（內(nèi)蒙古民族大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，通遼 028000）

巡線機(jī)器人是一種高智能化的機(jī)器人設(shè)備，專(zhuān)門(mén)用于高壓線路的巡檢工作，雖然現(xiàn)在對(duì)于這種機(jī)器人的研究?jī)H停留在人工操控的基礎(chǔ)上，但已經(jīng)可以滿足巡線工作的基本要求。巡線機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上需要安裝各種檢驗(yàn)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)線路故障[1]。如何獲得高清圖像、紅外圖像、高清視頻，是巡線機(jī)器人非常關(guān)鍵的技術(shù)。能夠把機(jī)器人技術(shù)與穩(wěn)定跟瞄技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，是未來(lái)機(jī)器人巡線要考慮的重要問(wèn)題。

1 巡線機(jī)器人平臺(tái)穩(wěn)定方法

穩(wěn)定平臺(tái)采用光電陀螺穩(wěn)定技術(shù)，該技術(shù)最早應(yīng)用于軍事[3]。利用陀螺系統(tǒng)構(gòu)成的陀螺穩(wěn)定器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of stable platform system

內(nèi)框架的方位俯仰電機(jī)都與裝載在內(nèi)框架的陀螺儀相連，這樣內(nèi)框架的方位俯仰電機(jī)就與陀螺儀形成了一個(gè)閉環(huán)的穩(wěn)定回路。當(dāng)存在內(nèi)環(huán)平臺(tái)傾斜或者擾動(dòng)時(shí)，陀螺儀會(huì)得到相應(yīng)的偏差值，這個(gè)偏差值會(huì)傳遞給內(nèi)框架的方位俯仰電機(jī)伺服系統(tǒng)，此時(shí)內(nèi)框架伺服系統(tǒng)會(huì)根據(jù)偏差量，對(duì)內(nèi)框架進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)的相對(duì)穩(wěn)定。為內(nèi)環(huán)裝載的光學(xué)設(shè)備提供良好穩(wěn)定的工作環(huán)境[4]。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本方案受啟發(fā)于經(jīng)緯儀精密訓(xùn)練儀器，根據(jù)方位角和俯仰角的精確變化，實(shí)現(xiàn)了人為操縱相機(jī)方向以及根據(jù)圖像識(shí)別自動(dòng)凝視目標(biāo)的功能；除了應(yīng)用于機(jī)器人以外，此項(xiàng)技術(shù)還可應(yīng)用于各種自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)。圖2是巡線機(jī)器人穩(wěn)定成像系統(tǒng)組成框圖。

圖2 巡線機(jī)器人穩(wěn)定成像系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of line tracking robot stable imaging system

如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）做整體的協(xié)調(diào)。系統(tǒng)執(zhí)行力矩電機(jī)、陀螺儀和DSP組成了反饋控制系統(tǒng)，作為巡線機(jī)器人成像系統(tǒng)的穩(wěn)定環(huán)節(jié)。驅(qū)動(dòng)板上集成了PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電流反饋調(diào)節(jié)器。成像系統(tǒng)的圖像采集由裝載在轉(zhuǎn)臺(tái)上的光電成像設(shè)備完成。計(jì)算機(jī)通過(guò)采集來(lái)的信號(hào)和圖像，對(duì)信息進(jìn)行處理并同DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，完成計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制。旋轉(zhuǎn)變壓器用于調(diào)節(jié)整個(gè)視場(chǎng)的方位和俯仰角度，從而在各個(gè)方向上進(jìn)行圖像采集工作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要針對(duì)系統(tǒng)的巡線機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的各種擾動(dòng)，進(jìn)行穩(wěn)定性控制，從而達(dá)到拍攝高清圖像的目的，為后續(xù)的分析修理提供更加確切的依據(jù)。具體框圖如圖3所示。

圖3 穩(wěn)定伺服系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Block diagram of servo system control

實(shí)際上整個(gè)系統(tǒng)仍然是閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，主動(dòng)防御振動(dòng)及擾動(dòng)的檢測(cè)器件主要是陀螺系統(tǒng)角速度傳感器以及電流采樣傳感器。陀螺傳感器最主要的作用是將平臺(tái)擾動(dòng)傳遞給系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)通過(guò)陀螺的信號(hào)，對(duì)內(nèi)環(huán)電機(jī)的控制量進(jìn)行調(diào)整，主要是提供反向力矩使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

提供的反向力矩并不能確保非常穩(wěn)定，這是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能與電機(jī)的工作特點(diǎn)共同決定的，所以，采用電流環(huán)的設(shè)計(jì)，來(lái)對(duì)電流特性進(jìn)行平滑，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的高品質(zhì)控制。

電流反饋環(huán)節(jié)調(diào)整電路能對(duì)系統(tǒng)輸出的電流進(jìn)行矯正，調(diào)整系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩。這種方法可以提高系統(tǒng)伺服帶寬，實(shí)際上是一個(gè)比例-積分調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

速度反饋環(huán)節(jié)的信號(hào)采集工作由陀螺系統(tǒng)完成，通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)環(huán)上的陀螺系統(tǒng)，采集轉(zhuǎn)臺(tái)的瞬時(shí)速度，速度信號(hào)通過(guò)DSP系統(tǒng)，進(jìn)行運(yùn)算處理，得出合理的控制量，用于對(duì)力矩電機(jī)的控制?？刂屏康漠a(chǎn)生由PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。常規(guī)PID數(shù)學(xué)模型為[5]

式中：Kp、Ki、Kd為PID控制器比例、積分、微分項(xiàng)系數(shù)；u（t）為PID算法得到的控制輸出量；e（t）為給定輸入與實(shí)際輸出之間的差值。

離散化，數(shù)字化后的PID控制規(guī)律為

式中：K為離散后的時(shí)間點(diǎn)；T為采樣周期。最后可化簡(jiǎn)為

可以看出，只要通過(guò)速度反饋環(huán)節(jié)采集到系統(tǒng)速度，并且通過(guò)DSP進(jìn)行PID算法的計(jì)算，就可以得到系統(tǒng)的理想控制量。

4 系統(tǒng)仿真

機(jī)器人巡線的穩(wěn)定成像系統(tǒng)主要由陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)組成。本文采用了陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)部嵌入電流反饋環(huán)節(jié)的方案。利用仿真軟件，對(duì)內(nèi)環(huán)陀螺速度反饋環(huán)節(jié)做頻域仿真分析，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 沒(méi)有電流反饋的控制系統(tǒng)幅相頻特性曲線Fig.4 Amplitude and phasefrequency characteristic curve of no current feedback control system

經(jīng)分析得未加入電流反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)相位裕度為-49.4°，判斷系統(tǒng)并不穩(wěn)定。

圖5為增加電流反饋環(huán)節(jié)的穩(wěn)定系統(tǒng)，頻域內(nèi)開(kāi)環(huán)相位裕度為46.9°，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定?？梢钥闯?，增加了電流反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且提高了系統(tǒng)的伺服帶寬。

5 結(jié)語(yǔ)

圖5 增加電流反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)幅相頻特性曲線Fig.5 Amplitude and phasefrequency characteristic curve of increase the current feedback control system

本論文從工程應(yīng)用的角度，對(duì)機(jī)器人巡線的工作環(huán)境做了深入探討。對(duì)巡線機(jī)器人穩(wěn)定成像的控制系統(tǒng)做了具體設(shè)計(jì)。采用陀螺技術(shù)與PI調(diào)節(jié)相結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡線圖像采集過(guò)程中對(duì)干擾的主動(dòng)抑制。這一控制系統(tǒng)作為機(jī)器人巡線的輔助系統(tǒng)，使機(jī)器人巡線過(guò)程中獲得高質(zhì)量的圖像信息成為可能。

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