(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

0 引言

隨著電力輸電網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，對(duì)全自動(dòng)化巡檢技術(shù)、智能化運(yùn)維以及新裝備的應(yīng)用提出了更高更迫切的需求。未來十年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備全過程管控要求改變傳統(tǒng)的運(yùn)檢管理模式，打造物物互聯(lián)，智能化設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)預(yù)警和動(dòng)作規(guī)劃泛在型電力物聯(lián)網(wǎng)[1]?；谶@種需求，泛在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用逐步深入到電力系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)，為了解決遠(yuǎn)距離高可靠性的通信問題，最新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)發(fā)揮關(guān)鍵性作用，相對(duì)于zigbee自組網(wǎng)技術(shù)，NBIOT不僅擁有廣聯(lián)接、低功耗和可靠性更高的特性，并且點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸距離大幅度提升。這對(duì)于輸電線路這一領(lǐng)域的應(yīng)用是至關(guān)重要，我國幅員遼闊輸電線路的運(yùn)行空間大，而巡檢和監(jiān)測(cè)裝置有效作業(yè)范圍相對(duì)較小一直以來都是一個(gè)技術(shù)瓶頸。長距離輸電領(lǐng)域中電力線路巡檢機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)研究和應(yīng)用的一個(gè)重要課題，不僅要解決當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人能在障礙物的前后系掛導(dǎo)軌弧形臂以便越過障礙，或是專門設(shè)計(jì)在塔頭架設(shè)在線夾之間的越障橋，幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)長距離連續(xù)巡檢[2]。本研究基于越障橋的本體機(jī)器人設(shè)計(jì)，進(jìn)一步研究開發(fā)成組的協(xié)同作業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)，將多個(gè)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)控制置于新型物聯(lián)網(wǎng)框架中這一類的工程研發(fā)目前在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)十分緊迫。近年來，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量的工作。成果比較突出的是沈陽自動(dòng)化研究所、南方電網(wǎng)公司進(jìn)行了不少電力領(lǐng)域的特種巡檢機(jī)器人的開發(fā)[3]。但是上述機(jī)器人樣機(jī)的耗電量大、陡坡和上下轉(zhuǎn)彎存在困難、在線作業(yè)時(shí)間短，較難適應(yīng)戶外廣域環(huán)境作業(yè)，尤其多機(jī)通訊協(xié)同巡檢能力欠缺，難以做到大規(guī)模實(shí)用化。

針對(duì)耗電量問題，一方面有必要突破現(xiàn)有的機(jī)器人靠自身和融入新一代窄帶物聯(lián)網(wǎng)和5G通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同智能巡檢，另一方面需要設(shè)計(jì)優(yōu)化機(jī)器人本體，減輕重量、提高電池能量密度、優(yōu)化電路的功耗、更新節(jié)能算法以及設(shè)計(jì)更加高效便捷的充電裝置等。為此，本文是立足高速泛在融合技術(shù)，在基礎(chǔ)機(jī)器人基礎(chǔ)上結(jié)合了先進(jìn)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，即NB-IoT。本文設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人是安裝在架空輸電線路上的自動(dòng)巡線設(shè)備，在同一檔內(nèi)或相鄰檔內(nèi)，可能安裝多個(gè)機(jī)器人終端。這樣可以通過協(xié)同控制多個(gè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)廣域作業(yè)范圍的復(fù)雜協(xié)作巡檢操作[4]。因此，提出采用多傳感器數(shù)據(jù)的融合技術(shù)，構(gòu)造基于物聯(lián)網(wǎng)通訊模式的多機(jī)器人協(xié)作體系。實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人同步控制在現(xiàn)代輸電通道的巡檢。有利于進(jìn)一步推進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備管理對(duì)象、感知設(shè)備的規(guī)范管理，實(shí)現(xiàn)各類感知數(shù)據(jù)的共享匯聚和整合應(yīng)用。本文采用的NB-IoT技術(shù)是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，起最大的特色是支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接[5]。本研究即采用小型低功耗的姿態(tài)傳感器和自主研發(fā)的無線網(wǎng)輕量化半實(shí)物調(diào)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型電力線路巡檢機(jī)器人機(jī)身姿態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)控。采用基于多種傳感器的數(shù)據(jù)融合算法，結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將小型電力線路巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的各傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸電線路多機(jī)器人同步運(yùn)動(dòng)控制，為進(jìn)一步全自動(dòng)智能化巡檢提供技術(shù)儲(chǔ)備和參考。

1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于輸電線路的越障機(jī)構(gòu)，本研究中設(shè)計(jì)了橋式跨塔越障結(jié)構(gòu)。經(jīng)過深入的對(duì)比研究，保證高可靠性，絕對(duì)禁止出現(xiàn)墜落，因?yàn)榈鼐€下方就是特高壓輸電線路，所以不宜依賴跨越式的擺臂過塔頭，并且機(jī)器人本體必須加裝防墜落保險(xiǎn)帶裝置。為了提高機(jī)器人在不同檔間的協(xié)同作業(yè)穩(wěn)定性和連續(xù)性，既適應(yīng)了現(xiàn)有電網(wǎng)的鋼塔結(jié)構(gòu)，也可以相對(duì)減輕機(jī)器人的電池重量，一定程度上解決了以往機(jī)器人電池續(xù)航的問題。實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的輕型化和實(shí)用化，另外，越障橋式結(jié)構(gòu)造價(jià)低，安裝維護(hù)也十分方便。

因?yàn)楸疚难芯康恼n題是面向未來多巡檢機(jī)器人，在不同檔距的電線上協(xié)同作業(yè)。所以首先要考慮的是機(jī)器人巡檢工作過程中不僅需要實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人自身姿態(tài)角度，而且需要根據(jù)自身和鄰近機(jī)器人的GPS定位信息進(jìn)行自身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

在機(jī)器人開啟和運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人需要對(duì)系統(tǒng)電源電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，要求如下：

1)主動(dòng)行進(jìn)輪具有位置反饋(關(guān)鍵部位執(zhí)行機(jī)構(gòu)有碼盤反饋)；

2)電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)上傳功能；

3)實(shí)時(shí)將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、以及傳感器信息傳至控制臺(tái)；

4)配備傾角、加速度計(jì)和陀螺儀傳感器，可實(shí)時(shí)獲得機(jī)器人三維姿態(tài)信息；

5)配備高精度的GPS定位模塊，配合高精度姿態(tài)算法將定位精度控制在一米以內(nèi)。

6)機(jī)身搭載壓力傳感器，行動(dòng)輪的限位開關(guān)以及簡(jiǎn)單的氣象和線溫非接觸傳感裝置。

機(jī)器人組的各個(gè)機(jī)器人配置相同，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示；地面控制端部分由主控計(jì)算機(jī)、控制箱體、以及窄帶物聯(lián)網(wǎng)接收端和圖傳數(shù)傳模塊組成[6]。主控平臺(tái)裝有機(jī)器人專用控制軟件，對(duì)于那些需要人工參與的復(fù)雜任務(wù)，操作人員可通過人機(jī)交互界面設(shè)置切換自動(dòng)巡檢或?qū)崟r(shí)人工控制機(jī)器人?；蛘吒卵矙z路徑規(guī)劃，布置機(jī)器人做新的巡檢任務(wù)。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人的本體的關(guān)鍵部分還有輸電線路檢測(cè)模塊，巡檢過錯(cuò)方中可以通過單獨(dú)的檢測(cè)儀對(duì)線路和桿塔絕緣子進(jìn)行電阻和放電檢查，機(jī)身本體還配有超聲波和巡檢攝像頭，便于實(shí)時(shí)觀測(cè)輸電線路、跳線和絕緣子金具的狀態(tài)，并通過高性能數(shù)傳和圖傳模塊與地面控制機(jī)交互。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合

2.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合模型

多傳感器的數(shù)據(jù)融合模型數(shù)據(jù)的融合以及如何通過算法協(xié)同使用多個(gè)傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并且使各個(gè)數(shù)據(jù)能夠有機(jī)融合，互相支撐以獲得對(duì)同一被控對(duì)象的客觀描述以及進(jìn)一步的深入挖掘處理。這里就需要有針對(duì)性的開發(fā)一種具有較大的冗余和智能互補(bǔ)的特點(diǎn)。

在本研究中每一個(gè)機(jī)器人都配備了多種傳感器包括溫度，濕度加速度壓力風(fēng)速等傳感器還有紅外和可見光的叫大數(shù)據(jù)量傳輸設(shè)備對(duì)于一些明顯的輸電線路在線監(jiān)測(cè)故障數(shù)據(jù)。需要與紅外圖像在線識(shí)別功能相配合，達(dá)到更智能化的巡檢效果。例如監(jiān)測(cè)到的溫度有上升明顯的情況要結(jié)合紅外圖像進(jìn)一步確定是哪一種放電情況。應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)融合的模型如圖2，是在美國學(xué)者的JDL數(shù)據(jù)融合模型，以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的一些樣本。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)融合模型

如圖所示數(shù)據(jù)融合過程中，根據(jù)融合系統(tǒng)當(dāng)中數(shù)據(jù)的模式識(shí)別和抽象算法的層次，可以分為數(shù)據(jù)級(jí)傳感器數(shù)據(jù)融合、決策級(jí)抽象數(shù)據(jù)融合和特征級(jí)模式融合[7]。數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)流流向一般按照原始向高級(jí)抽象的順序依次為：多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、原始數(shù)據(jù)預(yù)處理器、特征提取模式識(shí)別計(jì)算模塊以及抽象數(shù)據(jù)融合計(jì)算器。本文正是采用這種結(jié)構(gòu)，對(duì)于多個(gè)智體數(shù)據(jù)源用便于應(yīng)用的加權(quán)平均法進(jìn)一步處理[8]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文所設(shè)計(jì)的鄖縣物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人架構(gòu)中多個(gè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制是通過艾真體的形式來實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，每一個(gè)機(jī)器人被視為一個(gè)智能體。每一個(gè)智能體，都是一個(gè)能夠獨(dú)立完成計(jì)算機(jī)控制的人工智能終端。在此終端中集成大量巡檢人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)體系。智能體是計(jì)算機(jī)學(xué)科與控制學(xué)科的交叉成果。我們也是引薦智能體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)專用的程序來模仿人類從事電力巡檢的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在巡檢的過程中，重點(diǎn)是兩個(gè)機(jī)器人的協(xié)同運(yùn)動(dòng)問題，要完成一個(gè)看似簡(jiǎn)單的動(dòng)作配合，需要有多個(gè)層級(jí)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，因此，作出類似人類的控制決策。我們必須在智能控制器中，加入很多模式識(shí)別算法和產(chǎn)生式規(guī)則，使得控制系統(tǒng)能夠有效運(yùn)作。

智能體技術(shù)，眾所周知是一種分布式的智能技術(shù)一個(gè)智能體，可以在特定的環(huán)境中，完成擬人的某類任務(wù)[9]。例如，我們這個(gè)應(yīng)用中，在戶外的高壓輸電線路。他的地線，環(huán)境運(yùn)行，每個(gè)機(jī)器人能夠獨(dú)立運(yùn)行，也能夠相互配合，運(yùn)行。單個(gè)終端不僅具有信息處理功能，有獨(dú)立的知識(shí)庫，而且具有半自主的學(xué)習(xí)功能，在感知輸電線路環(huán)境，特征變量之后。

經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法的處理生成特定的任務(wù)作業(yè)單。驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行，并且把實(shí)施的數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳到后方控制中心。在這種艾真體系統(tǒng)控制框架下，我們是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)器人智能控制同時(shí)呢，要實(shí)現(xiàn)相鄰機(jī)器人與之配合，滿足最優(yōu)化的條件是在既定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，路徑最短，能量損耗最小，需要對(duì)機(jī)器人的速度和運(yùn)行方向，進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，一句兩個(gè)輸電桿塔，之間擋區(qū)的溫度，傾斜度，濕度，風(fēng)度分?jǐn)?shù)，磁場(chǎng)強(qiáng)度和地理位置進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，得出一個(gè)最優(yōu)的控制方案，進(jìn)而做出類似人工智能的決策，以前很多的控制參數(shù)，視頻巡檢人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定的，而現(xiàn)在的每一個(gè)智能體可以看作是一個(gè)專家系統(tǒng)。這些專家的經(jīng)驗(yàn)，寫成機(jī)器人的內(nèi)部算法。并且可以在不同的智能體，也就是智能群體之中互相交互，共享知識(shí)庫，使得整個(gè)大系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)：本文為實(shí)現(xiàn)多個(gè)巡檢機(jī)器人的組織和協(xié)作，引入了多Agent模式，Agent之間的通訊采用最新型的窄帶物聯(lián)網(wǎng)[10]。多個(gè)機(jī)器人同時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是一個(gè)多Agent的協(xié)調(diào)(Coordination)：滿足系統(tǒng)目標(biāo)或達(dá)到系統(tǒng)的和諧。協(xié)商(Negotiation)：目的是消除沖突，爭(zhēng)取雙贏。協(xié)作(Cooperation) ：目的是完成共同目標(biāo)。結(jié)合多線程技術(shù)和雙通道通信技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)與作用。由于反饋回的線速度不是直接測(cè)得的，而是由加速度計(jì)測(cè)得的某個(gè)方向的線加速度，再經(jīng)兩次積分運(yùn)算得到的,其精度依賴于積分初值和參考坐標(biāo)的矯正，所以準(zhǔn)確性并不是很高。因此控制器的外環(huán)速度補(bǔ)償控制采用高精度的控制配置性價(jià)比不高, 而應(yīng)在保證控制的快速性,重點(diǎn)在于整機(jī)的穩(wěn)定性與魯棒性，再穩(wěn)定運(yùn)行的前提下盡可能提高精度。本設(shè)計(jì)通過GPS模塊實(shí)時(shí)測(cè)算機(jī)器人距離越障橋的距離，在輸電線路上，各個(gè)機(jī)器人都實(shí)時(shí)測(cè)距離并且預(yù)判位置的情況下，通過增加線速度補(bǔ)償控制器和一個(gè)角速度控制器 。依據(jù)速度補(bǔ)償控制器的輸入量為速度誤差。輸出相應(yīng)的電機(jī)速度和功率補(bǔ)償量，本體中各電機(jī)驅(qū)動(dòng)依據(jù)自抗擾非線性控制器原理設(shè)計(jì)。這樣的控制器不需要基于模型的大量數(shù)據(jù)運(yùn)算，能耗要求不高，并且易于配置參數(shù)，尤其適合移動(dòng)類執(zhí)行單元的控制集成。

移動(dòng)機(jī)器人智能體內(nèi)部通訊軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

多Agent系統(tǒng)中應(yīng)用閉環(huán)控制律的多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)算法，多移動(dòng)智體的位置姿態(tài)模型如圖4所示。其控制目的為：在機(jī)器人編隊(duì)運(yùn)行時(shí)，控制機(jī)器人之間的相對(duì)距離和相對(duì)(方位)角度，使之收斂并保持為設(shè)定值。

圖4 多移動(dòng)智體的位置姿態(tài)模型

機(jī)器人行進(jìn)的距離和角度：l和φ滿足如下關(guān)系式：

其中：l是執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器人的行進(jìn)距離，φ是前進(jìn)方向的角度。

若leader-follower兩個(gè)機(jī)器人的編隊(duì)系統(tǒng)遵循l-φ閉環(huán)控制律，且l和φ是漸近穩(wěn)定的。

A=

A和B都是有界參數(shù)，所以系統(tǒng)輸出的無窮范數(shù)有界，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

3 實(shí)驗(yàn)與算法仿真研究

在無線的窄帶物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的實(shí)物機(jī)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)選定的測(cè)試路線進(jìn)行自動(dòng)巡檢功能,所開發(fā)的機(jī)器人如圖5所示。在兩個(gè)相鄰的輸電線路檔內(nèi)各安裝一個(gè)機(jī)器人樣機(jī)，在遠(yuǎn)端模擬發(fā)生待處理操作事件，根據(jù)操作票，兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)向目標(biāo)行進(jìn)，對(duì)其軌跡進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃。過程中觀察并記錄兩巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況。

圖5 輸電線路巡檢機(jī)器人實(shí)物設(shè)計(jì)

對(duì)控制算法的研究與驗(yàn)證過程中，首先對(duì)兩個(gè)機(jī)器人置于同一起點(diǎn)，并設(shè)定相同的目標(biāo)軌跡。每個(gè)機(jī)器人的控制器采用自抗擾非線性控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，得到兩個(gè)機(jī)器人對(duì)單個(gè)共同任務(wù)的軌跡跟蹤效果如圖6所示。

圖6 多機(jī)器人對(duì)單任務(wù)的軌跡跟蹤控制效果

結(jié)果顯示兩個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡能夠迅速跟蹤設(shè)定的軌跡，在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)值，運(yùn)動(dòng)位置偏差如圖7所示。

圖7 單任務(wù)情況下兩機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置誤差

在另一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，將兩個(gè)機(jī)器人賦予不同的目標(biāo)值，同樣從相同的出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，運(yùn)動(dòng)過程中不同的機(jī)器人通過物聯(lián)網(wǎng)的傳感機(jī)制實(shí)時(shí)獲取群體中其它個(gè)體的信息和勢(shì)場(chǎng)信息，并采用本文的協(xié)同控制機(jī)制，使得每個(gè)機(jī)器人在原單個(gè)行動(dòng)的控制算法下，順利完成各自的運(yùn)動(dòng)軌跡。軌跡跟蹤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示：

圖8 多機(jī)器人對(duì)多任務(wù)的軌跡跟蹤協(xié)同控制效果

為對(duì)比運(yùn)動(dòng)控制的效果，在新型物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同控制效果明顯，不僅每個(gè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)各自的任務(wù)，而且軌跡跟蹤的誤差同樣快速收斂，并且總體誤差小于單個(gè)機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行情況，兩機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)的軌跡誤差收斂情況如圖9所示。

圖9 單任務(wù)情況下兩機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置誤差

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用本文提出的控制策略，所設(shè)計(jì)的兩機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)的軌跡誤差不僅沒有增加，甚至還要相對(duì)于單任務(wù)誤差低一個(gè)數(shù)量級(jí)，充分顯示了該雙機(jī)器人控制算法和機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)束語

本文圍繞開發(fā)具有多自由度的兩臺(tái)小型電力線路巡檢機(jī)器人進(jìn)行了研究：采用小型姿態(tài)傳感器和自主研發(fā)的無線半實(shí)物調(diào)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型電力線路巡檢機(jī)器人自身姿態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)控和自動(dòng)巡線功能；并且搭建了基于Simulink的機(jī)身姿態(tài)調(diào)整仿真模型，使用自抗擾控制算法，很好地實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤控制；本文重點(diǎn)研究基于自抗擾控制技術(shù)的多機(jī)協(xié)調(diào)控制策略。同時(shí)考慮到輸電線路環(huán)境的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)機(jī)器人本體中，引入了基于物聯(lián)網(wǎng)框架的多傳感器融合算法。最后通過算法仿真和設(shè)計(jì)制作實(shí)物樣機(jī)，測(cè)試本實(shí)驗(yàn)裝置和控制策略的有效性,實(shí)現(xiàn)了輸電線路多機(jī)器人多任務(wù)同步自動(dòng)巡檢的穩(wěn)定控制。