檢機器人類型較多，且具備一定的交互性，因此其總體結構往往沒有較大的差異。分布式巡檢機器人的系統(tǒng)結構如圖3所示。

綜合整體系統(tǒng)結構來看，巡檢機器人的硬件系統(tǒng)較為復雜，涉及到很多功能。將分布式控制系統(tǒng)融入到控制體系中，實現(xiàn)物理層上的分散，可以有效實現(xiàn)集中管理以及分散控制[5]，可以有效增強整體系統(tǒng)的可控性。

3.2 硬件結構的選擇和設計

3.2.1 主控制器的設計

本案例中的主控制器主要涉及ARM開發(fā)平臺以及DVR。開發(fā)平臺主要用于對整體系統(tǒng)進行控制，DVR主要負責對巡檢機器人采集到的影像圖片進行針對性的刻錄以及儲存[6]。結合巡檢機器人自身的實際運轉狀態(tài)，ARM開發(fā)平臺還需要具備以下性能。

（1）需要具備多路PWM信號輸出的功能。這樣能夠有效滿足巡檢機器人本身全電極驅動控制的要求，同時也能夠實現(xiàn)電機調速控制。

（2）巡檢機器人本身涉及到較多的控制變量，產生的數(shù)據(jù)十分龐大。因此，必須要具備高效率的運轉速度以及處理速度。本次開發(fā)平臺的主頻速度高達72MHz，CPU的運轉速度較快，同時消耗較低，能夠有效滿足該需求。

（3）大部分的巡檢機器人需要前往狹窄陰暗的區(qū)域進行作業(yè)，例如管道、隧道。因此，體型和尺寸必須要進行精密管控，能夠在陰暗狹窄的環(huán)境中快速、精準地處理圖像。選擇高性能的嵌入式DVR能夠有效滿足這一需求。

3.2.2 多傳感器容錯控制系統(tǒng)

上文介紹的硬件冗余容錯技術體系，在實際應用過程中存在較多限制。為此，以下在傳感器軟件容錯控制的基礎上進行針對性分析。

綜合巡檢機器人的實際工作環(huán)境來看，外界環(huán)境條件較為惡劣，有較多的可變因素。為此，可以采取N模冗余容錯技術與時間冗余容錯技術體系相融合，打造新型的傳感器容錯控制體系，結構如圖4所示。

傳感器接收到外界信號后，首先由N模冗余容錯系統(tǒng)進行信號處理，得到最終的準確信號，然后向主控制器進行傳輸，在這個過程中能夠有效避免物理故障的出現(xiàn)。通過N模冗余處理以及時間冗余處理技術進行信號的再處理，能夠進一步消除傳感器本身存在的短暫性錯誤，確

保最終得到的檢測信號具有更高的可靠性。

最后是傳感器障礙檢測，信號會被機器人的控制系統(tǒng)

接收，然后控制系統(tǒng)聯(lián)動執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)下一個動作的優(yōu)化和執(zhí)行。

這一整個容錯控制流程完全杜絕了物理硬件故障、系統(tǒng)信號檢測故障的出現(xiàn)，能夠有效提升最終信號的精準性，也為機器人的行為以及檢測提供了更高的精準度。

3.2.3 巡檢設備的選擇及使用

巡檢機器人本身需要搭載巡檢設備，進行高空或者危險區(qū)域的作業(yè)，檢測周邊環(huán)境的實際情況，因此巡檢設備本身是提升巡檢機器人應用的重要組成部分。巡檢設備主要涵蓋高清攝像頭、GPS、激光測距儀和紅外成像設備[7]。

3.2.4 通信設備

以5G物聯(lián)網為核心打造遠程通信模塊。架設無線網橋，通過交換機以及串轉網模塊，實現(xiàn)遠程高質量通信。

3.2.5 供電體系

不同的硬件系統(tǒng)需要的電壓有一定的差異性，因此還需要配合不同功率的DC模塊來進行供電系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.3 基于容錯管控的智能軟件系統(tǒng)設計

首先，要打造科學合理的人機交互界面，顯示巡檢機器人的作業(yè)情況、周邊信息、信號情況和機器人自身姿態(tài)等相關信息。

其次，需要打造實時的信息采集以及控制體系。在控制系統(tǒng)管理級以及控制級之間，需要制定后臺通信協(xié)議，這樣能夠直接通過遠程的PC客戶端與機器人本體進行實時通信，有效避免附屬通信設備以及相關傳感器受損之后，無法對機器人進行指令傳輸?shù)膯栴}。PC客戶端也可以綜合后臺的通信協(xié)議，直接發(fā)送指令來控制機器人本體，機器人本體上也需要安裝相關傳感設備以及通信模塊，并且與傳感器以及其他的通信體系進行分離。這樣能夠有效避免整體系統(tǒng)運轉障礙，對該通信模塊產生影響。

最后，落實好自主巡檢的智能操控，在無人干預情況下能夠自動完成任務。

4 結束語

綜上所述，多傳感器容錯控制體系對于增強機器人的性能有一定的促進作用。分布式控制系統(tǒng)又可以化解部分風險，可以為巡檢機器人的高效運行提供有效保障，也可以為相關領域的智能化操作及創(chuàng)新奠定穩(wěn)定基礎。

參考文獻

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[3] 張曉龍，黃寧，邵長鋒. 基于巡檢機器人的變電站故障診斷系統(tǒng)[J]. 有色設備，2021，35（2）：78-81.

[4] 胡全貴，趙恩來，賈偉昭，等. 數(shù)據(jù)中心巡檢機器人信息平臺實時任務容錯調度算法[J]. 計算機與現(xiàn)代化，2020（5）：50-55.

[5] 施明泰，胡全貴，郭翔，等. 數(shù)據(jù)中心智能巡檢機器人管理平臺自主控制方法[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置，2020（2）：65-69.

[6] 王吉岱，張良，王森，等. 架空輸電線路巡檢機器人控制系統(tǒng)可靠性設計[J]. 機床與液壓，2018，46（3）：54-57.

[7] 王吉岱，徐希清. 巡檢機器人傳感器容錯控制技術的研究[J]. 現(xiàn)代制造技術與裝備，2016（8）：134-137.

作者簡介

林文雄（1989—），男，廣東汕頭人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為市政道路和交通工程建設管理。