110kV架空输电线路巡检机器人视频图像传输

２００６．１０计算机工程与应用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

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＶｉｄｅｏＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＲｏｂｏｔｆｏｒ１１０ｋＶＯｖｅｒｈｅａｄＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅｓＸｉａｏＨａｉｒｏｎｇ１ＺｈｏｕＦｅｎｇｙｕ２ＳｏｎｇＨｏｎｇｊｕｎ２ＬｉｕＷｅｎｊｉａｎｇ１

１（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｈａｎｄｏｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ＇ｎａｎ２５００２３）

２（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｔｒｏｌ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ＇ｎａｎ２５００６１）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｖｉｄｅｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｖｉｔｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．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。１８４计算机工程与应用２００６．１０

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１８５２００６．１０计算机工程与应用

时性，要保证在远程控制端能实时地对机器人的位姿和环境变化进行良好的监视。如果直接按照图３所示的图像传输组成结构图中的各个环节以串行的方式进行处理，则传输一帧图像所需的时间应为各个环节处理时间的和，即：ｔ每帧图像＝ｔ采集＋ｔ压缩＋ｔ传输＋ｔ解码＋ｔ显示（１）显然这种传输方式将会使每帧图像的传输都要花费很长的时间，传输速度非常慢，传输效率较低，这样在监控中心得到的是帧速率较低，实时性较差的图像，不利于机器人的远程控制。为了提高传输的效率，加快传输的速度，我们采用了并行处理方式，如图４所示。各个环节同时进行，采用类似于流水线的技术，尽量缩短每帧传输所需的时间。此时传输一帧图像所需的时间应为各个环节处理时间最大者，即：ｔ每帧图像＝ｍａｘ（ｔ采集，ｔ压缩，ｔ传输，ｔ解码，ｔ显示）（２）比较式（１）和式（２）明显可以看到，采用并行的方式进行传输，传输效率得到大大提高，传输速度最大可以提高近５倍。这样在监控中心可得到帧速率较高，实时性较好，图像变化较流畅的视频图像。３．３图像传输的连贯性较高的传输速度是改善图像显示质量的一个重要保证，一般来说，传输速度越快，图像的连贯性就应该越好，但影响图像连贯性的因素不只是传输速度一个，另一个重要因素是图像的回显时序与图像的采集时序在时间轴上要匹配，即传输的图像是否严格按照采集时的时间间隔进行显示。假如采集是等间隔采集的，但由于网络速度不稳定等因素，在监控端得到的图像序列并不是等时间间隔的，这样所带来的影响就是原本平滑变化的图像，在监控端显示出来却是时快时慢，时断时续，从视觉效果上显得不连贯，不利于操作人员的远程监控。因此要实现视频图像的连贯性，不仅要考虑图像传输的速率，还要考虑回显时间与采集时间的匹配。事实上，式（２）并不能完全决定图像传输的时间，即图像传输的速度并不仅仅取决于其瓶颈环节，因为ＣＣＤ摄像设备所采集的视频信号在时间轴上并不是连续流，不是在任何时刻都可以采集到图像，它有一个帧同步信号，只有在帧同步信号有效时采集卡才能采集到图像，否则只能等待下一个同步信号的到来。采用并行传输方式，可能会出现所采集的图像序列在时间轴上并不是连续分布或等间隔。如图５所示的采集时序中，假设图像压缩是瓶颈环节，它所处理的时间大于一个帧同步周期。在实际采集过程中，第３个同步信号到来时，由于第一帧图像压缩还没有完成，采集缓冲区不空，就不进行图像采集，要等到第４个同步信号到来才采集第３帧图像。这就造成了图５中不均匀的图像采集序列。由于采集的时间间隔不是固定的，图像变化在时间轴上是不均匀的，但显示时却是基本等时间间隔的，这样就会使显示画面与实际图像随时间的变化是不一致的，会影响图像变化的连贯性。可见，如果每帧图像间的采集时间间隔不等，那么就很难保证在监控端得到连贯变化的图像。也就是说，要想得到连贯的图像，采集时间间隔必须是固定的，即必须是帧同步周期的固定倍数。在回显时也要定时显示，并与采集的时间间隔一致。此时传输一帧图像所需花费的时间应是：ｔ每帧图像＝ｎ・Ｔ帧同步（３）