杜 沖,陳昌進,許 鋒,趙曉偉

(浙江海寧軌道交通運營管理有限公司,浙江 海寧 314400)

為保證列車平穩(wěn)運行,軌道專業(yè)人員需要定期對軌道幾何尺寸進行檢查。目前靜態(tài)檢查的主要工具為普通軌距尺,存在工作量大、效率低、誤差大等缺點。為減少以上弊端,研發(fā)出一種高精度且具備自動巡航功能的軌道智檢小車十分必要。近年來,隨著智能技術(shù)的發(fā)展,軌道巡檢機器人得到廣泛應用,大幅度提高了軌道巡道工的工作效率和線路的檢測精度,為保障軌道交通運輸安全做出重要貢獻。目前,國內(nèi)推出的軌道巡檢機器人普遍采用基于直流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)對驅(qū)動電機進行控制,如孔健生等[1]針對電壓不平衡工況,提出一種適用于CLLC型交直流母線接口變換器的控制策略,可保證三相電流平衡;范子彥等[2]基于模糊比例積分微分(PID)控制,利用直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對油茶果采摘機閥控液壓馬達進行控制,解決了機器人在電壓或轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大波動時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和的問題;羅繼曼等[3]基于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與偏差耦合協(xié)調(diào)控制策略,自動修正機器人的運動姿態(tài),實現(xiàn)了機器人的協(xié)調(diào)運動控制;張?zhí)煊畹萚4]在基于逆動力學的雙閉環(huán)模糊PID控制策略下,對平腳輪式全向移動平臺的運動控制進行設計,能夠快速使機器人速度到達期望速度;沈顯慶等[5]根據(jù)P+前饋控制原理,設計了一種雙閉環(huán)P+前饋控制算法,能夠快速跟隨機器人規(guī)劃的路徑。但在實際應用中,由于軌道巡檢機器人工況復雜,不同工況下參數(shù)設置不同,且其實際運行速度隨時間變化呈現(xiàn)出非線性特征,若采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制難以對速度偏差較大的機器人進行準確實時控制。模糊PID控制算法,既可以控制線性系統(tǒng),也可控制非線性系統(tǒng),因此利用模糊PID控制的優(yōu)勢,對軌道巡檢機器人速度控制參數(shù)進行實時優(yōu)化。

1 巡檢機器人整體方案

巡檢機器人主要用于軌道情況檢測,結(jié)合其功能參數(shù)要求,本文對其總體方案框架進行設計,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框架

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器(PLC)進行協(xié)調(diào)分工,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,PLC相關參數(shù)見表1[6]。

表1 PLC相關參數(shù)

圖2 機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 運動執(zhí)行系統(tǒng)設計

2.2.1水平驅(qū)動系統(tǒng)

水平驅(qū)動系統(tǒng)是機器人的動力來源,直接影響機器人的性能[7]。由于機器人對運動的平穩(wěn)性要求較高,而直流無刷電機具有良好的制動特性,可實現(xiàn)無極變速,且調(diào)速平穩(wěn),在速度較低時也能保持大轉(zhuǎn)矩,因此本文選用直流無刷電機作為水平驅(qū)動系統(tǒng)的動力來源。其中,直流無刷電機質(zhì)量為7 kg,最大運行速度為0.6 m/s,加速時間為0.5 s,驅(qū)動輪半徑為30 mm。

基于以上確定的電機型號,在運行過程中,當軌道水平時,軌道巡檢機器人受到阻力Fs:

Fs=μmg

(1)

式中:μ為電機驅(qū)動輪與導軌間的摩擦系數(shù),取值0.1;m為驅(qū)動電機質(zhì)量,取值7 kg;g為重力加速度,取值9.8 m/s2。由此可得,Fs=6.8 N。

當軌道存在一定坡度θ(θ≤30°)時,機器人會受到爬坡阻力,則滾動摩擦力F1可表示為:

F1=mgsinθ+μmgcosθ=40.26(N)

(2)

由表2可知,機器人需要在啟動后0.5 s內(nèi)從0加速到以35 m/min的速度行駛,其加速度a和加速阻力F2大小為:

表2 電機速度測試值 單位:r/min

a=(V0-0)/t0=1.17(m/s2)

(3)

F2=ma=8.17(N)

(4)

式中:V0為最大運行速度,t0為從0開始到最大運行速度的時間。

由式(1)～(3)可得機器人運行時總阻力F:

F=Fs+F1+F2=54.34(N)

(5)

且電機的減速比i滿足:

i≤2πnr/V0

(6)

式中:n為電機轉(zhuǎn)速,取值1 800 r/min;r為驅(qū)動輪半徑。

由此可得i≤12.69,差速機構(gòu)傳動效率為0.97,電機提供的牽引力矩T=0.12 N·m,即電機應選用B2-10L18-8D,配套減速機選用2GN-10K,同時選用小功率的BLD-5驅(qū)動器作為直流無刷電機驅(qū)動器。

2.2.2升降驅(qū)動系統(tǒng)設計

升降機構(gòu)通過搭載攝像機記錄軌道巡檢現(xiàn)場情況,并將采集的圖像傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺。根據(jù)軌道巡檢機器人工作需求,升降驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)如下:定位精度為10 mm,可旋轉(zhuǎn)角度為360°,俯仰角度為120°,升降高度為30 mm,升降速度為0.1 m/s。

通常情況下,升降機構(gòu)為勻速運動,因此其需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Ta可表示為:

(7)

式中:Q為軸向載荷,取值49 N;P為絲杠導程,mm;η為絲杠機構(gòu)工作效率,取值0.94。已知升降機構(gòu)最大負載質(zhì)量為4 kg,則Ta=0.11 N·m。因此,升降驅(qū)動系統(tǒng)的電機、驅(qū)動器、減速機可選用與水平驅(qū)動系統(tǒng)相同的型號。

2.3 調(diào)速系統(tǒng)設計

調(diào)速系統(tǒng)負責根據(jù)相關指令完成軌道巡檢機器人啟動、加速、減速、停止等動作,具有良好的調(diào)節(jié)能力和啟停特性[8]。軌道巡檢機器人期望在工作時能快速啟動,并在擾動情況下通過自身調(diào)節(jié)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速恒定,達到運行平穩(wěn)的目的。因此,對電機速度的控制采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[9-12]。

2.4 模糊PID控制器設計

2.4.1模糊PID控制基本原理

模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示[13]。圖中,y表示系統(tǒng)設定值,精確量;e、ec表示系統(tǒng)偏差及偏差變化率,精確量;E、EC表示經(jīng)過模糊量化處理后的e與ec;U表示控制作用;u表示對U進行模糊判決得到的模糊PID控制器輸出,精確量;t為時間。

圖3 模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖

2.4.2基于模糊PID的軌道巡檢機器人控制器設計

1)輸入/輸出模糊集確定。

控制器的輸入變量為e和ec,輸出為比例、微分、積分環(huán)節(jié)參數(shù)的修正量ΔKP、ΔKD、ΔKI。由于軌道巡檢機器人電機轉(zhuǎn)速范圍為[0,1 800]r/min,因此e和ec的取值范圍分別為[-60,60]和[-12,12],ΔKP、ΔKD、ΔKI的取值范圍分別為[-2,2]、[-2,2]、[-3,3]。為便于建立模糊集合,根據(jù)文獻[14],將輸入和輸出量的取值范圍定義為各量的模糊論域,則控制器的輸入模糊論域為[-6,6],模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}={-6,-4,-2,0,2,4,6},分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大;輸出模糊論域為[-3,3],模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}={-3,-2,-1,0,1,2,3}。

2)隸屬函數(shù)確定。

隸屬函數(shù)的作用是確定速度偏差e所屬模糊子集區(qū)域,其直接影響模糊PID控制器的控制結(jié)果。當速度偏差較小時,應采用高分辨率模糊集合;當速度偏差較大時,應采用低分辨率模糊集合[15]。本文選用三角形隸屬函數(shù)作為控制器的隸屬函數(shù)。

3)模糊控制規(guī)則制定。

模糊控制規(guī)則制定的意義在于根據(jù)相應規(guī)則,實現(xiàn)對相應參數(shù)的調(diào)整。根據(jù)軌道巡檢機器人實際工況可知,將軌道巡檢機器人模糊PID控制規(guī)則分為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB,表示執(zhí)行7個不同的動作。

基于上述分析,模糊PID控制器的控制過程如圖4所示。當速度偏差較小時,系統(tǒng)采用比例積分(PI)控制;當速度偏差較大時,系統(tǒng)采用模糊PID控制。

圖4 模糊PID控制過程

由圖4可知,采用模糊PID控制后,軌道巡檢機器人可在不同環(huán)境下執(zhí)行不同動作。

3 仿真測試

3.1 實驗環(huán)境

為驗證模糊PID控制器是否可行,本次實驗在MATLAB/Simulink中建立仿真模型,如圖5所示。

圖5 模糊PID控制器仿真模型

3.2 結(jié)果與分析

將模糊PID控制器與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制器的控制結(jié)果進行對比,結(jié)果如圖6所示。由圖可知,空載和負載狀態(tài)下,模糊PID控制器效果均優(yōu)于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制器效果;當機器人電機空載時,模糊PID控制器響應時間更短,運行速度更加穩(wěn)定,超調(diào)量趨于0;負載狀態(tài)下,模糊PID控制速度波動幅度更小。由此說明,在模糊PID控制下,電機抗干擾能力更好,可較快恢復速度,即模糊PID控制器設計合理,適用于軌道巡檢機器人速度控制。

圖6 不同控制器下電機轉(zhuǎn)速控制的仿真結(jié)果對比

3.3 魯棒性測試

3.3.1實驗平臺

為驗證模糊PID控制器在軌道巡檢機器人中的實際應用效果,結(jié)合軌道巡檢實際工況,將圖1的軌道巡檢機器人硬件配置為:西門子PLC控制器,2個驅(qū)動電機,RFID定位,24 V鋰電池,漫反射光電開關,Rogid-HTIAC型溫濕度傳感器,BITS煙霧傳感器。

3.3.2基于模糊PID控制器的機器人調(diào)速控制測試

采用模糊PID控制器對設計的軌道機器人調(diào)速進行控制,通過驅(qū)動器測速方法,即通過連接驅(qū)動器和PLC讀出脈沖方波頻率,實現(xiàn)速度測算。

實驗采用帶有霍爾傳感器的直流無刷電機,其對應6種狀態(tài)。具體測試方法如下:首先連接驅(qū)動器上的FG接口與PLC輸入端口,當脈沖為低電平時斷開連接端口,當脈沖為高電平時導通連接端口;然后利用PLC中計數(shù)器得到頻率;最后根據(jù)測速公式即式(8),得到電機轉(zhuǎn)速n。

(8)

式中:f為頻率,Hz;p1為電機磁極對數(shù)。

為避免測試結(jié)果的隨機性,實驗時分別在直流電機額定速度為100 r/min低速(n1)、140 r/min中速(n2)、180 r/min高速(n3)3種情況下連續(xù)運行2 min,并將速度平均值作為最終結(jié)果。圖7為采用模糊PID控制器的電機實時運行速度曲線,表2為采用模糊PID控制器測試得到的電機平均速度測試值。

圖7 速度測試值曲線

由以上結(jié)果可知,機器人可自動調(diào)節(jié)電機運行速度,并使電機轉(zhuǎn)速趨近于額定轉(zhuǎn)速。由此說明,本文設計的軌道巡檢機器人滿足速度要求,可實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

綜上所述,本文所設計的基于模糊PID控制器可及時調(diào)節(jié)軌道巡檢機器人速度,有效提升了機器人的響應速度和穩(wěn)定性,滿足系統(tǒng)需求,具有一定的合理性和可行性,可應用于實際軌道巡檢機器人的運動控制。但由于條件限制,本文僅對機器人控制系統(tǒng)進行了測試,未涉及對組裝成完整的機器人機械結(jié)構(gòu)進行測試,在下一步將加強這方面的研究。