電力系統智能轉運平臺履帶控制策略研究

楊海柱+康樂+岳剛偉+高龍飛

摘要：

針對電力設備在變電站等高電壓環境中的運輸問題，設計了一種智能轉運平臺。為增強平臺行駛穩定性，提出了一種基于模糊控制的履帶控制策略，通過制定合適的模糊規則，消除平臺行駛時產生的抖動對搖桿操作的影響。仿真及現場調試表明，平臺行駛速度穩定。將模糊控制應用于履帶控制策略，能使履帶行駛穩定性大大提高。

關鍵詞：

電力系統；智能轉運；履帶；模糊控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.172259

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：1672-7800（2018）001-0139-03

Abstract：In the substation and high voltage environment， designed a kind of intelligent transportation platform for power equipments transportation. In the development process， it found the jitter from platform running has great effect on track control， in order to eliminate the influence， strengthen the platform running stability， this paper proposes a track control strategy based on the fuzzy control， by setting the appropriate fuzzy rules to eliminate the influence of platform running jitter on the joystick operation， so that the platform runs more stable.Through simulation and debugging， the effect of jitter on the vehicle steering rocker operation is eliminated， the platform speed stability. It shows the crawler running stability greatly improved through the fuzzy control applied to track control strategy.

Key Words：electric power system； intelligent transportation； track； fuzzy control

0引言

在變電站以及一些高壓環境中，當設備發生故障時，需要對設備進行檢測及更換。由于電力設備不方便搬運，以及高壓環境對人的危害，不適宜進行人工運輸，智能運輸平臺用于解決這些問題。平臺履帶的原有控制策略是通過萬向搖桿控制電機調速，從而驅動履帶行駛。但平臺行駛時會產生晃動，使搖桿位置發生變化，導致電機轉速變化，履帶行駛穩定性降低。本文對萬向搖桿引入模糊控制策略，消除平臺晃動影響，使履帶按照設定狀態行駛，穩定性得以提升 [1]。

1智能轉運平臺整體結構

智能轉運平臺主要由車體、驅動系統、液壓系統、控制器以及相關傳感器構成，平臺采用鋼結構車身和履帶底盤，通過兩臺直流無刷電機驅動履帶移動。采用履帶式的運輸方式，能夠更好地保證運轉平臺的穩定性，以及在狹小空間的通過性；液壓系統采用一個直流電機來驅動，能夠實現起吊部分180度旋轉，以及機械臂對設備的起吊、搬運，同時對平臺四周的4個液壓臂實現控制，提高起吊設備時平臺的穩定性。同時平臺引入WiFi模塊，通過手機即可實現對平臺動作的遠程控制。為保證可靠性，平臺上還有一套手動控制系統，以保證在手機出現故障時能夠操控[9]。在平臺前后左右還裝有距離檢測器，實現平臺的防撞功能，在前方裝有傳感器，實現平臺的自動尋跡。

通過車身上的旋鈕調節平臺手動控制或通過手機APP遙控操作，都能實現液壓系統和驅動系統的控制，如圖1所示。

無論手動還是遙控，都將平臺設定為前、后、左、右、左上、右上、左下、右下8個行駛方向，當把搖桿朝設定方向推動時，平臺就朝該方向移動。但是在搖桿推動過程中，由于平臺晃動使其偏離設定位置時，搖桿的輸出電壓會發生波動，導致電機轉速發生突變，使平臺行駛穩定性降低。為此，引入模糊控制策略[2-4]。當平臺行駛時產生的晃動對搖桿操作產生影響時，輸出的控制電壓波動小，使履帶的行駛速度不發生突變，從而實現平臺的穩定行駛。

2履帶原有控制策略

履帶采用萬向搖桿控制移動，原有的控制策略為：把搖桿可推動的平面看作一個圓形區域，以圓點為中心建立平面直角坐標系。以x軸為標準軸，圓形區域上方與下方存在一個輸出電壓VX；以y為標準軸，圓形區域的左邊與右邊也存在一個輸出電壓VY。設定在x軸和y軸負方向上最大半徑處電壓為0v，正方向上最大半徑處為3.3v。對應VX存在VX=rR×θ1180。×3.3（θ1為搖桿所處的位置同圓心的連線和x軸負方向的夾角），對應VY存在VY=rR×θ2180。×3.3（θ2為搖桿所處位置同圓心的連線和y軸負方向的夾角）。把VX作為左電機的驅動信號，VY作為右電機的驅動信號，通過控制器對這兩個電壓信號進行采樣，控制器根據采集到的電壓值輸出合適的PWM波來驅動電機調速，實現履帶運轉。經過實驗發現，采用原有的控制策略，當推動搖桿朝所設定的8個方向移動時，平臺行駛時產生的晃動使搖桿所處的角度和位置發生變化，搖桿輸出的電壓也隨之發生變化，使電機的轉速突變，履帶的行駛變得不穩定，不利于設備運輸。endprint

3履帶智能控制策略

模糊控制對那些數學模型難以獲取、動態特性不易掌握或變化顯著的對象非常適用，由于原有的控制策略存在問題，為此，對萬向搖桿引入模糊控制策略，用來消除人為操作帶來的電機轉速變化影響，使履帶的穩定性得以提升。

3.1模糊控制器的輸入量和輸出量

首先找出模糊控制器的輸入量和輸出量，輸入量分別是半徑R和角度α，輸出量分別是左電機和右電機輸出狀態PL、PR [10]。

3.2映射到模糊集合論域

將角度設定為8個方向，半徑設為兩種狀態，分別映射到{NA、NB、NC、ND、NE、NF、NG、NH、NI}和{S、B}，將PL、PB映射到{P-1、P-2、P-3、P0、P1、P2、P3}，角度α的論域為{-2，2}，半徑R的論域為{0，2}，PL、PB的論域為{-3，3}[5-6]。

3.3隸屬度函數

根據設定的萬向搖桿控制策略，為保證系統可靠運行，將角度α、半徑R以及左右電機的輸出狀態PL和PB全部采用三角形隸屬度函數，如圖2所示。

3.4編輯模糊規則

當角度與半徑處于不同的狀態時，根據所設定的行駛狀態對應的左右電機的輸出狀態，建立模糊規則表，如表1所示。

3.5模糊規則推理和輸出曲面

通過模糊工具箱里的規則觀測器和曲面觀測器，查看模糊規則推理圖3和觀測輸出曲面，見圖4、圖5[7-8]。

3.6仿真結果

經過仿真得到如表2所示的搖桿處于-45°左右時輸出驅動電壓，表3為仿真結果。

4實驗與分析

采用寬180mm×節距72mm×節數39的履帶式底盤，選用兩臺OKD80B5-48V-1.1-1500直流無刷電機作為履帶式底盤驅動。一臺OKD80B5-48V-1.1-1500直流無刷電機驅動液壓系統，使用4塊6DGA-12V-170型蓄電池提供48V直流電源，選用ARM控制器，通過JH-D202X-R2/R4二維搖桿電位器控制履帶行駛。選取-45°左右的驅動電壓進行檢測。首先在平臺上采用原有控制策略，測試搖桿輸出的驅動電壓，之后將模糊控制策略引入控制器平臺，再測量搖桿輸出的驅動電壓，檢測結果如表4、表5所示。

將輸出結果制成折線圖，如圖6～圖9所示。

將實驗和仿真數據進行對比，結果基本保持一致，同時通過圖6～圖9分析可知，在將模糊控制策略引入萬向搖桿之后，搖桿輸出的驅動電壓曲線較原有控制策略的電壓曲線更為平滑，輸出電壓波動較小，說明更為穩定。本文方法能消除平臺晃動對搖桿的影響，使履帶控制達到預期要求。

5結語

本文提出的電力系統智能轉運平臺，為變電站以及一些高電壓危險環境中的運輸問題提出了合理的解決方案。提出的基于模糊控制原理的控制策略，相比原有的搖桿控制策略，消除了平臺晃動對行駛的影響，使履帶能夠穩定行駛，安全性大大提升，仿真實驗驗證了本控制策略的可行性。本智能轉運平臺經實驗室模擬調試及現場調試，證明運行穩定，性能可靠，能夠實現預期的行駛狀態。

參考文獻：

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[3]謝振，于蓮芝，葛山峰. 基于模糊預測控制的路徑跟蹤控制研究[J].軟件導刊，2016，15（10）：4-7.

[4]紀艷華，孫玉坤.自適應模糊PID在基于開關磁阻電機的電動車輛控制中的應用[J].中小型電機，2004，31（1）：32-35.

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[9]張凡.履帶式移動機器人的控制與避障[D].南京：南京理工大學，2013.

[10]阮勇.基于MATLAB平臺的模糊控制器的設計與仿真[J].現代電子技術，2005（11）：5-7.

（責任編輯：杜能鋼）endprint