使用智能終端控制激光異物清除設(shè)備

楊 波，劉傳利，吳英迪，蔡亞芬

(中國(guó)信息通信研究院 泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，北京100045)

0 引言

高壓電線上纏繞的異物是高壓輸電網(wǎng)絡(luò)線路故障的主要原因之一，其帶來的短路事故占到外力破壞引致事故的一半以上[1]。 因此，對(duì)輸電線上異物的及時(shí)清除是電力行業(yè)非常重視的問題。傳統(tǒng)使用輔助工具進(jìn)行人工清除的做法[2-3]效率較低；而使用無(wú)人機(jī)[4-5]、掛線機(jī)器人[6-8]等進(jìn)行清除的方法操控難度較大，自損率高，且容易帶來次生危害。 近年來，使用二氧化碳激光從地面遠(yuǎn)距離清除電線上異物的方法[9]憑借便于運(yùn)輸、操作方便、清除迅速、對(duì)輸電線纜的安全性[10]等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為一種主流的清理方式。

在激光異物清除裝置中，對(duì)激光指向、焦點(diǎn)、功率等的控制決定了工作的精準(zhǔn)度和效率，因此其控制部分的硬件和算法至關(guān)重要。 針對(duì)清除任務(wù)中涉及的算法，例如視頻識(shí)別[11]、聚焦[12]、清除方式[13]等，很多研究者已進(jìn)行過深入研究。 但從已發(fā)表的研究成果來看，大多數(shù)的研究基于集驅(qū)動(dòng)、控制、運(yùn)算、操作界面于一體專用平臺(tái)(工控機(jī)等)進(jìn)行，大部分的設(shè)備也使用專用的工控機(jī)作為控制系統(tǒng)硬件的核心。 然而，在實(shí)際激光異物清除的任務(wù)中，絕大部分控制并不涉及復(fù)雜計(jì)算的大數(shù)據(jù)量的通信，無(wú)需高性能的計(jì)算平臺(tái)來完成；同時(shí)，便攜智能電子設(shè)備(如智能手機(jī)、平板電腦等)在今天已經(jīng)非常普及，這些設(shè)備不僅能夠提供異物清除任務(wù)所需要的顯示反饋和人機(jī)接口，其算力也能夠勝任較為復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。 如果使用通用便攜終端實(shí)時(shí)控制激光異物清除裝置，相比現(xiàn)有的一體化控制系統(tǒng)而言，能提供如下便利：

(1)使用模塊化結(jié)構(gòu)，將操控/顯示和機(jī)械/電子控制分離，便于硬件系統(tǒng)的維護(hù)；

(2)使用通用設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的操控和顯示，提高系統(tǒng)適應(yīng)性，降低了系統(tǒng)的成本；

(3)將計(jì)算壓力轉(zhuǎn)移到通用設(shè)備中，大幅降低了機(jī)械/電子部分的硬件需求，降低了前端的成本；

(4)利用智能終端的網(wǎng)絡(luò)功能，可進(jìn)一步將復(fù)雜計(jì)算轉(zhuǎn)移到云/邊緣進(jìn)行，大幅提高了系統(tǒng)的靈活度；

(5)控制方法/算法相關(guān)的改動(dòng)僅需要進(jìn)行軟件升級(jí)，且可以在線進(jìn)行。

基于這樣的想法， 本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種利用便攜智能終端控制的激光異物清除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并詳述了各部分的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

圖1 激光異物清除系統(tǒng)的構(gòu)成

1 原理

1.1 激光異物清除原理、設(shè)備和流程

激光異物清除裝置主要用于清除高壓電線上纏繞的風(fēng)箏、遮陽(yáng)網(wǎng)、塑料大棚等異物。清除設(shè)備置于地面，將大功率的激光聚焦在目標(biāo)物上，使其燃燒/熔化并脫落。 清除任務(wù)中，目標(biāo)物通常距離清除設(shè)備百米以上。在此距離上使用激光燒灼異物，需要對(duì)激光的指向和焦點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。 為此，除激光器外，清除設(shè)備需要具備可水平/垂直旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)以及用于調(diào)節(jié)調(diào)焦鏡頭所用的高精度滑臺(tái)。為了操控方便，定位準(zhǔn)確，需要選用清晰程度較高的相機(jī)，并具備長(zhǎng)距離的光學(xué)變焦功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的視覺捕獲。

異物清除的主要流程為：首先依據(jù)相機(jī)圖像的反饋，通過控制接口控制云臺(tái)水平和垂直角度，使得激光器輸出的激光正對(duì)目標(biāo)；以低功率輸出激光，并通過異物上焦點(diǎn)的大小反饋，調(diào)整對(duì)焦鏡頭的位置，使激光能夠聚焦在異物上，提高功率密度；之后，選擇合理的清除方式(如點(diǎn)燒、掃描等)，確定清除作業(yè)時(shí)云臺(tái)的動(dòng)作軌跡及激光器的輸出功率。 開始作業(yè)后，控制系統(tǒng)將依據(jù)之前選定的清除方式和坐標(biāo)位置自動(dòng)控制云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)及激光器的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異物的清除。

1.2 對(duì)控制系統(tǒng)的需求

從以上任務(wù)及流程描述可以看出，設(shè)備的控制系統(tǒng)需要準(zhǔn)確控制二維云臺(tái)的指向、透鏡的位置、激光器的開關(guān)以及功率的能力，并控制相機(jī)參數(shù)(焦段、曝光等)，顯示反饋的圖像/視頻，并提供相應(yīng)操作界面。

在實(shí)際使用中，目標(biāo)的尋找、激光焦點(diǎn)的調(diào)整等均屬于一次性工作；而清除方式一旦確定，云臺(tái)的控制軌跡和激光器的功率控制也是完全確定的。完整作業(yè)流程中，對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的流量和計(jì)算的需求主要集中針對(duì)視頻的編解碼和可能的處理工作上。由于大部分相機(jī)支持直接通過有線或無(wú)線接口和便攜智能終端(手機(jī)、平板等)交換視頻和控制數(shù)據(jù)，可以將這一部分分離出來，剩余對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制工作即可以在很低成本和功耗下，在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這樣的設(shè)計(jì)相當(dāng)于將傳統(tǒng)一體化控制系統(tǒng)拆成了兩個(gè)部分：用于控制和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的低成本模塊和一塊以便攜智能終端為核心的控制器。前者控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，后者負(fù)責(zé)圖像顯示、參數(shù)運(yùn)算并提供人機(jī)交互接口。 二者通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。 圖1為設(shè)備整體形態(tài)的示意圖。

2 方法

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 所示結(jié)構(gòu)中控制與驅(qū)動(dòng)部分的硬件主要包括兩個(gè)功能：針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(云臺(tái)、對(duì)焦滑臺(tái)、激光器)的控制，以及與控制終端的無(wú)線通信。 為通用性及維護(hù)方便之考慮，將其作為兩個(gè)獨(dú)立模塊分別進(jìn)行了開發(fā)。

針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制中，調(diào)整云臺(tái)角度以及透鏡的位置均可以歸結(jié)為對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，對(duì)控制電路的要求為方向和步進(jìn)脈沖的輸出。激光器的開關(guān)通過開關(guān)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)，其功率的調(diào)節(jié)通過模擬電壓信號(hào)輸出。 為實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用包含的多路開關(guān)量、脈沖信號(hào)以及模擬電壓輸出的需求，使用了一塊帶有多路PWM 信號(hào)輸出和DAC 的低成本通用單片機(jī)STM32F103ZET6 作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制板的主要處理器。

為了顧及顯示和人機(jī)接口的通用性，選用了所有便攜式智能終端均支持的WLAN 作為控制系統(tǒng)的主要無(wú)線通信方式。 盡管部分高端的單片機(jī)/ARM 芯片能夠直接或配合Ethernet PHY 芯片和LwIP 等協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)IP 網(wǎng)絡(luò)功能[14]，考慮到網(wǎng)絡(luò)通信占用單獨(dú)線程可能對(duì)控制任務(wù)帶來時(shí)間上不利的影響，本文使用了另一塊獨(dú)立的低成本處理器樹莓派計(jì)算模塊(Raspberry Pi Compute Module，下稱Rpi-CM)進(jìn)行對(duì)設(shè)備控制電路的命令下發(fā)，并通過其USB 接口，利用USB-WLAN 無(wú)線網(wǎng)卡，或者利用USB-ETH PHY 加上無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)設(shè)備本身與外界的無(wú)線IP 通信。 Rpi-CM 是樹莓派基金會(huì)發(fā)布的一塊帶有CPU、內(nèi)存和片上存儲(chǔ)器的DDR2 內(nèi)存條尺寸的工業(yè)級(jí)模塊[15]，其完整的操作系統(tǒng)Raspbian 提供了對(duì)IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的完全支持。 Rpi-CM 并不能獨(dú)立使用，需要為其開發(fā)擴(kuò)展板，引出各個(gè)接口用于與其他設(shè)備的連接。 在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了SPI 和若干GPIO 作為通信板與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制板之間數(shù)據(jù)交換的接口， 以保證通信的速率和實(shí)時(shí)性。 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制/通信方式設(shè)計(jì)如圖2 所示。

2.2 軟件流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制與控制軟件的解耦，使得在設(shè)備內(nèi)部的兩塊CPU基本沒有運(yùn)算壓力。 通信板僅需要“轉(zhuǎn)譯”控制終端發(fā)來的命令給設(shè)備控制板，并按照特定的需求查詢?cè)O(shè)備的各項(xiàng)狀態(tài)，反饋給控制終端；執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制板則僅需要根據(jù)通信板通過SPI 傳輸過來的命令執(zhí)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。 只要在設(shè)計(jì)時(shí)保證各項(xiàng)控制指令和動(dòng)作能夠涵蓋對(duì)各執(zhí)行設(shè)備的所有操作，這兩部分的功能是完全確定的，幾乎不需要維護(hù)和升級(jí)。

另一方面， 控制整體流程的軟件在控制終端上編寫和運(yùn)行。 在具備Windows/Linux/Android/iOS 操作系統(tǒng)的高性能智能終端中編寫程序，獲取相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并輸出相應(yīng)控制動(dòng)作，相較在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)開發(fā)而言技術(shù)門檻更低，更加易于移植和維護(hù)。結(jié)合前述流程，3個(gè)處理器的主要軟件流程及相互協(xié)同如圖3 所示。 設(shè)備正常上電后，通信板將啟動(dòng)一個(gè)TCP 服務(wù)器， 等待控制用的便攜式智能終端(下稱控制終端)連接。 控制終端中的APP 啟動(dòng) 時(shí)，將會(huì)主動(dòng)連接這一服務(wù)器，并進(jìn)行身份校驗(yàn)等工作。連接成功后，控制終端將發(fā)起對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的初始化，并在后續(xù)繼續(xù)向通信板中的服務(wù)器傳遞參數(shù)，通過其控制各個(gè)設(shè)備協(xié)同動(dòng)作。

圖2 控制模塊的結(jié)構(gòu)和通信方式

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程

可以看到，所有流程中的計(jì)算幾乎完全發(fā)生在控制終端上。 在瞄準(zhǔn)、清除的階段，可以手動(dòng)識(shí)別和處理，也可以依托控制終端的圖像處理能力，部署相應(yīng)算法進(jìn)行調(diào)整。 對(duì)于對(duì)算力要求高的任務(wù)，在控制終端本身算力不足的情況下，亦可以利用其本身的網(wǎng)絡(luò)連接能力(如4G、5G 等)將圖像和視頻信號(hào)傳輸?shù)皆贫?邊緣的計(jì)算服務(wù)器，并依托在其上部署的算法進(jìn)行運(yùn)算。

傳統(tǒng)的激光異物清除系統(tǒng)中，部分步驟(例如用相機(jī)的長(zhǎng)焦鎖定目標(biāo)、激光聚焦調(diào)整等功能)手動(dòng)操作耗時(shí)費(fèi)力。以鎖定目標(biāo)功能為例，相機(jī)在廣角狀態(tài)下，依據(jù)圖像進(jìn)行位置控制的精度不足；而在長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下視野很窄，難以在視野中捕獲目標(biāo)物，實(shí)際操作中常常需要反復(fù)切換。 在文中所述系統(tǒng)中，利用在控制終端中部署的圖像識(shí)別等算法，在廣角狀態(tài)下選取目標(biāo)物后，可以在調(diào)整焦段的過程中同步調(diào)整云臺(tái)，保證目標(biāo)物始終處在視野的中心，從而提高控制的效率。

3 討論

相比于一體化的系統(tǒng)或有線傳輸?shù)南到y(tǒng)，通過無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)控制反饋可能會(huì)帶來一定額外的時(shí)延。在目標(biāo)捕獲、對(duì)焦等精細(xì)調(diào)整的過程中，可能需要適當(dāng)降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作速率、增加步進(jìn)時(shí)間或加入預(yù)測(cè)性控制算法，以降低時(shí)延帶來的影響。 由于該設(shè)備大部分應(yīng)用場(chǎng)景在電磁干擾較小的戶外/野外，當(dāng)前這一問題帶來的影響并不顯著。 隨著通信技術(shù)的演進(jìn)，5G、Wi-Fi6 等技術(shù)的普及和應(yīng)用將進(jìn)一步降低控制系統(tǒng)的時(shí)延，從而改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能。在文中所述的模塊化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 完全可以在不重新設(shè)計(jì)/生產(chǎn)任何硬件情況下完成此類通信方式和控制終端的升級(jí)和更換。

4 實(shí)際設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上想法，使用STM32F103ZET6 單片機(jī)和樹莓派計(jì)算模塊開發(fā)了一套完整控制系統(tǒng)，并在一套激光異物清除的設(shè)備中得到應(yīng)用。 控制系統(tǒng)成品如圖4 所示。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制板和通信板

在測(cè)試用系統(tǒng)中，控制終端使用了通用的Windows平板，使用觸摸屏幕直接控制。 軟件手動(dòng)方式下可以通過各按鈕控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)作，并可以在攝像機(jī)捕捉的圖像上直接進(jìn)行選點(diǎn)瞄準(zhǔn)等操作。測(cè)試系統(tǒng)的控制軟件的界面如圖5 所示。

圖5 測(cè)試用控制軟件界面

在已經(jīng)進(jìn)行的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，控制系統(tǒng)能夠在便攜式智能終端的控制下準(zhǔn)確控制設(shè)備清除一百米之內(nèi)模擬電線的目標(biāo)物上纏掛的異物。 實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。圖中從左到右分別為對(duì)線纜上地膜、樹枝、尼龍線繩的清除實(shí)驗(yàn)。針對(duì)地膜和風(fēng)箏，使用的是線性掃描模式，即激光焦點(diǎn)在兩個(gè)工作點(diǎn)附近往復(fù)切割；針對(duì)樹枝使用的是點(diǎn)燒模式，即將激光焦點(diǎn)集中在固定位置，直至目標(biāo)清除。 實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)的控制速度和精度能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

圖6 實(shí)際清除作業(yè)

5 結(jié)論

以上的原理分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，將激光異物清除設(shè)備的控制界面和計(jì)算任務(wù)分離出來轉(zhuǎn)移到便攜智能終端上，并利用無(wú)線連接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控的方法，能夠在實(shí)現(xiàn)功能的前提下降低控制系統(tǒng)的體積/成本，并提高使用的靈活性。 使用本文所設(shè)計(jì)的低成本控制系統(tǒng)， 輔以無(wú)線連接的通用便攜式智能終端，可以完整、精確地實(shí)現(xiàn)控制激光異物清除設(shè)備清除高壓線纜上異物的功能。