許昌亮，張秋雁，楊忠，姜遇紅，徐浩

(1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；3.南京航空航天大學(xué) 無人機研究院，江蘇 南京 210016)

樹障是輸電線路通道普遍存在的一種安全隱患，因樹障造成輸電線路短路或絕緣下降從而引發(fā)的安全事故時有發(fā)生[1-2]。為此，各級電力部門每年都要投入大量的人力、物力與財力對轄區(qū)內(nèi)輸電線路通道的樹障進行清理整治。目前樹障清理主要依賴于人工清理，存在著效率不高、安全風(fēng)險大等缺點，尤其是地形惡劣和復(fù)雜的環(huán)境給樹障清理工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。樹障清理成為電網(wǎng)企業(yè)一直想要解決的緊迫問題，亟需一種自動清理裝置來解決目前相對落后的人工作業(yè)方式。

有關(guān)樹障清理方面的報道和研究不多，目前的報道和文獻顯示幾乎所有輸電線路的樹障清理工作都是由人工輔以簡單的作業(yè)工具來完成的[3-5]。也有一些樹障清理設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和輸電線路樹障測量方法的探討[6]。張學(xué)東[7]針對輸電線路樹障砍伐采用人工爬樹繞繩清理效率低的問題，設(shè)計了輸電線路樹障砍伐繞線裝置。鄭耀華[8]提出利用激光測距技術(shù)、H.264視頻解壓縮技術(shù)和混合無線通信組網(wǎng)技術(shù)組成架空輸電線路走廊樹障在線監(jiān)測系統(tǒng)，來降低架空輸電線路走廊內(nèi)樹木生長引起的線路跳閘故障率，減輕線路維護人員巡線工作強度。毛強[9]提出基于機載激光雷達的輸電線路樹障智能測距的基本思路，并依據(jù)試點作業(yè)情況預(yù)測該方法的應(yīng)用前景。吳健成[10]設(shè)計了可視化的樹障管理系統(tǒng)，描述了圖形化的樹障信息管理的結(jié)構(gòu)和功能。但是這些都是針對現(xiàn)行樹障清理方式的技術(shù)輔助，沒有提出更高效的樹障清理解決方案。

隨著對電力系統(tǒng)運營維護成本和效率的要求不斷提高，各類電力機器人的需求也不斷顯現(xiàn)，并引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)工作者的廣泛關(guān)注[11-15]，但是在樹障清理機器人方面的研究成果卻鮮有報道，國外僅有日本和伊朗的學(xué)者對樹障清理機器人進行了開發(fā)。Javier Molina[16-17]基于多旋翼無人機開發(fā)了一款對腳斜鉗子樹障清理機器人，該機器人在作業(yè)前先要用鉗子把機體懸掛在要切割的樹干上，然后再進行切割作業(yè)，清理動作和步驟較多，作業(yè)效率得不到保證。另外由于該機器人的無人機機體上安裝的作業(yè)裝置與機體沒有拉開足夠的空間距離，因此機器人在作業(yè)時必須飛入樹內(nèi)，導(dǎo)致螺旋槳極易受到枝葉的干擾而產(chǎn)生墜機風(fēng)險。N. Azami針對高壓電線附近的樹障威脅開發(fā)了一款基于八旋翼無人機的懸掛鏈鋸機器人[18]，但該機器人中的鏈條結(jié)構(gòu)要求電動機執(zhí)行機構(gòu)需有足夠的轉(zhuǎn)速和扭力，對動力電池和驅(qū)動機構(gòu)要求高。

本文針對以上現(xiàn)狀，重點研究開發(fā)一種適用于樹枝向通道側(cè)向生長或樹枝向通道外傾斜生長等任務(wù)場景的空中機器人，以實現(xiàn)輸電線路通道樹障自上而下或由外向內(nèi)的“剃頭式”大面積快速清理。

1 樹障清理空中機器人設(shè)計

1.1 樹障清理空中機器人結(jié)構(gòu)

本文提供的技術(shù)方案是一種懸掛刀具結(jié)構(gòu)的樹障清理空中機器人，如圖1所示。該機器人包括空中機器人主體平臺和作業(yè)刀具，平臺支架對稱連接在機體上，且平臺支架上連接有多個旋翼組件；平臺的機體的底部通過豎直的連桿與刀具架連接，刀具架上固定連接有刀具電動機，刀具電動機的輸出軸連接作業(yè)刀具；連桿由上連桿、下連桿和保護關(guān)節(jié)組成。

脫鉤機構(gòu)安裝在機體的幾何中心下方，與空中機器人重心的水平投影重合。脫鉤機構(gòu)實現(xiàn)了萬向節(jié)的功能，使其下方部件相對機體擁有前后俯仰和左右滾轉(zhuǎn)的自由度，消除了樹障作用于作業(yè)刀具的俯仰(前后)與滾轉(zhuǎn)(左右)力矩對機體的影響；同時，當(dāng)空中機器人平飛時，機體的前后左右傾斜對作業(yè)刀具的姿態(tài)也沒有影響。

1—旋翼；2—旋翼電動機；3—平臺支架；4—飛行控制器；5—機體；6—刀具動力電池；7—脫鉤機構(gòu)；8—上連桿；9—下連桿；10—折疊關(guān)節(jié)；11—刀具架；12—保護關(guān)節(jié)；13—刀具電動機；14—作業(yè)刀具。

圖1 樹障清理空中機器人結(jié)構(gòu)
Fig.1 The structure of aerial trees-pruning robot

樹障清理空中機器人在懸掛刀鋸桿上配備了保護關(guān)節(jié)，保護關(guān)節(jié)擁有軸向和航向2個方向的機械緩沖自由度，可有效減弱樹障反作用力或力矩以及作業(yè)刀具的振動對空中機器人飛行姿態(tài)的影響。

1.2 樹障清理空中機器人技術(shù)特點

本文所提出的空中機器人設(shè)計方案具有諸多有益于飛行和作業(yè)控制的技術(shù)特點：

a)機體上安裝旋翼組件以及懸垂的作業(yè)刀具，適合于從樹障頂部自上而下或從樹障側(cè)面自外而內(nèi)地實施“剃頭式”大面積快速清理。該技術(shù)可有效避免樹障對旋翼組件的干涉和墜機風(fēng)險，與人工清障相比，可避免操作人員近距離接觸樹障處的高壓輸電線，有效提升清理作業(yè)的效率并降低操作風(fēng)險。

b)將作業(yè)刀具相關(guān)的驅(qū)動部件(包括刀具動力電池)懸掛于空中機器人重心的下方，可降低機器人的整體重心，提升空中機器人飛行的穩(wěn)定性。

c)平臺支架采用折疊方式連接，收納時可有效縮小整機尺寸，便于收納與攜帶。

d)由旋翼組件提供空中機器人升力和進給力并實施姿態(tài)穩(wěn)定與位置控制。相比奇數(shù)片刀具，偶數(shù)片作業(yè)刀具的扭矩平衡更易實現(xiàn)，安全性更好。

e)在相同連桿傾斜角度下，能有效增加作業(yè)刀具的水平推進力，提升樹障清理效率；此外，還增加了連桿下方部件的整體慣性，增強了作業(yè)刀具的姿態(tài)穩(wěn)定性。

f)所設(shè)置的空中機器人保護關(guān)節(jié)具有2個方向的機械緩沖自由度(軸向與扭轉(zhuǎn))，可有效減弱樹障反作用力或力矩對機器人飛行姿態(tài)的影響。

g)在空中機器人作業(yè)刀具無法脫離樹障時，采用脫鉤機構(gòu)實現(xiàn)機體與機體下方部件的快速脫離，從而對飛行平臺實施安全保護。

2 飛行和作業(yè)控制方法

空中機器人通過保護關(guān)節(jié)感知樹障經(jīng)作業(yè)刀具施加在連桿上的軸向力(上壓或下拉)和扭轉(zhuǎn)力矩，一旦達到或超過預(yù)定的保護限值，即自動進入保護模式，令作業(yè)刀具先剎車后反轉(zhuǎn)；同時控制空中機器人向后、向使扭轉(zhuǎn)力矩或軸向力減小的方向運動退出作業(yè)。若上述反作用力或力矩小于預(yù)定的保護限值，則將其作為空中機器人運動微調(diào)的控制輸入?？刂品椒ㄈ缦拢?/p>

a)設(shè)清障時保護關(guān)節(jié)感知的連桿所受軸向力為FZ，拉力為正，相應(yīng)的作業(yè)限值為λZ、不靈敏區(qū)為δZ，其中，λZ>0，0≤δZ<λZ，有：

——若FZ<0，連桿受軸向壓力，控制空中機器人向上微調(diào)高度；

——若FZ<λZ-δZ，控制空中機器人向前運動微調(diào)，使軸向力增大，實現(xiàn)水平自動進給；

——若|FZ-λZ|≤δZ，控制空中機器人保持懸停，水平進給量為0；

——若FZ>λZ+δZ，控制空中機器人向后運動微調(diào)，使軸向力減小，實現(xiàn)水平自動回退。

b)設(shè)清障時保護關(guān)節(jié)感知的連桿所受扭轉(zhuǎn)力矩為MN，相應(yīng)的作業(yè)限值為λN、不靈敏區(qū)為δN，對于偶數(shù)個圓盤鋸，λN=0，δN≥0，有：

——若|MN|>λN，控制空中機器人向使|MN|減小的方向進行航向微調(diào)，實現(xiàn)航向自動平衡調(diào)整；

——若|MN|≤λN，控制空中機器人保持當(dāng)前航向。

c)根據(jù)刀具控制器采集的電動機電流與刀具轉(zhuǎn)速信息，實時評估作業(yè)刀具的過載、卡阻及損傷狀態(tài)，評估方法如下：

——若電動機電流超過電流預(yù)定限值，可判定作業(yè)刀具過載或卡阻。

——若刀具轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)速預(yù)定限值，可判定作業(yè)刀具過載或卡阻。

——若電動機電流或刀具轉(zhuǎn)速出現(xiàn)周期性的脈動，可判定作業(yè)刀具有損傷。原因在于，往復(fù)工作的刀具若存在缺損，其動平衡失調(diào)及所受樹障阻力的周期性變化，將引起刀具轉(zhuǎn)速和電動機電流的周期性脈動。

一旦出現(xiàn)上述任一情況，刀具控制器快速向刀具電動機輸出先剎車后反轉(zhuǎn)指令、向空中機器人輸出后退指令，以實現(xiàn)空中機器人保護性退避，同時通過通信模塊向地面人員發(fā)送安全報警信息。

d)當(dāng)作業(yè)刀具無法脫離樹障時，向脫鉤機構(gòu)7發(fā)送指令使脫鉤機構(gòu)動作，實現(xiàn)脫鉤機構(gòu)下方部件的快速脫離，從而對脫鉤機構(gòu)及其上方的飛行平臺實施安全保護。

3 系統(tǒng)建模與控制律設(shè)計

為了便于樹障清理空中機器人的控制，防止懸掛刀具桿發(fā)生失控，需對機器人進行系統(tǒng)建模，并生成對機器人的控制輸入。對于機器人系統(tǒng)，因刀具系統(tǒng)與機器人本體之間為剛性連接(即2個部件之間沒有自由度)，懸掛刀具空中機器人整體能夠被當(dāng)作一個剛性體。盡管飛行器的坐標系建立和運動學(xué)模型可以采用傳統(tǒng)的多旋翼坐標和運動學(xué)建模方法，但由于樹障清理空中機器人在作業(yè)時懸掛了一套帶有高速旋轉(zhuǎn)的、質(zhì)量不可忽略的鋸片，原有的多旋翼飛行器的動力學(xué)模型已不再適用。本節(jié)將按照機器人的特殊結(jié)構(gòu)和原理重新進行動力學(xué)建模。

3.1 坐標系定義

樹障清理空中機器人的系統(tǒng)建模從坐標系的建立開始，本文采用“北東地”大地坐標系Oe、xe、ye、ze和“前右下”機體坐標系Ob、xb、yb、zb(如圖2所示)，其中Ob表示機體坐標系原點(機器人質(zhì)心)，由于機器人的懸掛刀具模塊具有相對于本體不可忽略的質(zhì)量，故機器人的質(zhì)心位于機腹下方的刀具桿上，xb指向機器人正前方，yb指向機器人右側(cè)，zb指向機器人正下方。

在大地坐標系下，懸掛刀具樹障清理空中機器人的質(zhì)心的位置pe及其線速度υe的定義可以表示為：

圖2 坐標系定義Fig.2 Coordinate system definition

pe=(X,Y,Z)T；υe=(u,v,w)T.

(1)

式中：X、Y、Z分別為大地坐標系下xe、ye、ze軸向的空中機器人的質(zhì)心位置；u、v、w分別為xe、ye、ze軸向的空中機器人的線速度。

(2)

使用式(3)所示的轉(zhuǎn)換矩陣可將機體坐標系轉(zhuǎn)換為大地坐標系。

(3)

機體坐標系下的線速度υb可由υe經(jīng)轉(zhuǎn)換矩陣R變換得到，表達式為

υb=(a,b,c)T=RTυe.

(4)

式中a、b、c分別為機體坐標系下xb、yb、zb軸向的空中機器人的線速度。

(5)

式中：p、q、r分別為繞機體坐標系xb、yb、zb的角速度；W為轉(zhuǎn)換矩陣。

3.2 空中機器人動力學(xué)建模

對懸掛刀具的樹障清理空中機器人建模時，認為機器人是剛體，質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量不變。與傳統(tǒng)多旋翼不同的是，機體除了受重力和螺旋槳拉力，還受到螺旋槳和刀鋸在高速旋轉(zhuǎn)時對機體產(chǎn)生的反向力矩，以及機器人在切割作業(yè)時樹木對刀鋸的作用力。重力沿ze軸定義為正方向，螺旋槳升力沿zb軸定義為負方向。

于是定義1—4號旋翼的升力分別為Fi，i=1，2，3，4。旋翼提供的總升力

(6)

螺旋槳和刀鋸在高速旋轉(zhuǎn)時對機體產(chǎn)生的反向力矩

(7)

式中：ωj分別為4個旋翼的轉(zhuǎn)速和2個刀鋸的轉(zhuǎn)速；cj為各力矩相應(yīng)的力矩系數(shù)。Mj的方向垂直于螺旋槳或刀鋸的旋轉(zhuǎn)平面，如圖3所示。圖3中G為空中機器人的重力，L為多旋翼方形陣列的邊長。

圖3 樹障清理空中機器人動力學(xué)模型Fig.3 Dynamics model of the aerial trees-pruning robot

使用以下旋轉(zhuǎn)矩陣來表示該機器人剛體運動學(xué)模型。

(8)

其中

(9)

式(8)中：g為重力加速度；Fcut為作業(yè)時樹木對空中機器人的作用力；e3為機體坐標系z軸的單位向量；A為機體坐標系角速度ωb的斜對稱形式；J為多旋翼的轉(zhuǎn)動慣量；Ga為陀螺力矩；τ為螺旋槳在機體軸上產(chǎn)生的力矩。

3.3 樹障清理作業(yè)過程

在兼顧樹障清理的安全性和效率的情況下，空中機器人割樹作業(yè)的飛行軌跡可分為上升階段、平飛階段、作業(yè)階段和降落階段，如圖4所示。

圖4 樹障清理空中機器人作業(yè)過程Fig.4 Operation process of aerial trees-pruning robot

空中機器人首先從地面上起飛，進行垂直軌跡飛行；再通過水平飛行靠近作業(yè)區(qū)域，并對樹障進行切割作業(yè)；作業(yè)完成后平飛離作業(yè)區(qū)域；最后降落在著陸點。

3.4 控制律設(shè)計

在上述系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，樹障清理空中機器人的控制律設(shè)計如圖5所示?？刂苹芈凡捎脙?nèi)外環(huán)的控制思想，內(nèi)環(huán)保證機器人在運行過程中保持姿態(tài)的穩(wěn)定，外環(huán)回路控制機體的位置并使軌跡實現(xiàn)對參考軌跡的跟蹤。

圖5 控制律結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Control structure diagram

4 仿真實驗

基于上節(jié)中針對懸掛刀具樹障清理空中機器人的建模與控制，為了驗證該控制理論的控制效果，本文通過Simulink對其在作業(yè)過程中的控制效果進行了仿真，Simulink仿真界面如圖6所示。

為了更精確地模擬樹障清理過程中樹障通過刀鋸對機體的作用力，在時間t=15～18 s時段中，在仿真模型加入一定的噪聲干擾。在模型中通過對樹障清理空中機器人的軌跡跟蹤控制，得到了機器人在切割作業(yè)仿真過程中的位置相應(yīng)曲線，下面分別給出了在大地坐標系下位置坐標X、Y和Z的軌跡，如圖7—9所示。

圖6 Simulink仿真界面Fig.6 Simulink simulation interface

圖7 xe軸位置響應(yīng)Fig.7 Position response of xe axis

圖8 ye軸位置響應(yīng)Fig.8 Position response of ye axis

圖9 ze軸位置響應(yīng)Fig.9 Position response of ze axis

從圖7—9的位置跟蹤效果來看，樹障清理空中機器人通過垂直飛行與水平飛行模式輪流切換，經(jīng)歷了樹障清理作業(yè)4個階段，完成了對高壓輸電走廊的樹障清理工作。從結(jié)果曲線可以發(fā)現(xiàn)，在樹障清理作業(yè)中的t=15～18 s時段，空中機器人的實時軌跡發(fā)生了一定程度的震蕩，但是總體依然較好地跟蹤了預(yù)定軌跡。因此，仿真結(jié)果的響應(yīng)曲線說明了控制律的有效性，空中機器人能夠穩(wěn)定實現(xiàn)對樹障的清理作業(yè)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于輸電線路的懸掛刀具結(jié)構(gòu)的樹障清理空中機器人，主要內(nèi)容包括：①概述了輸電線路通道樹障清理的背景和技術(shù)現(xiàn)狀；②闡述了樹障清理空中機器人的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點；③描述了樹障清理空中機器人飛行和作業(yè)控制方法；④對樹障清理空中機器人進行了建模與控制仿真驗證。

仿真結(jié)果表明，樹障清理空中機器人的軌跡較好地跟蹤了設(shè)定的參考軌跡，同時整個過程中較好地保持了空中機器人姿態(tài)的穩(wěn)定。因此樹障清理空中機器人可有效提升清理作業(yè)的效率并降低操作風(fēng)險，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的人工清理效率不高、高人工成本和安全風(fēng)險大的問題，為進一步的技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用提供了有利的理論技術(shù)支撐。