袁興宇,唐立軍,楊家全,嚴(yán)玉廷,馮勇

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明 650000)

1 引言

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)中非常重要的設(shè)施，但由于長期暴露在外，受各種外界因素和不可抗力的多重影響，極易出現(xiàn)故障問題，輸電線路的檢測變得極為重要，因此高壓輸電線路的定期檢測維修是供電安全的保障，可通過巡檢機器人降低人力物力消耗，來對輸電線路進(jìn)行實時跟蹤監(jiān)測。在導(dǎo)航模式下，磁軌跡導(dǎo)航是巡檢機器人常用的技術(shù)，機器人前端的傳感器能夠感應(yīng)機器人行駛路徑，若其偏離軌道，就會調(diào)整機器人兩輪差速控制機器人回到原來的軌道。但是如果在干擾強的情況下，很容易出現(xiàn)定位精度不高的情況，而且軌道長時間裸露在外，也會導(dǎo)致軌道損耗加快。因為實時位置無法準(zhǔn)確地反饋給控制室，操作人員也很難進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，這也是機器人最大的缺點。

文獻(xiàn)[1]對巡檢機器人建立了控制系統(tǒng)的數(shù)字模型，并且利用變換數(shù)值方法設(shè)計模糊控制器。當(dāng)機器人的行駛軌跡與規(guī)定軌跡偏差特別大的時候，使用模糊控制器將機器人帶回規(guī)定軌道上。實驗結(jié)果被證明，模糊控制器對機器人的行駛軌跡控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的控制方法要精準(zhǔn)，且定位原理簡單可靠，但是存在人工鋪設(shè)磁道、地面處理工作量大的問題。文獻(xiàn)[2]提出一種針對關(guān)節(jié)機器人的軌跡跟蹤控制方法，基于前饋控制的思想，設(shè)計常規(guī)PID 控制的前饋補償項，實驗結(jié)果表明，該控制方法能保證系統(tǒng)良好的軌跡跟蹤性能，并能有效抑制干擾，與常規(guī)PID 控制效果相比，具有更好的控制和跟蹤性能。有效地提高了系統(tǒng)的跟蹤性能，可將該方法應(yīng)用于GR-II型雙關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)定位路徑靈活性和抗干擾能力較差。

基于上述研究，本文提出一種基于無線傳感器的電力巡檢機器人軌跡跟蹤研究。其定位原理是充分考慮變電站外界環(huán)境因素的影響，設(shè)計雙磁傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)，使機器人始終在給定的檢測路徑上行走。仿真實驗結(jié)果表明：本文方法對巡檢機器人軌跡跟蹤定位精度高，重復(fù)性好，抗干擾能力強。

2 無線傳感器下電力巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計

輪式移動機器人可以通過采集電力設(shè)備運行狀態(tài)等信息，去監(jiān)控電力設(shè)備是否存在缺陷和是否有異常物體等。這樣就可以對無人看管的變電站進(jìn)行高壓設(shè)備進(jìn)行巡檢，保證安全生產(chǎn)[3-4]。這就是電力巡檢機器人的工作模式。

2.1 機器人遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)

變電站位于戶外，電壓高，電磁干擾強，準(zhǔn)確地控制和導(dǎo)航，可以確保巡檢機器人工作時平穩(wěn)運行。機械結(jié)構(gòu)作為巡檢機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，更是巡檢機器人適應(yīng)高壓線路環(huán)境、完成作業(yè)要求的關(guān)鍵技術(shù)之一[5-6]。TCP連接建立及數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)切換如圖1所示。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

變電站巡檢機器是一種輪式移動機器人，能夠獨立或遠(yuǎn)程控制非運行變電站內(nèi)的外部高壓設(shè)備，收集電氣設(shè)備運行信息，快速察覺電氣設(shè)備出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，確保電力生產(chǎn)安全的安全性能。

巡檢機器人的功能模塊如圖2所示。

圖2 巡檢機器人功能模塊

變電站內(nèi)路面為水泥地面，機器人速度為0．4～1m/s，根據(jù)巡檢機器人的工作環(huán)境和機動性要求，設(shè)計底盤，如圖3所示。底盤采用四輪支撐、兩輪差速驅(qū)動：兩個萬向輪5 安裝在底盤前部，兩個驅(qū)動輪1安裝在底盤后部。通過兩個驅(qū)動輪的輪速差可以實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)向。為了使機器人上下山有在斜坡上翻倒的危險，請將較重的部件(如電池組4)放在機箱的中間。激光雷達(dá)8安裝在底盤前端，用于檢測機器人前進(jìn)方向是否有行人、電線桿等防止碰撞障礙物[7-8]。

圖3 巡檢機器人底盤結(jié)構(gòu)

兩個驅(qū)動輪采用中空充氣橡膠輪胎，減輕了車身重量，增強了減震效果。該底盤具有轉(zhuǎn)彎半徑小、靈活性強的優(yōu)點。

兩個磁性傳感器安裝在底盤的前部和后部，當(dāng)機器人運行時，磁傳感器連續(xù)感測位于檢測路徑上的磁條信息[9]。垂直于磁條上方的采樣點可以感應(yīng)到磁條信號并輸出相應(yīng)的狀態(tài)，機器人控制系統(tǒng)可以獲得車體軸線與已建立的檢測路徑的偏差，并調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的速度，能夠保證機器人一直在規(guī)定路線上行駛。磁條一般選用永久磁鐵，能夠不受外界環(huán)境影響。本文設(shè)計的系統(tǒng)在機器人本體的前部和底部安裝了一個磁性傳感器。

為了保證機器人有更強的越障能力，能夠適應(yīng)各種環(huán)境，一般采用四輪履帶底盤的結(jié)構(gòu)，整車采用24V鋰電池供電。

3 電力巡檢機器人軌跡跟蹤

為了完成巡查、越障等多種作業(yè)，需要考慮不同作業(yè)任務(wù)的不同作業(yè)軌跡。因此，在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行初始規(guī)劃，檢查機器人的運動軌跡是否與障礙物相撞，并進(jìn)行調(diào)整[10]。

電力巡檢機器人軌跡跟蹤要求機器人具有一定的智能。產(chǎn)生式推理系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種智能控制方法。它以規(guī)則的形式存儲一些已有知識。

3.1 機器人運動數(shù)學(xué)模型建立

機器人運動學(xué)分析包括正運動學(xué)分析和逆運動學(xué)分析。正運動學(xué)分析是根據(jù)給定的機器人關(guān)節(jié)變量求解機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)；逆運動學(xué)是根據(jù)給定的機器人末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)求解機器人關(guān)節(jié)變量。由于本文主要研究的是正向運動的控制，故不進(jìn)行逆運動學(xué)分析。

控制機器人的運動就是控制機器人各桿件和關(guān)節(jié)之間的相對位置、速度和力[11-12]。因此，機器人運動數(shù)學(xué)模型是運動控制的基礎(chǔ)。

在客戶端的控制命令一共編制了18 個字節(jié)數(shù)，保證機器人能夠進(jìn)行前進(jìn)、后退、停止和多檔調(diào)速的工作，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 機器人運動控制指令格式

在平面坐標(biāo)系內(nèi)，機器人的位置信息為Rob=[x，y，q]T，其中x，y為平面坐標(biāo)，θ所描述的是機器人實際控制角。為了簡化控制，將機器人的軌跡分為兩部分有直線運動和圓弧運動兩種。對于復(fù)雜曲線，采用這兩種曲線進(jìn)行擬合。給出了圓弧移動時圓心和半徑，圓心為Ro=[xo，yo，0]T，半徑為R，速度為V，旋轉(zhuǎn)角為△θ。機器人運動的數(shù)學(xué)模型如圖4所示，則旋轉(zhuǎn)矩陣為：

機器人轉(zhuǎn)過角度△I=[0，0，Dq]T之后，為。并且：

機器人運動模型如圖4所示。

圖4 機器人運動數(shù)學(xué)模型

3.2 自適應(yīng)魯棒滑模變結(jié)構(gòu)軌跡跟蹤算法

通過設(shè)置位置控制率，采用自適應(yīng)魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，對機器人進(jìn)行坐標(biāo)跟蹤。假設(shè)理想軌跡為[xd，yd]，實時位置為[x，y]，那么位置誤差為[xe，ye]=[x-xd，x-yd]。將其代入到式(1)中即可得出公式為：

3.2.1 位置控制率

(1)對于X軸控制率設(shè)計為：假設(shè)u1=υ cos θ，取滑模變結(jié)構(gòu)函數(shù)s1=xe，經(jīng)過求導(dǎo)可獲得，設(shè)計控制了為。其中，k1＞0，可得出。

構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)，其公式為：

經(jīng)過求導(dǎo)運算，得出公式即：

因為k1＞0，所以成立≤0，系統(tǒng)穩(wěn)定。

(2)對于Y軸控制率設(shè)計為：假設(shè)u2=υ cos θ，取滑模變結(jié)構(gòu)函數(shù)s2=ye，經(jīng)過求導(dǎo)可獲得，設(shè)計控制了為。其中，k2＞0，可得出。

構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)，其公式為：

經(jīng)過求導(dǎo)運算，得出公式即：

因為k2＞0，所以≤0 成立，系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)上述方程可以得出實際位置控制率即：

式中，理想控制角θd與系統(tǒng)運行過程存在誤差，需要設(shè)計姿態(tài)控制率，使實際控制角與理想控制角的誤差為0。

3.2.2 姿態(tài)控制率

假設(shè)理想角與實際控制角的誤差為θe=θ-θd，取滑模函數(shù)s3=θe，得到導(dǎo)數(shù)為：

設(shè)計滑模姿態(tài)控制率即：

構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)，其公式為：

經(jīng)過求導(dǎo)運算，得出公式即：

利用柯西-施瓦茨不等式，能夠獲得公式為：

因為k3＞0，所以≤0成立，系統(tǒng)穩(wěn)定。

由于變電站巡檢路徑中的路徑大多為直線，機器人運行路徑可簡化為直線路徑。對于交叉路線中的長距離轉(zhuǎn)彎，可采用多條直線路徑代替。每個路徑可以相互連接，以確定機器人的運行路徑。根據(jù)路徑點的不同，定義機器人的運行路徑，從而靈活地確定機器人的運行路徑。針對變電站路徑的特點，利用后臺監(jiān)控軟件和機器人運動控制器完成導(dǎo)航任務(wù)：當(dāng)巡檢機器人在導(dǎo)航任務(wù)中運行到預(yù)定路徑的目的地時，將“機器人無路徑運行”的異常信息發(fā)送給后臺監(jiān)控軟件。異常處理完成后，后臺監(jiān)控軟件將導(dǎo)航任務(wù)中的下一條路徑信息發(fā)送給機器人運動控制器，機器人運動控制器相互配合完成整個檢測任務(wù)的軌跡跟蹤。該后臺監(jiān)控軟件管理系統(tǒng)登錄頁面如圖5所示。

圖5 后臺監(jiān)控軟件管理系統(tǒng)登錄頁面

4 軌跡跟蹤仿真實驗

為了驗證基于無線傳感器的電力巡檢機器人軌跡跟蹤的效果及可行性，設(shè)計仿真實驗。在實驗過程中，首先在室外環(huán)境中布置導(dǎo)航標(biāo)志點，在全球坐標(biāo)系中精確測量每個導(dǎo)航標(biāo)志點的位置坐標(biāo)并存儲在NAV200系統(tǒng)中；然后通過后臺監(jiān)控計算機將導(dǎo)航任務(wù)數(shù)據(jù)傳送給機器人運動控制器，使機器人能夠沿著導(dǎo)航任務(wù)設(shè)置的路線穩(wěn)定運行。運行系統(tǒng)為Windows 10。實驗參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 軟硬件環(huán)境配置

根據(jù)上述環(huán)境，檢測電力巡檢機器人軌跡跟蹤定位精度，其計算公式如下：

式中，n表示檢測電力巡檢機器人軌跡跟蹤定位數(shù)量；v表示電力巡檢機器人軌跡的實際定位數(shù)量；v′為電力巡檢機器人軌跡的預(yù)測定位數(shù)量。根據(jù)公式計算電力巡檢機器人軌跡跟蹤定位精度分布允許誤差值如表3所示。

表3 電力巡檢機器人軌跡跟蹤定位精度分布等級表

以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行與傳統(tǒng)兩種方法對比，當(dāng)準(zhǔn)確性指標(biāo)值在5%以下并且區(qū)段誤差在0．2以下時，為準(zhǔn)確性一級，誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)。根據(jù)公式(14)計算，文獻(xiàn)[1]方法的誤差值為9．7%，屬于第二等級誤差；文獻(xiàn)[2]方法誤差值為9．6%，同樣屬于第二等級誤差；而本文方法的誤差值為0．7%，屬于誤差第一等級，說明本文方法定位精度較高。

將人工測量的空氣溫度、空氣濕度、光照強度和客戶端測量值進(jìn)行比較。巡檢機器人數(shù)據(jù)測試實驗結(jié)果如表4所示。

表4 巡檢機器人數(shù)據(jù)測試實驗結(jié)果

從表4中可以看出，人工測量值和客戶端測量值偏差很小，所以巡檢機器人完全可以代替人工巡檢，提高工作效率。

在無線傳感器環(huán)境下建立了檢測機器人模型。假設(shè)理想軌跡方程為xd=t，yd=sin(0．5x)+0．5x+1。η=0．1，k1=k2=0．3，k3=3，初始位置值為坐標(biāo)原點，同時利用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法以及本文方法做對比，比較不同方法電力巡檢機器人軌跡跟蹤結(jié)果，具體如圖6所示。

圖6 電力巡檢機器人軌跡跟蹤仿真結(jié)果

由圖6可知，文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法在電力巡檢機器人軌跡跟蹤線路與實際運行軌跡偏離較遠(yuǎn)，而本文方法在電力巡檢機器人軌跡跟蹤控制中與實際運行軌跡相差不大，其原因是本文方法對于電力巡檢機器人交叉路線中的長距離轉(zhuǎn)彎，采用了多條直線路徑代替，每個路徑可以相互連接，確定了機器人的運行路徑，且根據(jù)路徑點的不同，定義了電力巡檢機器人的運行路徑，從而靈活地確定電力巡檢機器人的運行路徑，一定程度上使本文方法的運行軌跡與實際運行軌跡相符。

為了進(jìn)一步驗證基于無線傳感器的電力巡檢機器人軌跡跟蹤的可行性，將機器人帶到規(guī)定路線外大概30米處，機器人在獲得定位信息后，通過兩輪差速自行回到了規(guī)定軌跡上，并按預(yù)定軌跡繼續(xù)運行，使巡檢機器人系統(tǒng)具有良好的跟蹤能力。在得到機器人的準(zhǔn)確定位后，機器人開始按照規(guī)定的軌跡工作。利用公式(3)分別計算文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法以及本文方法的x軸誤差和y軸誤差與角度誤差，其實際的x軸誤差和y軸誤差與角度誤差的對比波形圖如圖7所示。

圖7 不同方法誤差波形圖

由圖7可知，利用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法和本文方法分別對x軸、y軸以及角度誤差進(jìn)行驗證發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的運行誤差與實際誤差相差較大，而本文方法x軸、y 軸以及角度誤差相差較小。在實際過程中，根據(jù)具體情況以及規(guī)律，推算出解決當(dāng)前誤差形勢的最佳途徑。綜上所述，運用自適應(yīng)魯棒滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的巡檢機器人系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效地跟蹤理想曲線，且誤差較小，具有良好的控制效果。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于無線傳感器的電力巡檢機器人軌跡跟蹤研究，設(shè)計了雙磁導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并對電力巡檢機器人進(jìn)行遠(yuǎn)程測控，根據(jù)機器人位置和給定軌跡之間的偏差，通過自適應(yīng)魯棒滑模變結(jié)構(gòu)軌跡跟蹤算法分配左右驅(qū)動輪的速度，最終完成軌跡跟蹤。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)縱向機動軌跡指令的穩(wěn)定跟蹤，能夠有效減少軌跡跟蹤誤差。