變電站巡檢機器人的上位機監控系統設計

彭沛博

（國網湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北 隨州 441399）

0 引 言

在無人值守變電站中，設備巡檢移動機器人能夠對設備進行巡檢，及時發現設備缺陷和異物懸掛等異常現象[1]。上位機系統能夠對巡檢移動機器人進行自主控制或遠程遙控[2]。為高效、準確地控制設備巡檢移動機器人，提高設備巡檢移動機器人的運動性能，設計一款可控制的上位機系統十分重要。

樹莓派4B具有低功耗、高性能、體積小等優點，適合作為上位機與設備巡檢移動機器人控制器之間的橋梁，能實時監控并控制設備巡檢移動機器人的位置、速度等[3-4]。此外，樹莓派4B具有串口，因此設計上位機系統時采用RS-232通信方式。RS-232模塊可通過轉換接口連接USB設備，實現計算機、上位機間的通信。

上位機系統主要包括3個部分，分別是計算機、監控計算機以及上位機軟件[5]。計算機主要負責采集數據、發出命令，并對數據進行解析和顯示。監控計算機負責監控管理上位機系統，協調各模塊。上位機軟件是整個系統的核心。上位機軟件接收控制命令并解析和執行，然后通過串口將執行結果發送至計算設備。除了基本的控制功能，上位機軟件還具有顯示數據和圖像信息等功能。

變電站設備巡檢移動機器人上位機軟件包括功能模塊、運動控制模塊以及路徑規劃模塊等。功能模塊負責接收控制命令和信號，對數據進行處理。運動控制模塊則根據控制數據分析運動軌跡和速度，并進行顯示。路徑規劃模塊可以控制變電站備巡檢移動機器人運動，記錄軌跡動向，通過記錄規劃運動軌跡。

1 系統軟硬件設計

1.1 系統硬件設計

樹莓派是一種僅信用卡大小的微型計算機，其操作系統是基于Linux操作系統發展而來的一種系統，也可以使用Windows操作系統來運行樹莓派。自問世以來，樹莓派的應用十分廣泛。樹莓派的硬件結構如圖1所示。

圖1 樹莓派硬件結構

1.2 軟件設計

上位機軟件是設備巡檢移動機器人的控制中心，設備巡檢移動機器人上所配置的傳感器、電機以及控制器都是由上位機控制軟件控制的。上位機控制軟件應具備人機交互界面、較好的實時性和可擴展性。人機交互界面應具有操作簡單、簡潔明了的特點，能夠為用戶提供良好的操作環境。上位機控制軟件應具有實時性，能及時接收并處理設備巡檢移動機器人傳輸的數據，同時及時響應用戶的要求和指令。考慮到未來可能的需求變化和功能增加，設備巡檢移動機器人的上位機控制軟件應采用能夠擴展的功能模塊，以便后續根據需求增加復雜的功能。

文章設計的上位機控制軟件采用Python語言進行編寫。上位機軟件需要實時監控設備巡檢移動機器人的工作狀態，也要規劃設備巡檢移動機器人的進行軌跡。上位機軟件具備實時監控、實時軌跡模擬、工作狀態記錄、參數設置以及復位舵機等功能。上位機軟件要實時監控上位機控制軟件的工作狀態，并根據需要在關鍵點安裝一個定時器中斷。定時器中斷可用于觸發定時任務，監控系統是否能執行任務。為了調試設備巡檢移動機器人軌跡規劃，需要通過上位機系統模擬設備巡檢移動機器人的運動軌跡。當設備巡檢移動機器人執行完某個任務后，記錄任務執行結果，以便后期定期查看和分析。通過上位機軟件的人機交互界面，用戶可以設置設備巡檢移動機器人的運動參數，如速度、方向等。上位機軟件應能夠保證設備巡檢移動機器人能回到初始位置。在執行任務過程中，如果機器人出現故障或偏離指定路徑，可以通過復位舵機功能將其準確地復位到初始位置，以便重新開始任務。

1.3 控制命令

本設計采用IP地址連接方式進行連接，需要編寫上位機控制系統的通信程序，實現樹莓派4B與上位機之間的通信。通過以太網輸入IP地址建立與樹莓派的遠程連接，可以通過傳輸控制協議和網絡協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）發送指令到上位機。上位機解碼指令，然后通過串口發送數據給樹莓派4B，實現樹莓派4B與上位機之間的通信。上位機解析數據后，會發送相應的控制指令。樹莓派4B接收到數據后，做出相應動作。

使用時應注意樹莓派4B與上位機之間使用遠程通信連接。發送命令的順序為先發送控制命令，再發送指令。在發送控制命令之前需要確定先發哪一個命令，如果沒有明確，則將模塊添加到隊列中，等待發送。接收到控制命令后，需要等待一段時間才能發送命令。如果在控制命令前有其他控制任務需執行，可以提前終止當前執行的任務。

1.4 用戶界面設計

上位機控制系統的人機交互界面是人與機器進行交互的核心窗口，包括普通模式、調試工具、數據展示3個主要部分，其性能直接影響設備巡檢移動機器人控制系統的性能。

上位機控制系統的人機交互界面與樹莓派4B之間的數據交互通過串口實現，這種交互形式被稱為同步數據。當上位機需要發送命令時，樹莓派4B應發送相應的控制命令，然后上位機控制系統的交互界面才能實時顯示數據。

本設計采用NoMachine作為開發平臺來設計上位機系統軟件，實現與樹莓派4B的數據交互，控制設備巡檢移動機器人的運動。利用NoMachine開發平臺的圖形用戶界面（Graphics User Interface，GUI）開發工具包可以便捷地實現圖像信息、數據信息的讀取和顯示。

在普通模式中，人機交互界面又分為3個小界面，分別是設備巡檢移動機器人參數設計圖框、命令控制按鈕以及運動軌跡編號表。

在設備巡檢移動機器人的參數圖框中，用戶可以修改各個關節、移動自由度的參數，從而控制設備巡檢移動機器人展現不同的姿態。同時，通過人機界面實時顯示設備巡檢移動機器人的位姿，以便進行監控和調整。命令控制按鈕主要用于對設備巡檢移動機器人的編輯動作進行保存操作、運行操作、復位操作以及讀取位姿偏差操作等。運動軌跡編號表主要用于保存設備巡檢移動機器人的運動軌跡，并控制設備巡檢移動機器人自動化的軌跡與位姿。

在舵機調試工具中，用戶可以調節設備巡檢移動機器人中舵機的角度范圍、輸入電壓范圍以及舵機移動的角度偏差。

2 通信設計

下位機與樹莓派4B之間的通信主要是通過下位機控制系統發出控制指令，然后樹莓派4B接收控制指令，并執行控制指令。在此過程中，下位機需要給樹莓派4B的串口通信供電，然后才能給樹莓派4B發送命令。為了使下位機能夠及時發現并接收來自樹莓派4B的串口數據，下位機使用定時器中斷方式不斷查詢串口數據。設定定時器中斷響應時間為20 ms，即每20 ms刷新一次。

上位機與樹莓派4B之間通過TCP/IP協議實現通信。首先，上位機作為客戶機建立TCP/IP連接，并指定端口號，然后通過套接字發送數據。這些數據可能是命令、參數或文件等。其次，樹莓派4B接收上位機發送的數據，并進行解析處理，根據指令執行相應的操作。最后，樹莓派4B將結果發送回上位機，如成功的標志。

3 操作結果分析

通過控制按鈕調整舵機旋轉角度，控制設備巡檢移動機器人的各種姿態，驗證上位機監控系統設計的有效性及其和樹莓派4B之間通信的準確性。設備巡檢移動機器人編號為1的初始位姿如圖2（a）所示，通過控制按鈕編輯的第2個位姿如圖2（b）所示，通過控制按鈕編輯的第3個位姿如圖2（c）所示。第2個位姿與第3個位姿的變化為：第1個舵機的旋轉角度不一樣，因此第2個位姿的夾取裝置為水平方向，第3個位姿的夾取裝置為垂直方向。

圖2 設備巡檢移動機器人的位姿控制

由圖2可知，該上位機系統能夠控制設備巡檢移動機器人的位姿。通過控制位姿，該設備巡檢移動機器人能夠及時夾取掉落在設備上的異物，防止設備出現高壓擊穿等問題。

4 結 論

文章介紹了變電站設備巡檢機器人的上位機系統的總體設計方案，通過全面監控的方式，可以大幅提高變電站的智能化程度，同時提高設備運行的安全性與可靠性。該方案不僅適用于變電站的巡檢機器人，還可以擴展到其他領域，如電廠的巡檢機器人、換流站的巡檢機器人等。