發(fā)布時(shí)間：2022-03-03所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 目前除冰任務(wù)都局限在一些危險(xiǎn)區(qū)域，路況復(fù)雜，機(jī)器人采集信息零亂，容易產(chǎn)生干擾; 針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)引入無(wú)跡粒子濾波器信息融合思想到除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，研究現(xiàn)有的除冰機(jī)器人的缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種除冰機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了各種非接觸式傳感器的布局
摘要: 目前除冰任務(wù)都局限在一些危險(xiǎn)區(qū)域，路況復(fù)雜，機(jī)器人采集信息零亂，容易產(chǎn)生干擾; 針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)引入無(wú)跡粒子濾波器信息融合思想到除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，研究現(xiàn)有的除冰機(jī)器人的缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種除冰機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了各種非接觸式傳感器的布局結(jié)構(gòu)，為避障提供充足的數(shù)據(jù)來(lái)源; 設(shè)計(jì)了無(wú)跡濾波的信息融合技術(shù)，解決了在外部復(fù)雜環(huán)境中某傳感器信息存在的信息干擾; 以上海某智能信息公司的除冰機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)包括除冰機(jī)器人、YJV22 - 3* 300 電纜，其彎曲直徑為2. 5 m、使用石膏模擬的覆冰、秒表等，對(duì)實(shí)驗(yàn)中傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后使用 Matlab 7. 0 對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確率仿真，仿真結(jié)果表明，這種除冰機(jī)器人的避障準(zhǔn)確率高達(dá) 96. 3% ，在傳感器損壞后，模型恢復(fù)的延時(shí)不超過(guò) 3 s，結(jié)構(gòu)優(yōu)化明顯。
關(guān)鍵詞: 除冰機(jī)器人; 信息融合; 無(wú)跡粒子濾波
0 引言
輸電線路覆冰是電網(wǎng)受到自然災(zāi)害的常見(jiàn)形式，這種災(zāi)害可以引起跳閘、倒桿、大面積停電等冰災(zāi)事故，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行與人們的日常生活帶來(lái)了危害。近些年，我國(guó)的輸電線路受到的冰雪災(zāi)害尤其較多。在保障電力輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程中還不能大量使用專門的除冰裝置，智能使用人工除冰的方式在冰雪環(huán)境下除冰，這樣的方式效率低下，同時(shí)對(duì)電力工人的生命安全帶來(lái)了威脅。智能型的輸電線路除冰機(jī)器人是在無(wú)人控制的情況下在行進(jìn)過(guò)程中智能地避開(kāi)前方的障礙區(qū)，這些障礙物包括絕緣子、防震錘等各種電力器件，順利前進(jìn)的過(guò)程完成除冰作業(yè)。近些年，我國(guó)在除冰機(jī)器人的研究領(lǐng)域展開(kāi)了大量的研究，各大研究所與高校投入了巨大的精力進(jìn)行除冰機(jī)器人的研制，也出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的研究成果[1 - 3]。
1 無(wú)跡粒子濾波的信息融合算法介紹
本文使用了無(wú)跡粒子濾波的信息融合技術(shù)對(duì)除冰機(jī)器人[4 - 6]進(jìn)行優(yōu)化，這種信息融合技術(shù)可以從根本上繞開(kāi)系統(tǒng)線性化的問(wèn)題，假設(shè)除冰機(jī)器人的信息融合時(shí)涉及的干擾為
信息在不斷的采集過(guò)程中，經(jīng)過(guò)無(wú)跡粒子更新濾波器將產(chǎn)生避障信息，控制器通過(guò)避障信息對(duì)電機(jī)與除冰器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不斷向前運(yùn)動(dòng)完成除冰工作。
2 除冰機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2. 1 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
移動(dòng)除冰機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)包括本體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及去冰機(jī)構(gòu)等 3 個(gè)部分。本體機(jī)構(gòu)是除冰機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)部分，包括機(jī)器人前進(jìn)的履帶結(jié)構(gòu)、與輸電線的柔性?shī)A緊機(jī)構(gòu)及爬行的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。本文在除冰機(jī)器人的行進(jìn)中使用了橡膠式的履帶結(jié)構(gòu)，保證行進(jìn)中與輸電線有較大的接觸面積與摩擦，柔性的橡膠可以保證輸電線的表面不易受到損壞，夾緊機(jī)構(gòu)使履帶機(jī)器人對(duì)輸電線的直徑有很好的適應(yīng)性。控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)是除冰機(jī)器人的前進(jìn)與暫停發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)輸電線的破冰。爬行導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)破冰功能，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜的維護(hù)，具體的機(jī)器人的功能劃分為:
2. 2 機(jī)器人履帶部位的硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)
除冰機(jī)器人在行進(jìn)中破冰，其爬行速度要可調(diào)。爬行的速度要根據(jù)覆冰的厚度進(jìn)行調(diào)整，本文中機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)時(shí)的性能初步要求如下: 爬行速度 v < 5m/min ，最大爬行坡度 θ > 60o ，破冰刀轉(zhuǎn)速 t = 300 r/min ，機(jī)器人重量 m < 25 kg。本文設(shè)計(jì)的行進(jìn)機(jī)器人中使用輸電線穿過(guò)上下側(cè)的履帶，設(shè)計(jì)了上下兩體的結(jié)構(gòu)對(duì)輸電線路繞度的變化做出適應(yīng)，如圖 3 所示，上下兩體使用彈性機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，履帶結(jié)構(gòu)包括支架、上下的履帶、履帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)備，通過(guò)底板使用夾緊機(jī)構(gòu)夾緊在上下的輸電線上，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)置的底板的前部與后部。本文的除冰機(jī)器人包括第一履帶結(jié)構(gòu)與第二履帶結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分，主體包括橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)輪與傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)輪固定連接，履帶在驅(qū)動(dòng)下工作，兩個(gè)壓緊輪可以保證履帶與輸電線之間更加緊扣，增加了機(jī)器人的爬行能力。保證除冰機(jī)器人在履帶中安全穩(wěn)定行走少了柔性?shī)A緊機(jī)構(gòu)，輸電線從機(jī)器人的中間部位穿過(guò)后，上下側(cè)的第一、第二履帶夾緊了輸電線，實(shí)現(xiàn)爬行，這種結(jié)構(gòu)的引入可以適應(yīng)不同直徑的輸電線，保證在輸電線上爬行穩(wěn)定:
2. 3 避障模塊設(shè)計(jì)
因?yàn)樵谳旊娋�路被覆冰后重量大大增加，為了防止桿塔不被壓斷，除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量保證輕便，便于攜帶，除冰機(jī)器人還必須具有很強(qiáng)的智能避障能力。除冰機(jī)器人的工作環(huán)境線路為引流線路，一些相連物比如防震錘、絕緣子串、懸垂線位移動(dòng)路徑的障礙物，除冰機(jī)器人的工作環(huán)境可以總結(jié)為強(qiáng)電磁場(chǎng)、半結(jié)構(gòu)化。強(qiáng)電磁場(chǎng)是指機(jī)器人運(yùn)行的環(huán)境線路是處在一種帶電運(yùn)行的線路中，半結(jié)構(gòu)化的環(huán)境是指輸電線路的全局宏觀結(jié)構(gòu)模型是事先可以計(jì)算得到的，但是局部的障礙物分布與類型是未知的，這些局部環(huán)境包括障礙物的位置、機(jī)器人的當(dāng)前位置等。
3 除冰機(jī)器人的外部傳感信息的采集
傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展與更新使得除冰機(jī)器人在數(shù)據(jù)來(lái)源有更多的選擇，也滿足了更為嚴(yán)格的要求，智能除冰機(jī)器人可以使用更高性能與高度集成的傳感器進(jìn)行更為精確地定位與控制，選擇先進(jìn)的傳感器對(duì)周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)機(jī)器人避障的重要部件，機(jī)器人要求傳感器具有更高精度、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，對(duì)一些惡劣的環(huán)境要具有良好的適應(yīng)能力。傳感器的靈敏度、線性范圍、精度要有適度，因?yàn)檩^高的準(zhǔn)確性與靈敏度會(huì)影響系統(tǒng)的工作精度，但是如果不能保證精確性也不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確避障的要求，經(jīng)過(guò)以上的分析，本文選取了激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等非接觸式的傳感器構(gòu)建障礙物的檢測(cè)系統(tǒng)。非接觸式的傳感器是通過(guò)像磁場(chǎng)、光波、紅外線等中間傳遞介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。
4 干擾信息的擬合排除過(guò)程
根據(jù)第一部分的內(nèi)容，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)跡粒子濾波的信息融合算法對(duì)機(jī)器人的行進(jìn)控制和干擾消除，驅(qū)動(dòng)控制器同時(shí)控制著破冰機(jī)構(gòu)刀具的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。除冰機(jī)器人根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過(guò)信息擬合產(chǎn)生避障源數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括此時(shí)機(jī)器人本體距離障礙物的各種信息，配合激光、紅外、超生傳感器信息，根據(jù)除冰機(jī)器人的干擾消除流程圖如圖 5 所示。
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在除冰機(jī)器人的行走中要跨越防震錘、絕緣子、耐張線夾等支撐附件，這些設(shè)備就成為除冰機(jī)器人在路線行走的障礙區(qū)，為跨域這些障礙物，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離智能避障的行走必須能夠基于本身安裝的各種傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別障礙物的信息，完成避障策略的制定與避障動(dòng)作，本文將紅外、激光及超聲等非接觸性傳感器采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)融合后進(jìn)行避障計(jì)算，傳感器被安裝在除冰機(jī)器人的前后左右 4 面，信息融合成為除冰機(jī)器人順利前行的重要基礎(chǔ)。
5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析
為了更好地驗(yàn)證本文的信息融合方法在除冰移動(dòng)機(jī)器人中的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)中，以上海某智能計(jì)算公司的機(jī)器人產(chǎn)品為例，搭建了破冰性能仿真平臺(tái)，測(cè)試的性能包括避障準(zhǔn)確率，破冰速度等關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)包括除冰機(jī)器人、YJV22 - 3* 300 電纜，其彎曲直徑為 2. 5 m、使用石膏模擬的覆冰、秒表等，對(duì)實(shí)驗(yàn)中傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后使用 Matlab 7. 0 對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確率仿真。實(shí)驗(yàn)中分別將電纜設(shè)置為不同的弧度計(jì)算其爬行速度與破冰速度，分別將一些傳感器在不同階段關(guān)閉，計(jì)算其數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確度，使用無(wú)跡粒子濾波器信息融合與標(biāo)準(zhǔn)的粒子信息融合的均方誤差對(duì)比圖如圖 6 所示。
圖 6 中表示的標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波器濾波時(shí)的均方誤差表，濾波器中包含 局 部 濾 波 器 1、局 部 濾 波 器 2 與標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)融合濾波器。
由圖 7 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)無(wú)跡粒子濾波算法更新后的信息融合系統(tǒng)對(duì)信息的測(cè)量均方差較標(biāo)準(zhǔn)的粒子濾波算法更為準(zhǔn)確，針對(duì)不同數(shù)目的傳感器失效，系統(tǒng)在誤差上表現(xiàn)了較為穩(wěn)定的變化曲線，誤差保持在 0. 02 附近，證明該方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)除冰機(jī)器人中的傳感器部分失效后無(wú)法提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)情況，設(shè)計(jì)引入無(wú)跡粒子濾波器信息融合思想到除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，第一，選擇了紅外、激光及超聲 3 種非接觸式傳感器安裝在除冰機(jī)器人的周圍，根據(jù)除冰的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了適合不同直徑與彎度的除冰機(jī)器人，解決了機(jī)器人數(shù)據(jù)來(lái)源單一的問(wèn)題; 第二，采用無(wú)跡粒子濾波技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行融合，解決了在非線性環(huán)境中某傳感器信息都是后帶來(lái)的信息干擾。在不同傳感器失效的情況下對(duì)機(jī)器人的除冰性能進(jìn)行了測(cè)試，這種除冰機(jī)器人的避障準(zhǔn)確率高達(dá) 96. 3% ，在傳感器損壞后，模型恢復(fù)的延時(shí)不超過(guò) 3 s，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。——論文作者：蔣琳瓊，周順先
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