适用于机器人的分组时电力载波信号抗干扰方法及系统与流程

本发明涉及电力载波通信与工业机器人通信，具体涉及适用于机器人的分组时电力载波信号抗干扰方法及系统。

背景技术：

1、电力载波通信利用既有电力线路同时实现电能传输与通信信号传输，在智能制造、工业机器人协同作业等场景中具有较高的应用价值；在多机器人协同作业过程中，主控节点通常需要通过电力线路向多个机器人节点发送控制指令、位置校准数据以及时序同步信息，因此，载波信号的抗干扰能力以及通信时序的稳定性会直接影响机器人之间的协同精度和作业连续性。

2、在工业现场中，电力线路所处的电磁环境较为复杂，线路中通常存在由开关设备投切、变频设备运行、焊接设备启停以及负载波动等因素产生的脉冲干扰、谐波干扰和瞬态扰动；其中，部分脉冲干扰具有持续时间短、瞬时能量高以及出现位置不固定等特点，并且其频谱特性可能随设备运行状态发生变化。当载波通信信号与上述干扰信号在同一电力线路中传播时，干扰信号容易叠加于载波通信信号，使接收端获取的信号发生畸变。现有电力载波通信通常采用带通滤波、陷波滤波或者固定阈值抑制等方式减弱线路中的干扰信号。此类方法对于频率范围相对稳定的连续干扰具有一定作用，但在面对具有明显瞬态特征和动态变化特性的脉冲干扰时，容易出现干扰识别不准确或者有效载波成分同时受损的问题。特别是在工业设备频繁启停或者负载快速变化的情况下，干扰信号的出现时刻和能量强度均具有较大的不确定性，使得采用固定参数进行干扰抑制时难以兼顾去噪效果与原始载波信号的完整性；此外，电力载波通信中的部分脉冲干扰可能在时域上与通信帧的同步头发生重叠；当同步头受到干扰后，接收端可能无法准确确定通信帧的起始位置，进而产生帧同步错误；对于采用分组通信方式的机器人系统而言，一旦某一通信分组出现同步错误，通常需要重新请求对应的通信数据，由此可能引起当前通信分组的时序发生偏移。在多机器人连续通信过程中，上述同步错误和数据重传还可能造成通信延迟逐步累积。当不同通信分组的实际接收时刻持续偏离预定通信时序时，后续机器人节点接收位置校准数据或者控制指令的时间也会随之发生变化，进而降低分组通信的时序一致性。特别是在对机器人协同精度和响应实时性要求较高的作业环境中，通信时序偏差持续扩大可能进一步影响多个机器人之间的协同控制效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供适用于机器人的分组时电力载波信号抗干扰方法及系统，解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：适用于机器人的分组时电力载波信号抗干扰方法，包括：

3、s1、获取电力线路中的混合载波信号，对混合载波信号进行时频分解，得到包含脉冲干扰特征与原始载波特征的多尺度时频矩阵；

4、s2、根据多尺度时频矩阵，提取预设尺度对应的时频分量中的瞬态能量突变点，若瞬态能量突变点的幅值大于预设的能量阈值，则判定该瞬态能量突变点为脉冲干扰片段；

5、s3、对脉冲干扰片段进行置零处理，并对置零后的信号进行逆小波变换重构，获得去噪后的第一载波信号；

6、s4、从第一载波信号中提取时域包络特征序列，把时域包络特征序列输入预先训练的支持向量机中进行分类识别，确定第一载波信号中的帧同步头位置；

7、s5、若帧同步头位置与预设的本地时序窗口不匹配，则判定发生同步错误，生成包含错误时间戳的重传请求指令；

8、s6、通过分组通信链路向主控节点发送重传请求指令，获取主控节点基于重传请求指令下发的第二载波信号，从第二载波信号中解析出包含位置校准数据的指令帧；

9、s7、根据重传请求指令中的错误时间戳和指令帧的接收时间戳，计算当前分组通信链路的时序偏差值，若时序偏差值超出预设的同步阈值，则触发延迟累积计算机制，获得当前分组通信链路的延迟累积时间。

10、优选的，所述s1包括获取电力线路中的混合载波信号，通过小波变换对混合载波信号进行时频分解得到能量分布；如果能量分布大于预设的能量阈值，则判定能量分布对应脉冲干扰特征；如果能量分布小于或等于预设的能量阈值，则判定能量分布对应原始载波特征；对脉冲干扰特征与原始载波特征进行矩阵拼接，得到包含脉冲干扰特征与原始载波特征的多尺度时频矩阵。

11、优选的，所述s2包括根据多尺度时频矩阵提取预设尺度对应的时频分量，计算时频分量的能量包络获得瞬态能量；对瞬态能量进行差分运算提取瞬态能量突变点及突变点的幅值；若幅值大于预设的能量阈值，则判定瞬态能量突变点为脉冲干扰片段。

12、优选的，所述s3包括获取自适应阈值，所述自适应阈值根据脉冲干扰片段的局部方差计算背景噪声分布获得；确定置零区间，所述置零区间在脉冲干扰片段大于自适应阈值时确定；得到修正系数矩阵，所述修正系数矩阵由基于置零区间构建的干扰抑制矩阵点乘原始时频系数得到；获得去噪后的第一载波信号，所述第一载波信号从对修正系数矩阵逆小波变换提取的重构序列中滤除基线漂移分量获得。

13、优选的，所述s4包括获取第一载波信号，对第一载波信号进行处理得到时域包络，根据时域包络的幅度波动数值构建时域包络特征序列；将时域包络特征序列输入预先训练的支持向量机中进行分类识别，得到分类识别结果；若分类识别结果为同步标识，则提取同步标识对应的决策边界，获得位置信息；根据位置信息确定第一载波信号中的帧同步头位置。

14、优选的，所述s5包括获取帧同步头位置及预设的本地时序窗口，计算帧同步头位置与本地时序窗口的差值得到时序偏差值；判断时序偏差值是否大于容忍阈值；如果时序偏差值大于容忍阈值，则判定发生同步错误并生成同步错误标识；根据同步错误标识提取时钟计数值得到时间序列，对时间序列编码转换获得错误时间戳；通过错误时间戳进行拼接处理，构建包含错误时间戳的重传请求指令。

15、优选的，所述s6包括通过分组通信链路向主控节点发送重传请求指令，获取主控节点基于重传请求指令下发的第二载波信号；根据第二载波信号提取相位偏移特征得到载波解调序列，通过载波解调序列解调第二载波信号获得基带数据流；根据基带数据流中的帧定界符划分基带数据流，确定初始指令帧；若初始指令帧匹配完整性规则，则对初始指令帧提取位置校准数据，从第二载波信号中解析出包含位置校准数据的指令帧。

16、优选的，所述s7包括获取重传请求指令中错误时间戳与指令帧的接收时间戳，并进行差分处理得到初始时间差分序列；根据初始时间差分序列进行滤波处理获得当前分组通信链路的时序偏差值；若时序偏差值超出同步阈值，则根据当前分组通信链路的链路状态特征确定延迟累积周期；根据延迟累积周期对时序偏差值进行补偿运算，获得当前分组通信链路的延迟累积时间。

17、优选的，还包括s8、对时序偏差值与延迟累积时间进行联合状态估计，并根据错误时间戳对应的帧同步头位置对联合状态估计结果进行校正，得到修正后的分组通信时序，并根据修正后的分组通信时序调整本地时序窗口，具体包括采用卡尔曼滤波对时序偏差值与延迟累积时间进行联合状态估计，得到初始状态估计矩阵；根据初始状态估计矩阵提取错误时间戳，通过错误时间戳定位帧同步头位置，获得估计校正量；采用估计校正量校正初始状态估计矩阵，得到修正状态矩阵，根据修正状态矩阵进行重构，得到修正后的分组通信时序；根据修正后的分组通信时序调整本地时序窗口。

18、适用于机器人的分组时电力载波信号抗干扰系统，用于实现所述的适用于机器人的分组时电力载波信号抗干扰方法的步骤，所述系统包括：

19、信号获取与分解模块，获取电力线路中的混合载波信号，通过小波变换对混合载波信号进行时频分解，得到包含脉冲干扰特征与原始载波特征的多尺度时频矩阵；

20、脉冲干扰判定模块，根据多尺度时频矩阵，提取预设尺度对应的时频分量中的瞬态能量突变点，若瞬态能量突变点的幅值大于预设的能量阈值，则判定该瞬态能量突变点为脉冲干扰片段；

21、信号去噪重构模块，采用自适应阈值法对脉冲干扰片段进行置零处理，并对置零后的信号进行逆小波变换重构，获得去噪后的第一载波信号；

22、帧同步识别模块，从第一载波信号中提取时域包络特征序列，把时域包络特征序列输入预先训练的支持向量机中进行分类识别，确定第一载波信号中的帧同步头位置；

23、同步错误判定模块，若帧同步头位置与预设的本地时序窗口不匹配，则判定发生同步错误，生成包含错误时间戳的重传请求指令；

24、分组重传模块，通过分组通信链路向主控节点发送重传请求指令，获取主控节点基于重传请求指令下发的第二载波信号，从第二载波信号中解析出包含位置校准数据的指令帧；

25、时序偏差计算模块，根据重传请求指令中的错误时间戳和指令帧的接收时间戳，计算当前分组通信链路的时序偏差值，若时序偏差值超出预设的同步阈值，则触发延迟累积计算机制，获得当前分组通信链路的延迟累积时间；

26、通信时序修正模块，采用卡尔曼滤波对时序偏差值与延迟累积时间进行联合状态估计，并根据错误时间戳对应的帧同步头位置对联合状态估计结果进行校正，得到修正后的分组通信时序，并根据修正后的分组通信时序调整本地时序窗口。

27、由上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：

28、该适用于机器人的分组时电力载波信号抗干扰方法及系统，通过对电力线路中的混合载波信号进行多尺度时频分析，识别具有瞬态能量突变特征的脉冲干扰片段，并对脉冲干扰片段进行针对性抑制和信号重构，能够降低复杂工业环境下脉冲干扰对有效载波成分的影响，提高载波信号的完整性；在此基础上，通过对去噪后的载波信号进行帧同步头识别，并结合本地时序窗口判断同步状态，能够提高受干扰条件下帧起始位置识别的准确性；当发生同步错误时，通过分组通信链路进行重传，并根据错误时间戳与指令帧接收时间戳确定分组通信链路的时序偏差和延迟累积情况，进一步结合帧同步头位置对分组通信时序进行修正，从而降低同步错误和重传过程引起的通信时序偏移及延迟累积，提高多机器人分组通信过程中的抗干扰能力、帧同步可靠性和通信时序稳定性，进而有利于保证机器人位置校准数据和控制指令传输的及时性与准确性，提高多机器人协同作业的稳定性和连续性。