110kV架空输电线路巡检机器人视频图像传输

１引言

为了确保高压输电线路的安全运行并减小人工巡检的工

作量，在国家８６３计划项目的资助下，我们对１１０ｋＶ架空输电线路巡检机器人进行了研究。机器人要完成巡检任务，不仅要求它能在输电线上快速的行走，还必须能够跨越诸如防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等各种障碍。而在实际线路中，障碍物的类型多，环境复杂，有时仅靠机器人自身的传感器和动作决策库无法实现自主越障。在这种情况下，需要操作人员对其进行远程控制，协助机器人越过障碍物，确保机器人能够继续对线路进行巡检。

要实现机器人的远程控制，就必须使地面基站操作人员能够实时地获得机器人所处的环境信息，因此需要机器人将采集到的图像信息实时地传输给地面监控计算机，操作人员根据图像信息向机器人发出控制指令。对于远程监控系统来讲，有效地利用有限带宽进行实时快速地传输是一个方面，这可以通过

采用高效的压缩算法得以实现［１，２］

；而图像变化的连贯性是有效

监控的另一个重要因素，在某些情况下，图像传输速度虽快，但在监控端的图像却是时快时慢不连贯，同样不利于有效监控。

本文首先对１１０ｋＶ架空输电线路巡检机器人系统的组成进行了简单介绍，然后从提高图像传输速度和品质出发，探讨了如何利用并行方式提高图像传输的速度；通过分析影响图像连贯性的因素提出了实现图像连贯的实现方法；重点介绍了如何根据传输来的图像对机器人进行远程控制，最后用ＶＣ＋＋编程实现了巡检机器人图像的实时传输和远程控制，并进行了实验验证。

２巡检机器人系统组成

巡检机器人本体照片如图１所示。主要由五大部分组成：

１１０ｋＶ架空输电线路巡检机器人

视频图像传输

肖海荣１周风余２宋洪军２刘文江１１（山东交通学院信息工程系，济南２５００２３）２（山东大学控制学院，济南２５００６１）

Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｈａｉｒｏｎｇ＠１６３．ｃｏｍ

摘要论文首先介绍了１１０ｋＶ架空输电线路巡检机器人系统的组成和采用基于图像传输的远程控制的必要性，然后

从提高图像传输速度和品质出发，探讨了如何利用并行方式提高图像传输的速度，提出了实现图像连贯性的方法；最后用ＶＣ＋＋编程实现了巡检机器人图像的实时传输和远程控制。实验表明，图像传输及远程控制效果理想，达到了设计要求。关键词

视频图像传输

１１０ｋＶ输电线路

巡检机器人

远程控制

文章编号１００２－８３３１－（２００６）１０－０１８４－０４文献标识码Ａ

中图分类号ＴＰ２４２．２

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＶｉｄｅｏＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＲｏｂｏｔｆｏｒ

１１０ｋＶＯｖｅｒｈｅａｄＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅｓ

ＸｉａｏＨａｉｒｏｎｇ１ＺｈｏｕＦｅｎｇｙｕ２ＳｏｎｇＨｏｎｇｊｕｎ２ＬｉｕＷｅｎｊｉａｎｇ１

１（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｈａｎｄｏｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ＇ｎａｎ２５００２３）

２（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｔｒｏｌ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ＇ｎａｎ２５００６１）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｖｉｄｅｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｖｉｔｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｉｍｍｉｎｇａｔｈｏｗｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ，ｗｅｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｅｍｏｔｅｖｉｄｅｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｆｏｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｔｈｅｖｉｄｅｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅａｒｅｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，１１０ｋＶＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅｓ，ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔ，ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌ

基金项目：国家８６３高技术研究发展计划资助项目（编号：２００２ＡＡ４２０１１０－４）

作者简介：肖海荣（１９６９－），女，硕士，副教授，主要研究方向为智能机器人的研究和开发，计算机监控系统。周风余（１９６９－），男，在读博士，副教授，

主要研究方向为特种机器人的研究、开发和利用。宋洪军（１９７５－），在读博士，研究方向为机器人视觉。刘文江（１９７１－），

研究方向为计算机控制。

驱动装置、刹车制动装置、柔性臂、手掌开合装置、控制箱。整个

巡检机器人系统组成如图２所示，

包括地面基站监控系统和机器人本体及控制系统。机器人本体控制系统安装在机器人控制箱内，它与地面监控系统通过无线收发模块进行图像及其它信息的传输。

为实现对机器人本体的远程控制，必须将机器人本体所处的环境和机器人本身的位姿实时传输到监控计算机，为此在机

器人本体上安装了六个ＣＣＤ摄像机，

如图２所示。需要强调的是，巡检机器人的远程控制仅在环境非常复杂，靠机器人自身的传感器和动作决策库无法实现自主越障时，才需要人的参与。此时，机器人向地面监控计算机发出报警信号，监控人员通过操作监控计算机，将机器人由自动运行状态切换到手动状态，根据机器人传回来的实时图像，向机器人本体控制系统发出宏运动指令或关节运动指令，协助机器人顺利通过复杂环境区。

３视频图像的无线传输

机器人本体系统和地面监控系统之间通过无线收发模块组成的无线局域网络实现图像的传输。

３．１图像传输的组成结构

文献［３，４］中对Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的流媒体传输组成框架进行了

探讨，但对于远程监控来讲，图像是实时采集的，其组成框架与流媒体传输有所不同。远程监控中的图像传输主要包括图像采集、图像压缩、图像传输、图像解码、图像显示等几个过程，其组成结构图如图３所示。

为实现对机器人的实时监控，首先要保证能够获取较为理想的机器人周围环境的图像信息，为此在机器人本体上安装了摄像头，通过图像采集卡，将图像信息采集到机器人本体计算机中。由于原始图像的数据量庞大，为提高传输的效率，需要对原始图像进行压缩处理。图像压缩一般有静态压缩和动态压缩两种方式。静态压缩是对每一帧图像进行独立压缩，不考虑前

后两帧图像之间的关系，如ＪＰＥＧ压缩，

这种压缩方法实现的复杂度低，但压缩效率有限。动态压缩是对运动图像序列进行

压缩，它不单独针对一帧图像，会同时考虑帧与帧之间的相互

关系，如ＭＰＥＧ压缩［５］，这种压缩方法的压缩效率高，对于离线压缩来讲，是一种有效方法，但实现复杂度高，对于实时压缩传输来讲，并不可取。

对于压缩以后的图像的传输，网络传输层主要有ＴＣＰ和ＵＤＰ两种通信协议。ＴＣＰ是基于连接的协议，能为应用程序提供可靠的通信连接，可以保证字节流无差错地在网络上传输。ＵＤＰ是面向非连接的协议，需要自己进行传输质量控制，实现起来比较复杂。对于巡检机器人系统来讲，点对点局域网提供了足够的带宽，采用ＴＣＰ／ＩＰ协议已能够保证所需的传输速度，而且实现起来比ＵＤＰ协议要简单的多。

图像解码是图像压缩的逆过程，即将压缩的图像数据进行解码，重现出图像的原始内容，用来输出显示。解压缩方式是与压缩方式相对应的，如果采用静态压缩，则需要进行相应的静态解码，如果是动态压缩，则需要进行动态解码。

为了对机器人进行实时监控，需要将传输过来的图像在监控计算机上显示出来。由于在传输过程中，不可避免的会出现数据包的丢失，所以为了保证画面的连续性和稳定性，需进行预先纠错和数据插值等处理。

３．２图像传输的实时性

在机器人远程控制中，图像传输的关键之一在于传输的实