王志鋼，姚 強(qiáng)，袁守彬

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司設(shè)備部，長春 130000；2.國網(wǎng)延邊供電公司運維檢修部，延吉 136200）

0 引言

電力為各行各樣運營提供了基礎(chǔ)能源，因此保證電力持續(xù)供應(yīng)是電力公司最主要的業(yè)務(wù)。電力從發(fā)電到最后的配電，需要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié)才能到達(dá)用戶端。在電力輸送過程中，輸電線路、電力鐵塔是必不可少的組成部分。其中，后者主要為了實現(xiàn)后者高空架設(shè)而存在。由此可知，電力鐵塔在電力輸送中發(fā)揮了重要作用。電力鐵塔常常布設(shè)在環(huán)境惡劣的野外，受到自然環(huán)境的影響，鐵塔本身及其所攜帶的各種設(shè)備很容易出現(xiàn)遭受到損壞。面對這種情況，電力公司會定期進(jìn)行檢修工作[1]。以往安全檢修需要人工作業(yè)，不僅費時費力，效率低，還存在高空墜落的風(fēng)險以及鐵塔攜帶的高壓導(dǎo)致的觸電的危險。針對這種情況，電力鐵塔機(jī)器人被發(fā)明出來并被廣泛應(yīng)用，逐漸取代或者部分代替人工進(jìn)行日常巡檢作用。

在電力鐵塔機(jī)器人使用過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)一個問題，即攀爬速度難以控制。速度過快，電力鐵塔機(jī)器人容易失去穩(wěn)定性，降低抓取牢固性，導(dǎo)致機(jī)器人從高空掉落下來；速度過慢，則降低巡檢效率。目前，關(guān)于機(jī)器人的控制方法主要滑?？刂?、魯棒控制、PID控制等三種。其中，滑模控制缺點是容易受到機(jī)器人運動過程中的高頻抖振效應(yīng)影響，控制準(zhǔn)確性低；魯棒控制控制缺點是適應(yīng)性不強(qiáng)，一旦確定控制參數(shù)嗎，就不容易調(diào)整。PID控制的缺點是控制精度不高.并且過于依賴于專家經(jīng)驗。

針對以往控制方法的存在的缺點，應(yīng)用門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出一種新的電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度自動化控制方法。通過該方法以期提高電力鐵塔機(jī)器人攀爬穩(wěn)定性和安全性。

1 電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度自動化控制方法研究

為有效均衡電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度，提出一種基于門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法。方法主要分為三部分，即電力鐵塔機(jī)器人預(yù)期攀爬速度求取、電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度參數(shù)采集、電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度自動化控制實現(xiàn)。下面針對這三個部分進(jìn)行具體分析。

1.1 基于門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人預(yù)期攀爬速度求取

電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度的自動化控制的目的是讓機(jī)器人運動速度能與預(yù)期理想速度的保持一致[2]。當(dāng)攀爬速度超過預(yù)期理想值時，控制機(jī)器人減緩攀爬速度，靠近預(yù)期理想值，當(dāng)攀爬速度低于預(yù)期理想值時，控制機(jī)器人提高攀爬速度，靠近預(yù)期理想值?；谏鲜雒枋?，確定電力鐵塔機(jī)器人預(yù)期攀爬速度是關(guān)鍵。在這里主要分為電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度影響因素確定以及預(yù)期攀爬速度求取兩個步驟。下面進(jìn)行具體分析。

1）攀爬速度影響因素確定

電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度與影響因素之間存在很強(qiáng)的線性關(guān)系，即影響因素為自變量，攀爬速度為因變量，后者隨著前者的改變而改變[3]。由此可知，通過已知自變量參數(shù)，在構(gòu)建的預(yù)測模型下是可以實現(xiàn)預(yù)期攀爬速度預(yù)測的。而在預(yù)測之前，明確影響因素至關(guān)重要。在這里通過計算自變量與因變量之間皮爾森相關(guān)系數(shù)來確定。相關(guān)系數(shù)計算如式(1)所示：

式中，P(X，Y)代表皮爾森相關(guān)系數(shù)；X代表自變量（攀爬速度影響因素）；Y代表因變量（攀爬速度）；cov(X，Y)代表兩個變量數(shù)組的協(xié)方差；SX代表自變量數(shù)組的標(biāo)準(zhǔn)差；SY代表因變量數(shù)組的標(biāo)準(zhǔn)差；E代表期望。

皮爾森相關(guān)系數(shù)取值都在-1.0～1.0之間。根據(jù)系數(shù)值的不同，劃分不同相關(guān)類型，如表1所示。

表1 皮爾森相關(guān)系數(shù)取值含義表

通過皮爾森相關(guān)系數(shù)選出與電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度最為相關(guān)的若干個影響因素，如表2所示。

表2 電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度影響因素

2）預(yù)期攀爬速度求取

以選出的9個影響因素為輸入，通過門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求取預(yù)期理想攀爬速度。門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是深度學(xué)習(xí)模型中的一種。與其他深度學(xué)習(xí)模型相比，該模型收斂速度更快，且更容易進(jìn)行訓(xùn)練[4]。門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看出更新門和重置門是關(guān)鍵，其計算公式如下所示：

式(3)、式(4)中，zt代表更新門；rt代表重置門；xt代表t時刻的輸入值；wxz、wxr分別代表更新門、重置門的權(quán)重；σ代表Sigmoid函數(shù)；ht-1代表t-1時刻隱含狀態(tài)的輸入；fz、fr分別代表更新門、重置門的偏移參數(shù)。?lz、?lr分別代表更新門、重置門的閾值。

最終輸出結(jié)果可以描述為：

式(5)中，Θ代表Hadamard積；zi代表更新門輸出；代表候選隱藏狀態(tài)。

與一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般，在電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度影響因素輸入后，經(jīng)過門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行正向傳播，然后進(jìn)行反向傳播，調(diào)節(jié)權(quán)值和閾值，完成門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。將測試數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，即可求出預(yù)期速度值。

1.2 電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度參數(shù)采集

最后的電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度控制是通過實際與預(yù)期對比誤差來實現(xiàn)的，因此在明確預(yù)期攀爬速度后，還需要明確電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度。在這里主要通過激光測速傳感器來采集電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度。原理是通過向目標(biāo)物體發(fā)送激光束并接收發(fā)射激光束之間的時間差，計算激光測速傳感器與電力鐵塔機(jī)器人之間距離。當(dāng)電力鐵塔機(jī)器人移動一段時間后再次進(jìn)行測距，然后計算前后兩個時刻時的移動距離，最后再根據(jù)移動時間，得到電力鐵塔機(jī)器人的運行速度。原理示意圖如圖2所示。

圖2 電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度求取原理圖

激光測速傳感器與電力鐵塔機(jī)器人之間距離計算如式(6)所示：

式(6)中，L代表距離；v代表激光傳播速度；Δt代表激光運行時間差。

由此計算機(jī)器人與水平地面的高度，計算如式(7)所示：

式(7)中，H代表電力鐵塔機(jī)器人與水平地面的高度；S代表激光測速傳感器與電力鐵塔之間的距離

重復(fù)上述過程，計算下一個時間點機(jī)器人與水平地面的高度，記為H`。

機(jī)器人前后兩個時刻的移動距離計算如式(8)所示：

式(8)中，ΔH代表移動距離。

根據(jù)移動距離以及移動時間差，計算電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度。計算如式(9)所示：

式(9)中，V代表電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度；Tt-1-Tt代表電力鐵塔機(jī)器人移動時間差。

通過激光測速傳感器完成了電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度的求取。

1.3 電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度自動化控制實現(xiàn)

在已知機(jī)器人攀爬工況參數(shù)以及實際、預(yù)期攀爬速度的基礎(chǔ)上，通過模糊PID設(shè)計一種控制器，實現(xiàn)電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度自動化控制[5]。該控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器組成結(jié)構(gòu)

模糊PID控制器實際是一種綜合控制器，主要由兩部分組成，即PID控制和模糊控制。

1）PID控制

PID控制，即比例、積分和微分控制。比例、積分和微分是三種運算，通過這三種運算能夠計算出電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度的控制量?？刂屏坑嬎愎饺缡?10)所示：

其中，

式中，S(t)為機(jī)器人攀爬速度控制量；kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；e(t)為機(jī)器人預(yù)期攀爬速度和實際攀爬速度之間的誤差；a(t)為預(yù)期攀爬速度；β(t)為實際攀爬速度。

2）模糊控制

模糊控制主要由三部分組成，即：

（1）模糊化。將e(t)精確值轉(zhuǎn)化為模糊矢量

（2）模糊推理。通過知識庫推理得出模糊控制量。

（3）去模糊化。將模糊控制量轉(zhuǎn)換回精確值。

將PID控制與模糊控制結(jié)合在一起，對電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度進(jìn)行控制。具體過程如下：

步驟1：根據(jù)e(t)計算誤差變化率，記為ec；

步驟2：讓e(t)和ec分別與量化因子相乘，得到E(t)、EC。

步驟3：判斷E(t)、EC是否超限，若超限，則將其作為上下限值；否則，將E(t)。EC進(jìn)行模糊化處理；

步驟4：查找對應(yīng)的模糊控制表，確定PID三個控制器系數(shù)；

步驟5：根據(jù)PID三個控制器系數(shù)計算對應(yīng)的三個常數(shù)；

步驟6：執(zhí)行PID計算，根據(jù)式(10)得出電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度。

通過模糊PID的不斷調(diào)整和運算，一直讓電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度靠近預(yù)期理想值，以此實現(xiàn)控制。

2 算例分析與測試

為確定所研究方法在電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度方面的控制性能，以滑?？刂啤Ⅳ敯艨刂?、PID控制等三種以往控制方法作為對照組，進(jìn)行算例分析與測試。

2.1 方法測試環(huán)境設(shè)計

以郊外某一個“干字形”電力鐵塔作為對象，搭建測試環(huán)境。該電力鐵搭高40米，其上架設(shè)的高壓線為110kV，人工攀爬檢修非常危險?；诖?，使用電力鐵塔機(jī)器人進(jìn)行巡檢。該機(jī)器人由兩部分組成，即攀爬軀體以及地面控制器兩部分，前者固定在電力鐵搭軀干上，后者在地面進(jìn)行速度控制，如圖4所示。

圖4 方法測試環(huán)境示意圖

2.2 攀爬速度控制預(yù)期方案

在設(shè)定的10min攀爬時間前提下，利用門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算電力鐵搭機(jī)器預(yù)期攀爬速度，并繪制成預(yù)期速度控制曲線，如圖5所示。

圖5 電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度預(yù)期控制曲線

從圖5中可以看出，預(yù)期的電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度是在完成開始加速度之后，能夠一直保持勻速爬行。

2.3 激光測速傳感器選型

選擇ZLS-Px激光測速傳感器獲取電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度參數(shù)。首先將傳感器布置在距離電力鐵塔5m處的開闊地區(qū)，然后啟動設(shè)備，向著電力鐵塔機(jī)器人發(fā)射激光，跟蹤機(jī)器人運動，實時采集攀爬速度。ZLS-Px激光測速傳感器工作參數(shù)如表3所示。

表3 ZLS-Px激光測速傳感器工作參數(shù)表

2.4 攀爬速度控制結(jié)果

在Simulink工具箱中建立四種控制方法的仿真模型，然后對圖4測試環(huán)境中的機(jī)器人進(jìn)行攀爬速度控制，得出控制結(jié)果，并繪制成散點圖，如圖6所示。

從圖6中可以看出，所研究方法、滑模控制方法、魯棒控制方法、PID控制方法等應(yīng)用下，機(jī)器人攀爬速度控制散點均在預(yù)期控制曲線周圍上下波動，但是波動程度存在很大的差異，在一定程度上說明這四種方法的控制效果不同。

2.5 方法控制精度分析

為進(jìn)一步明確不同方法在控制效果方面存在的差異，計算圖6電力鐵塔機(jī)器人實際攀爬速度點與圖5預(yù)期攀爬速度曲線之間的杰卡德系數(shù)，該系數(shù)越大，機(jī)器人攀爬速度越接近預(yù)期，證明方法的控制精度越高。結(jié)果如表4所示。

圖6 電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度控制散點圖

表4 方法的杰卡德系數(shù)表

從表4中可以看出，與其他三種控制方法相比，所研究方法應(yīng)用下，杰卡德系數(shù)更大，說明該方法控制下機(jī)器人攀爬速度更接近預(yù)期，說明該方法的控制精度更高。

3 結(jié)語

綜上所述，為了能夠及時發(fā)現(xiàn)電力鐵塔故障，提出一種基于門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力鐵塔機(jī)器人攀爬速度自動化控制方法。該方法通過門循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求取機(jī)器人預(yù)期攀爬速度，然后通過與實際運動參數(shù)之間進(jìn)行誤差對比，求取控制參量。最后通過測試，所研究方法的杰卡德系數(shù)更大，證明了該方法的控制精度，完成了研究目標(biāo)。