基于Android端的電力GIS巡檢機器人控制系統設計

嚴 宇，鄒德華，江 維，周展帆，王遠笛，方子豪

基于Android端的電力GIS巡檢機器人控制系統設計

嚴 宇1，鄒德華2，江 維3，周展帆1，王遠笛1，方子豪3

（1. 國網湖南省電力有限公司 檢修公司，湖南 長沙 410004；2. 國網湖南省電力有限公司 輸電檢修分公司，湖南 衡陽 420100；3. 武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073）

Android系統是現在使用最多的移動操作系統，能夠彌補傳統基于PC端的工業控制的諸多缺陷，基于此，本文面向電力系統GIS設備檢修任務提出一種基于Android端的GIS巡檢機器人新型控制系統，設計機器人的硬件控制系統，開發Android軟件人機交互平臺，在Android移動設備上實現機器人的遠程控制。同時，對所設計的GIS巡檢機器人控制系統進行調試與結果分析。實驗測試結果驗證了基于Android端的機器人控制系統能夠滿足電力系統GIS設備的巡檢作業需求。最后，通過硬件系統、軟件系統、機械系統集成設計開發出電力GIS巡檢機器人物理樣機，相比傳統的基于PC端的機器人控制系統，基于Android端的機器人控制系統工程實用性更強、通用性更好，便于二次開發，具有較強的推廣和應用價值。

Android端；GIS；機器人；控制系統；物理樣機

0 引言

作為變電設備的重要發展方向，系統內建設有大量GIS設備[1-4]，新建設的變電站大都是GIS設備，GIS屬于金屬封閉設備，一旦有內部故障，查找與處理需要打開氣室，非常的不便，安全與經濟性差。且大部分情況下，GIS檢修并不能直接解體故障單元，都需要一層層解體，加上恢復的時間，一個小問題可能就耗費幾十萬，需要半個月時間。從目前的內部缺陷看，80%以上集中為固定件松動、清潔度差等小問題。因此，設計開發一款體積小、操作靈巧的GIS設備檢修機器人[5-8]輔助或者替代人工進行GIS設備的檢修維護作業，其對于提高作業效率、作業可靠性及電力系統運維管理自動化水平的提高具有重要理論意義與實際應用價值。在GIS檢修機器人作業過程中，各關節自由度靈巧控制是順利完成作業的關鍵，目前很多機器人關節電機控制方式還停留在傳統的物理器件控制方式上，對于傳統的關節電機控制系統，只是簡單的一個單片機電機控制系統，控制關節運行時只能現場就近操控，并且關節運行數據也只能現場獲取，無法做到遠程監控，傳統控制方法的弊端愈發凸顯。隨著智能手機的普及和Android操作系統[9-10]的廣泛應用，智能手機最大的優越性就在于其移動性與互聯性，可通過無線通訊方式與機器人關節控制系統連接，實現遠程監控控制系統的目的。相較于傳統控制方式，基于智能手機終端的機器人關節控制有以下明顯優勢[11-12]，其一，精確的數字量調速。通過單片機反饋回的數據在手機端呈現，可視化精確調節，而傳統物理控制電路調速只能模糊調速。其二，遠程實施控制。可以通過手機界面實時查看關節運行狀態，根據需要從手機端即可控制關節達到運行要求，而傳統控制方式只能現場操作控制。其三、控制參數可以靈活改變。可以在手機端隨時設置復雜的數字控制系統，而無需重復在單片機上重復編程，節省了機器人系統地維護成本。當智能手機與MCU等控制裝置組成一個系統時，可以提供人性化的人機交互界面和可視化的操作平臺，節約一定的IO硬件的開發，同時也可將大計算量的工作交于手機端執行，從而彌補MCU性能不足的缺點，甚至能直接從手機端動態的改變機器人關節控制算法。

綜上所述，針對上述傳統基于PC端控制的GIS巡檢機器人控制系統的缺陷, 本文開發了一款輕巧、靈便、新型的適用于電力系統GIS設備檢修作業機器人物理樣機，在上層控制上，針對傳統PC控制的諸多缺陷，基于Android Studio 開發平臺開發了機器人的無線終端控制系統，通過作業實驗驗證了基于Android端的機器人控制系統具有較好的穩定性、實時性和魯棒性，并且本系統對于其它不同類型的機器人作業控制系統具有較強的可擴展性和通用性, 且易于開發和移植到其它機器人控制系統。

1 電力GIS巡檢機器人控制系統總體架構

圖1 基于Android端的GIS巡檢機器人控制系統結構圖

圖2 GIS巡檢機器人軟件系統結構圖

2 電力GIS巡檢機器人硬件電路系統的設計

2.1 電力GIS巡檢機器人機關節電機的基本原理

圖3 GIS巡檢機器人關節電機工作原理圖

2.2 電力GIS巡檢機器人關節電機反電動勢檢測電路設計

圖4 GIS巡檢機器人關節電機電動勢過零時刻圖

3 電力GIS巡檢機器人Android控制端軟件設計

3.1 軟件系統總體結構

GIS巡檢機器人應用程序使用的Android開發組件主要包括活動(Activity)和服務(Service)。Activity是應用程序的主要部分，提供界面顯示，控件交互，控制整個應用運行狀態的功能。Service為應用程序提供后臺服務，與前臺Activity交換信息，執行任務并返回結果。GIS巡檢機器人應用程序有兩個Activity，即可視化操作界面，SearchBluetooth和UIActivity。

3.2 Android端控制界面設計

基于Android端的GIS巡檢機器人控制端控制軟件的設計主要包括兩部分，首先是SearchBluetooth：為應用程序初始活動，是藍牙搜索界面，負責檢測藍牙權限，申請權限，開啟藍牙，搜索可用藍牙設備并顯示藍牙搜索結果。其次是UIActivity：它是應用程序的主要活動，也為整個系統的監控界面，其界面如圖5所示，程序流程如圖6所示。UIActivity負責顯示來自單片機的信息和發送給單片機的控制信息，同時, 控制服務ConnectService與單片機的直接通訊。

圖5 GIS 機器人關節控制界面

圖6 UI界面及藍牙通訊服務結構圖

4 電力GIS巡檢機器人物理實現與控制系統調試

4.1 電力GIS巡檢機器人系統物理實現

GIS巡檢機器人上位機系統由Android手機及控制應用程序組成，下位機系統各關節由無刷直流電機、無刷電機驅動電路、光電隔離電路、STM32f103控制器及HC-42藍牙模塊組成。通過硬件系統、軟件系統和機械系統的集成設計可以得到開發的GIS巡檢機器人物理樣機系統（如圖7所示）。

圖7 GIS巡檢機器人物理樣機系統

4.2 電力GIS巡檢機器人Android控制端應用程序測試

（1）藍牙連接測試：打開應用程序并開啟藍牙后，開始搜索目標藍牙設備。掃描到藍牙模塊的藍牙名稱和藍牙地址，并在屏幕中顯示出來，則搜索藍牙成功。然后點擊屏幕中的藍牙名稱，應用程序關閉了Searchbluetooth活動，進入UIActivity活動，當彈出Toast提示“連接藍牙” 可以開始進行通訊。

（2）藍牙通訊測試：在Android端上操作控件向藍牙模塊發送控制命令：①啟動、②設置轉速、③逆時針旋轉、④順時針旋轉、⑤停止。測試結果符合數據通訊格式，則表示Android手機與藍牙模塊通訊成功。

（3）經測試空載且驅動電路電壓為12V時，GIS巡檢機器人系統中的關節電機最高轉速為160r/s，對應PWM波占空比100%，最低轉速為10r/s對應占空比10%，所并測得PWM占空比與電機轉速的關系如圖9所示。

圖8 GIS機器人關節電機PWM占空比轉速關系圖

5 結論

（1）針對電力系統GIS設備的檢修作業，提出了一種GIS巡檢機器人的控制系統架構，設計并實現了基于Android端的GIS巡檢機器人上位機控制系統。

（2）通過硬件系統、軟件系統、機械系統的集成設計，開發了GIS巡檢機器人物理樣機，通過Android端控制系統的測試與實驗，驗證了系統設計的有效性。

（3）相比傳統的基于PC端的機器人控制系統，基于Android端的機器人控制系統使用操控更加方便，程序結構化且易于二次開發，成本降低，且工程實用性更強。

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Design of Electric Power GIS Inspection Robot Control System Based on Android

YAN Yu1, ZOU De-hua2, JIANG Wei3, ZHOU Zhan-fan1, WANG Yuan-di1, FANG Zi-hao3

(1. State Grid of Hunan Electric Power Company Maintenance Company, Changsha Hunan 410004, China;2. State Grid Hunan Transmission Maintenance Company, Hengyang Hunan 420100, China;3. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China )

The Android system is now the most used mobile operation system which can make up for many shortcomings of traditional PC-based industrial control. Based on this, this article proposes an Android-based GIS inspection robot innovation control system for power system GIS equipment maintenance tasks. The robot hardware control system was designed and Android software human-computer interaction platform was developed, and the robot remote control was realized on the Android mobile device. At the same time, debugging and analyzing the results of the designed GIS inspection robot control system. The experimental test results verify that the Android-based robot control system can meet the inspection requirements of power system GIS equipment. Finally, through the integrated design of hardware system, software system and mechanical system, a physical prototype of GIS inspection robot was developed. Compared with the traditional PC-based robot control system, the Android-based robot control system engineering has stronger practicability, better versatility, is convenient for secondary development, and has stronger promotion and application value.

Android; robot; gas insulated switchgear; control system; physical prototype

嚴宇（1986-），男，高級工程師，博士，研究方向：帶電作業新技術及裝備.

智能帶電作業技術及裝備（機器人）湖南省重點實驗室/帶電巡檢與智能作業技術國家電網公司實驗室開放課題資助項目（2020KZD1001）; 國網湖南省電力有限公司科技項目（5126A318000J）.

TM63

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