姜文東, 湯春俊, 梁加凱, 傅卓君, 秦威南

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司,浙江,杭州 310000;2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司,浙江,金華 321000)

0 引言

高壓線是電力系統(tǒng)中配電環(huán)節(jié)的重要組成設(shè)備。在室外環(huán)境下,高壓線路難免會出現(xiàn)故障問題,而一旦發(fā)生故障,不僅影響了供電可靠性,還由于需要維修人員攀爬到高空,在高壓環(huán)境中進行作業(yè),危險性極高,給維修人員帶來生命安全威脅[1]。在此背景下,為了提升供電可靠性,減少停電帶來的損失,同時降低高壓線路維修的風(fēng)險,提高維修作業(yè)效率,開發(fā)了一種高壓帶電作業(yè)機器人。這種機器人在工作人員的操作下,代替作業(yè)人員進行高壓電路維修,但這種機器人開發(fā)較晚,其控制力并不是很好,容易出現(xiàn)控制偏差,會影響作業(yè)的效率和質(zhì)量[2]。

針對上述問題,如何提高高壓帶電作業(yè)機器人控制性能成為研究的重點。關(guān)于這一問題,很多專家和學(xué)者進行了相關(guān)研究,例如:王凱豐等[3]針對高壓電力廊道巡檢機器人設(shè)計了一種控制系統(tǒng),在該系統(tǒng)中運用了多種傳感器以保證控制效果,但是同時運用多種傳感器時,如何進行協(xié)調(diào)、降低控制系統(tǒng)運行壓力成為一大難題;江維等[4]設(shè)計了一種雙閉環(huán)自主定位控制系統(tǒng),該系統(tǒng)將BP網(wǎng)絡(luò)和視覺伺服相結(jié)合,實現(xiàn)了機械手運行地精準控制,但是雙閉環(huán)處理影響了作業(yè)效率。

結(jié)合前人研究經(jīng)驗,本文基于DPS設(shè)計一種高壓帶電作業(yè)機器人控制系統(tǒng)。DPS是一種數(shù)字像素處理技術(shù),具有很強的圖像捕獲和處理性能,在光線落差較大的環(huán)境中也能有效識別目標物體。將該技術(shù)應(yīng)用到所設(shè)計的控制系統(tǒng)當中,以期提高高壓帶電作業(yè)機器人的控制精度。

1 基于DPS的高壓帶電作業(yè)機器人控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

基于DPS的高壓帶電作業(yè)機器人控制系統(tǒng)框架設(shè)計主要分為3層,即下位機層、中間通信層以及上位機層[7]。

(1) 下位機層。下位機層主要負責(zé)兩部分內(nèi)容,分別是采集信息和執(zhí)行命令。

(2) 中間通信層。中間通信層負責(zé)連接下位機層和上位機層,實現(xiàn)二者之間的交互通信。

(3) 上位機層。上位機層負責(zé)機器人整體控制命令生成、輸出,對下位機層中的各個物理設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制[8]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 DPS攝像機

DPS攝像機為控制系統(tǒng)的“眼睛”,主要作用是為控制指令的生成提供可靠的目標數(shù)據(jù)和障礙數(shù)據(jù)[9]。簡單地說,DPS攝像機起到了數(shù)據(jù)信息采集的作用。與一般的攝像機相比,DPS攝像機抗干擾性更強,采集到的圖像更加清晰,且適合各種場合。DPS攝像機具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2.2 DSP控制芯片

控制系統(tǒng)的核心是DSP控制芯片,其性能直接影響控制系統(tǒng)的控制效果[10]。本系統(tǒng)中的控制芯片為DSP控制芯片,該芯片以TMS320F2812 為MCU,主頻高達150 MHz,具有集成性強、性能強、運算效率高等優(yōu)點。控制芯片硬件組成框圖如圖1所示。

1.2.3 電機

電機的作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,以驅(qū)動機器運動,是動力來源[11]。本控制系統(tǒng)的電機為雷賽步進電機 57HS22-A,該電機相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 雷賽步進電機 57HS22-A參數(shù)表

1.2.4 驅(qū)動器

驅(qū)動器在本系統(tǒng)當中起到的作用是在電機的帶動下驅(qū)動高壓帶電作業(yè)機器人工作[12]。本系統(tǒng)中的驅(qū)動器為DM542,該驅(qū)動器具體功能特點如下:

(1) 低導(dǎo)通電阻RDS(ON),2.5 A峰值電流輸出;

(2) 支持插補細分功能,自動插補到256細分;

(3) 支持電壓衰減,靜音工作,圓滑運動;

(4) 兼容3.3 V和5 V邏輯電平;

(5) 過熱關(guān)斷功能;

(6) 輸出過流保護。

1.2.5 無線通信模塊

無線通信模塊是下位機和上位機連接的載體,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳和控制指令下達[13]。本系統(tǒng)中的無線通信模塊為UT-930-ZigBee,它具有通信距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活、收發(fā)一體、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點和特性。模塊內(nèi)置天線,覆蓋范圍可達30英尺,支持4 Mibit/s高速連傳,默認波特率為9600。

1.3 系統(tǒng)運行程序設(shè)計

本文所設(shè)計系統(tǒng)包括3個關(guān)鍵程序,即作業(yè)目標識別程序、作業(yè)規(guī)劃程序、位置控制程序[14]。下面針對這3個程序進行具體分析。

1.3.1 作業(yè)目標識別程序

作業(yè)目標識別程序是控制系統(tǒng)的首要程序,后續(xù)所有程序的運行都是參照該程序識別出的作業(yè)目標進行的。作業(yè)目標識別程序以DPS攝像機采集到的圖像為基礎(chǔ),對圖像進行預(yù)處理,提取作業(yè)目標特征,利用YOLOv3算法進行作業(yè)目標分類識別。具體過程如下。

步驟1 DPS攝像機初始化。

步驟2 DPS攝像機參數(shù)標定。

步驟3 拍攝圖像。

步驟4 圖像上傳。

步驟5 圖像預(yù)處理:①圖像灰度化;②圖像去噪;③圖像增強。

步驟6 圖像分割。

步驟7 利用Ratio算法進行目標特征提取,包括紋理特征、幾何特征等。

步驟8 基于提取的特征,利用YOLOv3算法進行作業(yè)目標分類識別。

在明確作業(yè)目標指標之后,確定圖像中目標中心點的坐標,然后將其代入攝像機成像模型當中,計算出該作業(yè)目標的三維坐標。

1.3.2 作業(yè)規(guī)劃程序

作業(yè)規(guī)劃程序基于作業(yè)目標的三維坐標,規(guī)劃高壓帶電作業(yè)機器人的最佳運行路徑。最佳路徑的規(guī)劃以時間最優(yōu)為目標,建立數(shù)學(xué)模型:

(1)

采用粒子群算法對上述構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進行求解,具體求解流程如圖2所示。

圖2 粒子群算法求解流程

1.3.3 位置控制程序

位置控制程序基于作業(yè)規(guī)劃方案,控制帶電作業(yè)機器人執(zhí)行命令,進行高壓線路修護?？刂瞥绦蛉鐖D3所示。在高壓帶電作業(yè)機器人位置控制程序中,模糊PID控制器是關(guān)鍵,主要作用是不斷調(diào)整機器人實際運行位置,使得與預(yù)期之間的偏差不斷減小,以提高機器人運行準確性。

圖3 高壓帶電作業(yè)機器人位置控制程序

如圖3所示,利用上文求得的高壓帶電作業(yè)機器人作業(yè)方案設(shè)置控制指令,規(guī)劃機器人當前位置,檢測其目標位置,利用模糊PID控制器對機器人各關(guān)節(jié)進行調(diào)節(jié),當機器人當前位置與目標位置之間誤差為0時,輸出高壓帶電作業(yè)機器人位置控制結(jié)果。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

2.1 系統(tǒng)測試環(huán)境搭建

以一個六自由度帶電作業(yè)機器人為控制對象,結(jié)合地面基站,基于所設(shè)計的控制系統(tǒng),對某處高壓線路進行更換作業(yè),如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)測試環(huán)境

六自由度帶電作業(yè)機器人基本技術(shù)指標如表3所示。

表3 六自由度帶電作業(yè)機器人基本技術(shù)指標

2.2 控制參數(shù)設(shè)置

高壓帶電作業(yè)機器人控制參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 高壓帶電作業(yè)機器人控制參數(shù)

2.3 高壓帶電作業(yè)機器人作業(yè)最佳路徑

粒子群算法參數(shù)設(shè)置如下:粒子群范圍為20;粒子學(xué)習(xí)能力影響因子為2.0;控制因子為5;慣性影響因子為0.5;最大迭代次數(shù)為500次。利用粒子群算法求解高壓帶電作業(yè)機器人作業(yè)預(yù)期最佳路徑,結(jié)果如圖5所示。

圖5 高壓帶電作業(yè)機器人作業(yè)預(yù)期最佳路徑

由圖5可知,高壓帶電作業(yè)機器人作業(yè)路徑為巡檢路徑,從起始點開始,經(jīng)過巡檢到達終點。

2.4 高壓帶電作業(yè)機器人控制精度

借助MATLAB中的Simulink 工具箱搭建模糊PID控制器,然后在該控制器控制下命令六自由度帶電作業(yè)機器人按照圖5給出的最佳路徑進行作業(yè)。實際作業(yè)路徑如圖6所示。

圖6 六自由度帶電作業(yè)機器人實際作業(yè)路徑

將圖6與圖5進行對比,計算2條曲線之間的擬合優(yōu)度,結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,帶電作業(yè)機器人實際作業(yè)路徑與預(yù)期最佳路徑之間的擬合優(yōu)度基本維持在0.9以上,說明本系統(tǒng)的控制效果較好,使得帶電作業(yè)機器人運行路徑接近預(yù)期,控制精度較高。其中,擬合優(yōu)度取值0～1,越靠近1,說明機器人運行越靠近預(yù)期,其控制效果越好。

圖7 擬合優(yōu)度

3 總結(jié)

高壓線路維護是一項復(fù)雜且危險的工作,帶電作業(yè)機器人的開發(fā)和應(yīng)用提高了高壓線路維護工作效率,降低了工作危險性。然而,目前帶電作業(yè)機器人的控制效果較差,經(jīng)常與預(yù)期存在偏差。針對上述問題,本文設(shè)計了一種基于DPS的高壓帶電作業(yè)機器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于DPS確定作業(yè)目標,然后針對目標設(shè)計最佳運行線路,最后在模糊PID控制器控制下實現(xiàn)機器人高精度控制。通過系統(tǒng)實現(xiàn)與測試,證明了所設(shè)計系統(tǒng)的控制精度。然而,本系統(tǒng)仍有一些工作需要繼續(xù)完善,即操作功能需要進一步擴展、自動化程度有待提高。