發(fā)布時(shí)間：2022-03-08所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 針 對 220KV 高壓輸電線除冰機(jī)器人這一新的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域, 提出了一套機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)方 案 。 實(shí) 現(xiàn) 了 一 種 基于開放式運(yùn)動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由工控機(jī)和運(yùn)動控制卡組成,通過無線通訊控制除冰機(jī)器人的行走及越障動作,如 跨 越 防 震錘及懸垂線夾等。 從系統(tǒng)
摘要: 針 對 220KV 高壓輸電線除冰機(jī)器人這一新的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域, 提出了一套機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)方 案 。 實(shí) 現(xiàn) 了 一 種 基于開放式運(yùn)動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由工控機(jī)和運(yùn)動控制卡組成,通過無線通訊控制除冰機(jī)器人的行走及越障動作,如 跨 越 防 震錘及懸垂線夾等。 從系統(tǒng)的硬件既軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面分別介紹了其運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的可 靠 性、實(shí)時(shí)性及良好的人機(jī)交互性。
關(guān)鍵詞: 除冰機(jī)器人; 高壓輸電線; 運(yùn)動控制
1 引言
我國是輸電線路覆冰最為嚴(yán)重的國家之一, 線路冰害事故發(fā)生的概率居世界前列,2008 年初我國南方的雨雪冰凍天氣更是給電力設(shè)施帶來災(zāi)難性的破壞, 數(shù)名電力工人在輸電線路除冰過程中壯烈犧牲。因此,研究一種高度自動化的除冰機(jī)器人代替人工 除冰 對 于 保護(hù) 我 國 電網(wǎng) 的 安 全運(yùn) 行 和 電力 工 人 的生 命安全具有極其迫切的現(xiàn)實(shí)意義。
目前除冰機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一大熱 點(diǎn),文獻(xiàn)結(jié)合輸電 線 路 上覆 冰 的 去除 方 法 設(shè)計(jì) 了 一 種兩 臂 式 除冰 機(jī)器人; 文獻(xiàn)提出了一種新的輸電線路除冰機(jī)器人越障方法并對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析; 除冰機(jī)器人是在惡劣環(huán)境中對輸電線路進(jìn)行無損除冰作業(yè),其結(jié)構(gòu)、功能、動力、通信等方面都有特殊的要求,因此有必要對除冰機(jī)器人的本體、除冰裝置、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì),軟硬件實(shí)現(xiàn)等各個(gè)方面加以深入的研究。
而作為除冰機(jī)器人的一個(gè)重要部分, 運(yùn)動控制系統(tǒng)性能將直接 影 響除 冰 機(jī) 器人 工 作 性能 及 可 操控 性。 本 文針 對 220KV 輸電線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),按照除冰機(jī)器人實(shí)際工作的要求,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)清晰、層 次分 明、拓 展性 良 好 的輸 電 線 除冰 機(jī) 器 人運(yùn)動控制系統(tǒng)。
2 除冰機(jī)器人結(jié)構(gòu)
目前,本文設(shè)計(jì)的除冰機(jī)器人采用的是三臂結(jié)構(gòu)。它的本體主要由三個(gè)機(jī)械臂、掛線裝置及除冰裝置、本體艙等組成,其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
在三個(gè)機(jī)械臂中:中間機(jī)械臂的肘關(guān)節(jié)可伸縮,其上安裝有主驅(qū)動輪,主要用來驅(qū)動機(jī)器人的行進(jìn)和保持機(jī)器人平衡;兩側(cè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),每個(gè)臂末端安裝一個(gè)掛線裝置,掛線裝置配備有掛線輪和除冰裝置,主要用于完成除冰工作和夾持電纜。
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本體艙則是由動力箱、控制箱和電池箱三個(gè)部分組成。 除冰機(jī)器人采用混合動力方式供電, 機(jī)上搭載了一臺汽油發(fā)電機(jī)和一塊大容量電池, 它們的重量較大被分別安排在本體艙的兩端。控制箱是除冰機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心,工控機(jī)和眾多的外圍設(shè)備都被安放在其中。
3 除冰機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境及控制目標(biāo)
本文設(shè)計(jì)的除冰機(jī)器人主要用于 220KV 高壓輸 電 線 路的除冰作業(yè)。 220KV 高壓輸電線路是一種柔性較大、障礙復(fù)雜的工作環(huán)境, 其典型線路及障礙情況如圖 2 所示, 它主要包括:直線、大跨度輸電線上(下)坡、絕緣子、防 振 錘、各種 線 夾、引流 跳線等。 除冰機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)可以概括為以下五個(gè)方面:(1)保證除冰機(jī)器人在柔性架空線上的平穩(wěn)爬行,包括上下坡、制動、防滑、負(fù)載等各方面的問題;(2)避越絕緣子、防振錘、各種線夾(懸垂線夾、耐張線 夾 等)、壓接 管、引 流線、線 塔等;(3) 保障機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn)以及保持其它導(dǎo)線和線塔金屬部件的安全距離;(4)保障除冰裝置的平穩(wěn)運(yùn)行;(5)保證除冰機(jī)器人及其除冰裝置在冰凍雨雪天氣條件下良好運(yùn)行。
4 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
除冰機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的自動化設(shè)備, 其驅(qū)動元件數(shù)量眾多,包括了四大類總共 20 個(gè)電機(jī),即除冰電機(jī) 2 個(gè)、驅(qū)動及關(guān)節(jié)電機(jī) 8 個(gè)、升降機(jī)重心調(diào)節(jié)電機(jī) 7 個(gè)、剎車電機(jī) 3 個(gè)。 且除冰機(jī)器人工作在柔性輸電線路上,運(yùn)動狀態(tài)比較復(fù)雜,此外線路上存在很多障礙物并非都是典型結(jié)構(gòu), 而且機(jī)器人要長期在惡劣環(huán)境下工作,可能會出現(xiàn)許多預(yù)想不到的情況。 在這種情況下,為了保證機(jī)器人工作的穩(wěn)定性和安全性, 其運(yùn)動控制系統(tǒng)不但要具備對單個(gè)電機(jī)的穩(wěn)定控制能力,而且也應(yīng)該具備易操作性。因此,如圖 3 所示,除冰機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分,即遠(yuǎn)程監(jiān)控端和機(jī)器人本體控制端。 它們之間通過無線方式實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸: 一方面地面監(jiān)控人員可以接收來自機(jī)器人的視頻圖像、探測傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人位姿狀態(tài)、輸電線路覆冰厚度和微氣象等信息;另一方面,地面監(jiān)控人員可以對機(jī)器人發(fā)出各種控制命令,指導(dǎo)機(jī)器人工作。
遙操作控制指令分為任務(wù)級指令和關(guān)節(jié)級指令兩種: 其中任務(wù)級命令直接給機(jī)器人下達(dá)操作任務(wù),例如翻越各種線夾,避讓防震錘等,機(jī)器人根據(jù)事先編程的運(yùn)動過程進(jìn)行運(yùn)動,完成任務(wù);關(guān)節(jié)級命令是指直接對機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)或功能單元進(jìn)行控制。
5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖 4 所示
根據(jù)分級遞階的思想, 在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了三層結(jié)構(gòu),即遠(yuǎn)程監(jiān)控層、機(jī)載控制層以及執(zhí)行層。 遠(yuǎn)程監(jiān)控層位于地面監(jiān)控計(jì)算機(jī), 主要負(fù)責(zé)觀測機(jī)器人的工作狀況及對其進(jìn)行遙操作;機(jī)載信息管理與決策層和執(zhí)行層位于機(jī)器人本體上,主要負(fù)責(zé) 現(xiàn)場 傳 感 信息 的 實(shí) 時(shí)采 集、 各 種控 制 算 法的 具 體 實(shí) 現(xiàn) 及底 層運(yùn) 動 控 制。 其 中 機(jī) 載信 息 管 理與 決 策 層的 功 能 由機(jī) 載 工控機(jī)實(shí)現(xiàn),執(zhí)行層的功能由嵌入式運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)。 伺服電機(jī)組包括驅(qū)動、關(guān)節(jié)電機(jī)及剎車電機(jī),開關(guān)電機(jī)組包括除冰電機(jī)、升降電機(jī)及重心調(diào)節(jié)電機(jī)。
地面 監(jiān) 控計(jì) 算 機(jī) 和機(jī) 器 人 機(jī)載 工 控 機(jī)之 間 采 用 無 線 局 域網(wǎng) 通 訊 方式 進(jìn) 行 傳感 信 息 和控 制 指 令的 傳 輸。 機(jī)器 人 機(jī) 載工控 機(jī) 和運(yùn) 動 控 制卡 采 用 基于 現(xiàn) 場 總線 的 分 布式 控 制 結(jié)構(gòu)。 運(yùn)動 控 制 卡 的 核 心 由 DSP 和 FPGA 組 成, 它 與 機(jī) 載 工 控 機(jī) 一 同構(gòu) 成 了 一 個(gè) 開 放 式 運(yùn) 動 控 制 系 統(tǒng),即“PC+運(yùn) 動 控 制 器”模 式。這樣就將 PC 機(jī)的信息處理能力、開 放 式 的特 點(diǎn) 與 運(yùn)動 控 制 器的 運(yùn) 動 軌 跡 控 制 能 力 有 機(jī) 的 結(jié) 合 在 一 起, 具 有 信 息 處 理 能 力強(qiáng)、開放程度高運(yùn)動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。
6 控制系統(tǒng)軟件
除冰機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制端如圖 5 所 示,該 系 統(tǒng)采用 VC++.NET 平臺編寫,應(yīng)用多線 程 機(jī) 制可 以 同 時(shí)對 多 個(gè) 電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,并且具備單個(gè)關(guān)節(jié)或者任務(wù)級控制能力。
如圖 5 所示,該系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)類型特點(diǎn)及其任 務(wù) 分工 設(shè) 計(jì)了五種關(guān)節(jié)級指令控制模塊,即驅(qū)動電機(jī)控制、關(guān)節(jié)電機(jī)控制、前臂其它電機(jī)、中臂其它電機(jī)、后壁其它電機(jī)。
由于 在 除冰 機(jī) 器 人行 走 過 程中 要 使 用三 個(gè) 驅(qū) 動 電 機(jī) 并 行驅(qū)動,而在越障過程中則會根據(jù)具體情況選擇其中兩個(gè)驅(qū)動電機(jī)組合來驅(qū)動機(jī)器人行走,因此在驅(qū)動電機(jī)模塊采用了復(fù)選框方式來實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動組合,并且可以通過運(yùn)動方向復(fù)選框來選擇除冰機(jī)器人的運(yùn)行方向,驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)則可以通過其參數(shù) 設(shè) 置完 成。 除 冰機(jī) 器 人 關(guān)節(jié) 電 機(jī) 控制 一 般 在其 越 障 過 程中 使 用,在 這 個(gè) 模 塊 中 關(guān) 節(jié) 電 機(jī) 采 用 單 個(gè) 電 機(jī) 控 制 模 式,通 過電機(jī)選擇可以選擇需要控制的關(guān)節(jié),同時(shí)其運(yùn)動方向可以通過關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動方向確定。 此外,為了減少操作的難度,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡量減少按鈕的數(shù)量,除冰機(jī)器人的其它電機(jī)控制中采用單個(gè)按鈕來控制電機(jī)的啟停,按鈕標(biāo)簽標(biāo)示其運(yùn)動形式。
同時(shí),該控制系統(tǒng)還對于除冰機(jī)器人的一些行 為進(jìn) 行 了 任務(wù) 級 指 令規(guī) 劃,如 除冰 機(jī) 器 人 前 景、后 退、跨 越 防 震 錘、跨 越 懸垂線夾。
7 結(jié)束語
本文所設(shè)計(jì)的除冰機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)能夠?qū)ζ涓鱾�(gè)電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的實(shí)時(shí)控制,機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動靈活可靠,所設(shè)計(jì)的 開放 式 運(yùn) 動控 制 系 統(tǒng)具 有 良 好的 抗 干 擾能 力 及 良好 的 可 拓展性。下一步將完成除冰機(jī)器人的傳感系統(tǒng),使其具備環(huán)境及自我感知能力,為自主控制提供基礎(chǔ)。——論文作者：王 聰 孫 煒 向陽琴
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