王吉岱　徐希清

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

巡檢機(jī)器人傳感器容錯控制技術(shù)的研究

王吉岱徐希清

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

本文在介紹巡檢機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析了傳感器的硬件配置和常見故障形式，提出了N模冗余容錯（硬件容錯）和時間冗余容錯（軟件容錯）相結(jié)合的容錯控制策略。實驗結(jié)果表明，基于該容錯控制策略的巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性，有效的保證了巡檢機(jī)器人成功完成各種越障動作。

巡檢機(jī)器人傳感器故障容錯控制分布式控制系統(tǒng)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)容量日益增大，高壓、超高壓線路不斷延長，規(guī)模越來越大，對電網(wǎng)的巡檢維護(hù)變得更為重要。用巡線機(jī)器人對電網(wǎng)進(jìn)行巡檢，為電網(wǎng)巡檢提供了一種新的自動巡檢方法，近年來已成為特種機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點。相對工業(yè)機(jī)器人而言，巡檢機(jī)器人還相對年輕，并且巡檢機(jī)器人既要在惡劣、復(fù)雜環(huán)境下工作，又要考慮長途巡視的高安全可靠性、電源補(bǔ)給和遠(yuǎn)程通信等，因而，開展巡線機(jī)器人的研究與應(yīng)用無疑是一個極大的挑戰(zhàn)［1-3］。

通過對巡檢機(jī)器人的實際作業(yè)環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合對機(jī)器人控制系統(tǒng)的高安全可靠性要求，提出了硬件容錯和軟件容錯相結(jié)合的容錯控制方法以及故障處理策略。

1　巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

巡檢機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)器人控制系統(tǒng)采用分級遞階的體系結(jié)構(gòu)，由管理級、控制級和現(xiàn)場級組成［4-6］。管理級主要由PC客戶端構(gòu)成，用于監(jiān)視、操作和管理全系統(tǒng)的信息；控制級主要由32位微處理器ARM1、ARM2和DVR構(gòu)成，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)信息采集與處理、電源管理、復(fù)位控制、驅(qū)動控制和圖像信息采集等功能，并按照通訊協(xié)議與管理級之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；現(xiàn)場級主要由各種傳感器、繼電器、電機(jī)、可見光云臺和紅外成像儀等構(gòu)成，用于完成各種機(jī)器人動作和采集各種數(shù)據(jù)信息。

圖1　巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2所示為巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的運(yùn)動控制流程圖。機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)產(chǎn)生下個時間片機(jī)器人的位姿狀態(tài)，控制器通過將規(guī)劃系統(tǒng)得到的信息結(jié)果和采集到的傳感器信息進(jìn)行比較，經(jīng)過算法計算出機(jī)器人行走速度、各個關(guān)節(jié)電機(jī)動作狀態(tài)，最后傳感器系統(tǒng)將機(jī)器人下個時間片的狀態(tài)信息采集傳送給控制器，由此構(gòu)成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2　巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制流程圖

傳感器用于將機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng)，如果傳感器在系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。為了解決由傳感器故障而造成的控制系統(tǒng)紊亂，保證巡檢機(jī)器人能夠順利完成作業(yè)任務(wù)，必然需要對傳感器信號進(jìn)行有效的容錯控制處理［7］。

2　容錯控制技術(shù)與方法

2.1傳感器硬件配置及故障形式

巡檢機(jī)器人的傳感器硬件配置見表1。其中，光電傳感器（E3Z-D61、E3Z-D62）主要用于高壓輸電線路上障礙物（間隔棒、防震錘、懸置線夾等）的檢測；限位開關(guān)用于對機(jī)器人各個關(guān)節(jié)部位電機(jī)行程檢測；GPS用于機(jī)器人定位校準(zhǔn)；激光測距儀用于檢測機(jī)器人下方障礙物與機(jī)器人之間距離。本文對巡檢機(jī)器人傳感器容錯控制技術(shù)的研究主要是針對影響機(jī)器人位姿狀態(tài)的傳感器，即對光電傳感器、限位開關(guān)和激光測距儀的容錯控制。

表1　巡檢機(jī)器人傳感器配置

巡檢機(jī)器人上述傳感器在實驗過程中通常出現(xiàn)3種故障形式，即：（1）機(jī)器人在行駛過程中遇到障礙時，傳感器輸出信息保持不變；（2）機(jī)器人在行駛過程中沒遇到障礙時，傳感器輸出信息在該時間段內(nèi)跳變；（3）機(jī)器人正常行駛過程中，傳感器輸出信息在一定范圍內(nèi)波動［8］。通常情況，E3Z-D61、E3Z-D62、限位開關(guān)可能出現(xiàn)第一、二種故障，激光測距儀三種故障均可能出現(xiàn)。對于激光測距儀出現(xiàn)第三種故障的情況，采取線性平滑的方法來處理。對于傳感器出現(xiàn)的第一、二種故障形式，均可以通過硬件容錯處理和軟件容錯處理進(jìn)行有效改善，所以，提出了N模冗余容錯和時間冗余容錯相結(jié)合的傳感器故障處理措施。

2.2巡檢機(jī)器人傳感器容錯控制策略

圖3所示為巡檢機(jī)器人傳感器容錯控制系統(tǒng)流程圖。首先對外界環(huán)境信號采集應(yīng)用傳感器N模冗余容錯處理，得到一個正確的傳感器信號送給控制器，但是這種并行方式的容錯能力僅僅是物理隔離故障、對故障切換進(jìn)行改進(jìn)。為了更好的解決傳感器第一、二種故障形式，對N模冗余后得到的傳感器信號再進(jìn)行時間冗余容錯處理［9］，消除傳感器的短暫性錯誤。通過應(yīng)用N模冗余容錯與時間冗余容錯相結(jié)合的方法，可以得到精準(zhǔn)的機(jī)器人位姿狀態(tài)信息。

圖3　傳感器容錯控制系統(tǒng)流程圖

2.3N模冗余容錯技術(shù)

N模冗余容錯是一種傳統(tǒng)的容錯技術(shù)，采用N模冗余的方法，輸入信號由完全相同的N個模塊分別獨(dú)立處理，每個模塊生成一個運(yùn)行結(jié)果交給決策器，由決策器進(jìn)行判斷并輸出結(jié)果［10］。

為了解決傳感器第一、二種故障形式，本巡檢機(jī)器人采用傳感器N模冗余容錯技術(shù)如圖4所示，Xn為第n （n=0，1，2…）個傳感器模塊處理的結(jié)果，將n個處理結(jié)果同時交給決策器（本設(shè)計采用與門電路），Y為最后輸出結(jié)果。

圖4　傳感器N模冗余容錯

如上圖中，N模冗余容錯結(jié)構(gòu)可以看成一種并行結(jié)構(gòu)，與門電路信號處理表達(dá)式為：

其中Xn為傳感器輸出信號，Y為經(jīng)過與門電路處理之后輸出結(jié)果。圖5為與門電路原理圖與傳感器信號處理電路板實物圖。

圖5　與門電路與電路板

2.4時間冗余容錯技術(shù)

時間冗余容錯是以消耗時間資源為代價來達(dá)到故障容錯的目的，具體方式有指令重復(fù)執(zhí)行、程序卷回、降低設(shè)備運(yùn)行速度等。為了更好的解決第一、二種故障形式，本設(shè)計采用了指令重復(fù)執(zhí)行方式來實現(xiàn)時間冗余容錯控制，指令重復(fù)執(zhí)行流程圖如圖6所示。

圖6　指令重復(fù)執(zhí)行流程圖

指令重復(fù)執(zhí)行時間冗余容錯技術(shù)，是在程序運(yùn)行過程中，在程序適當(dāng)位置設(shè)置檢查點，在每一個檢查點處保存程序在該檢查點之前正確運(yùn)行而得到的全部信息及標(biāo)志。如果故障是暫時性的，則程序卷回到上一檢查點開始重新執(zhí)行，這樣可以完全消除暫時性錯誤。需要注意的是要合理設(shè)置檢查點數(shù)量，設(shè)置過多會增加程序處理時間，設(shè)置過少又會使程序卷回時間過長。

控制器時間冗余處理部分代碼如下所示：

3　實驗結(jié)果

搭建實驗平臺，對巡檢機(jī)器人進(jìn)行實驗驗證，選用20m標(biāo)準(zhǔn)220kV單分裂實驗線路，線路上依次設(shè)有間隔棒、防震錘和懸垂線夾。實驗情況1：對巡檢機(jī)器人傳感器系統(tǒng)不進(jìn)行容錯處理；實驗情況2：對巡檢機(jī)器人傳感器系統(tǒng)進(jìn)行容錯處理。對以上2種實驗情況下的巡檢機(jī)器人進(jìn)行自主越障實驗，機(jī)器人跨越防震錘實驗過程如圖7所示。

圖7　機(jī)器人越障實驗

對2種實驗情況各進(jìn)行5組實驗測試，每組進(jìn)行20次單向自主越障，對越障成功次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2　越障成功次數(shù)

將上表中數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果在同一坐標(biāo)系下繪制成曲線如圖8所示。

圖8　越障成功次數(shù)曲線

對實驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理得到2種實驗情況下各組實驗成功率，結(jié)果見表3。

表3　越障成功率

圖8和表3表明，對于進(jìn)行傳感器容錯處理的巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)明顯穩(wěn)定性更高、魯棒性更好。本設(shè)計采用的N模冗余容錯（硬件容錯）和時間冗余容錯（軟件容錯）相結(jié)合的容錯控制策略可以很好的解決傳感器通常出現(xiàn)的第一、二種故障形式。

4　結(jié)論

對于巡檢機(jī)器人傳感器常見的第一、二種故障，一般都是無法修復(fù)的硬件故障，采用本設(shè)計的傳感器容錯控制策略，可以最大程度的減小由這兩種故障形式造成的控制系統(tǒng)紊亂，大大提高了巡檢機(jī)器人順利完成作業(yè)任務(wù)的成功率，有效的提高了巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)可靠性，保證了巡檢機(jī)器人成功完成各種越障動作。

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Sensor Fault-Tolerant Control of Autonomous Inspection Robot for Power Line

WANG Jidai，XU Xiqing
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

In order to improve the reliability of the autonomous inspection robot control system，and ensure the autonomous inspection robot to complete the task in the complex environment of overhead transmission line，the autonomous inspection robot is required fault-tolerant control.Based on the introduction of robot distributed control system，this paper analyzes the sensor configuration and failure mode，and puts forward the fault-tolerant control strategy that N Modular Redundancy（NMR）fault-tolerant（hardware fault tolerance）combined with time redundancy（software fault tolerance）.The experimental results showed that the control system based on this fault-tolerant control strategy has good robustness，and guaranteeing that the successful completion of the inspection robot obstacle climbing motion.

autonomous inspection robot，sensor fault，fault-tolerant control，distributed control system