高機動性變壓器內部檢測機器人控制系統(tǒng)設計與算法研究

郭玉嘉，杜向黨，陳宏博，汪旭海，靳憲文

(1.西北工業(yè)大學，陜西 西安 710072；2.山東電力設備有限公司，山東 濟南 250024)

0 引言

目前，國內許多電力系統(tǒng)采用油浸式變壓器，為保障供電安全，需要定期檢查內部是否生銹，接線是否脫落，絕緣套管是否老化等[1]。常規(guī)檢查大多采用排空絕緣油，人員進入檢查的方式，存在人身安全風險高、檢測效率低、絕緣油浪費和經濟性差的缺點[2]。本文設計了一種具有高機動性的水下機器人(又稱水下航行器，unmanned underwater vehicle，簡稱UUV)，并攜帶攝像裝置代替人工進行檢測，實時采集、上傳所調查區(qū)域的圖像信息，可以克服人工檢測的缺點。

1 UUV總體設計

1.1 需求分析

變壓器箱體本身尺寸有限，內部空間狹小，結構復雜多變，存在窄道以及鐵芯柱、鐵軛等障礙物。為了靈活避開各種障礙物，UUV結構必須小巧、緊湊。為了能夠采集到變壓器內部各處的圖像，UUV本身必須具有高機動性，要求控制系統(tǒng)必須可以準確調控UUV的姿態(tài)。

1.2 UUV方案設計

1.2.1 布局與結構設計

UUV總體布局如圖1所示。為了減小外形尺寸，增加空間利用率，UUV采用了圓柱體外形，外形尺寸直徑為224 mm,高為300 mm，結構小巧緊湊，采用保形設計，外緣無凸起，便于穿過變壓器內部的窄道[3]。

圖1 UUV總體布局

1.2.2 動力系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)高機動性，UUV在水平面內的運動采用矢量推進方式[4]。如圖2所示，水平推進系統(tǒng)由偏心布置的4個推進器組成，根據動作需求，相應地控制T1、T2、T3、T44個推進器的轉速，產生矢量推力或力矩，使UUV實現(xiàn)前進、后退、側移或定心旋轉運動。當推進器1正向轉動、推進器2反向轉動且轉速相同時，其推力產生的合力矩使得UUV做原地順時針旋轉運動，合力矩為Mn1。同理，UUV做原地逆時針旋轉運動時合力矩為Mn2。

圖2 水平推進系統(tǒng)原理

在垂直方向，采用活塞式浮力調節(jié)機構產生上浮或下潛運動的驅動力。如圖3所示，步進電機通過齒輪副將驅動力傳遞至滾珠絲杠軸上，帶動活塞運動，通過調節(jié)活塞位置改變排水量從而改變UUV的浮力，使其產生垂直方向的浮沉運動[5]。

圖3 浮力調節(jié)裝置三維模型

將電機和滾珠絲杠軸并列布置，使UUV結構緊湊，布局合理，體積小巧。通過裝在步進電機上的編碼器解算活塞位置，實現(xiàn)對浮力的精確調節(jié)。

2 UUV控制系統(tǒng)設計

2.1 功能分析

根據UUV的功能需求，要求控制系統(tǒng)具備以下功能：

a.任務功能。需要實時采集變壓器內部高質量視頻或者照片，并實時回傳畫面供變壓器檢修人員觀察。

b.導航定位功能。控制UUV航向、深度與姿態(tài)，并結合視頻實現(xiàn)UUV的實時定位。

c.通信功能。實現(xiàn)岸基上位機和UUV的通信，使UUV能夠實時接收到來自岸基的控制指令，并上傳自身的狀態(tài)信息和所拍攝的畫面[6]。

d.運動控制功能?？刂芔UV實現(xiàn)上浮下潛、懸停、前進后退和側移等運動，實現(xiàn)UUV的高精度控制。

2.2 方案設計

UUV控制系統(tǒng)組成如圖4所示，主要由上位機、通信模塊、下位機、任務模塊、導航定位模塊和運動控制模塊組成。

圖4 UUV控制系統(tǒng)組成

上位機是操作人員直接交互的對象，布置在岸基上；上位機通過通信模塊向下位機下達指令，使UUV完成相應動作。同時，下位機也通過通信模塊反饋UUV的位置、姿態(tài)等信息。

UUV的任務模塊的核心功能為攝像功能，攝像頭將拍攝到的視頻圖像信息經通信模塊反饋給上位機。

導航定位模塊實現(xiàn)UUV的姿態(tài)與深度信息的采集，解算出UUV的深度與姿態(tài)[7]。

運動控制模塊根據姿態(tài)信息與控制指令驅動水平推進系統(tǒng)，實現(xiàn)UUV在水平面內位置和航向角的精確控制；根據深度傳感器反饋的深度信息，采用合理的控制算法，驅動浮力調節(jié)系統(tǒng)，可實現(xiàn)高精度的深度控制，進而實現(xiàn)定點的圖像采集。

2.3 設計實現(xiàn)

UUV控制系統(tǒng)結構如圖5所示，包括安裝在岸基的上位機部分和安裝在UUV內的控制執(zhí)行部分。

圖5 UUV控制系統(tǒng)結構

2.4 上位機設計

UUV的上位機選用PC，上位機軟件使用LabVIEW軟件編寫。通過該軟件界面向下位機發(fā)送控制指令，能夠在屏幕上顯示下位機反饋的傳感器數據、UUV的運動狀態(tài)以及視頻畫面。

2.5 下位機設計

本文設計的UUV的下位機主控板采用STM32F103ZET6芯片型號的單片機，開發(fā)環(huán)境為Keil uVision5。

STM32單片機通過Wireless接口連接無線模塊，PC機外接無線串口模塊。推進器采用PWM調速的無刷直流電機，所以需配置無刷電調。浮力調節(jié)裝置的電機采用步進電機。絲杠與活塞行程有限，為防止行程超限，需加入光電限位開關。深度信息由深度傳感器采集，姿態(tài)信息由姿態(tài)傳感器采集。

主控板可以接收并解讀上位機發(fā)送的運動指令，或向上位機反饋UUV的狀態(tài)信息。接收指令后可以驅動水平和垂直推進系統(tǒng)的推進器或電機轉動，進而使UUV完成相應動作。

3 控制算法與仿真

在已有的控制算法中，經典的PID控制算法因其易于工程化被廣泛應用于水下航行器領域?；Ｗ兘Y構控制具有較強的魯棒性，即使系統(tǒng)的模型不精確或受到未知外界干擾也可有效應對[8]。本文分別研究了PID控制算法和滑模變結構控制算法下航向角角度、角速度與垂直方向速度、活塞位置的變化情況；根據仿真結果，選用了滑模控制，克服了非線性系統(tǒng)難以控制的缺點[9]。

3.1 基于控制輸入抗飽和的滑模模型

UUV在水平或垂直方向上運動時，推進器或浮力調節(jié)裝置所能提供的推力和浮力的調節(jié)值有限，可能達不到算法需要的調節(jié)值。這一控制輸入受限問題在某種程度上會影響到UUV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此針對該“控制輸入飽和”問題，設計了基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破?。

通過定義輔助分析系統(tǒng)，采用輸入飽和誤差動態(tài)放大的方法，可實現(xiàn)基于控制輸入抗飽和的滑?？刂疲]環(huán)控制系統(tǒng)示意如圖6所示。

圖6 基于控制輸入受限的閉環(huán)控制系統(tǒng)

通過設計一個穩(wěn)定的自適應輔助系統(tǒng)，可實現(xiàn)控制飽和的補償。該自適應輔助系統(tǒng)為

(1)

Δu=ut-v，ut為受限的控制量，即圖6中u，v為受限前的控制量，且ut=satv，satv為控制輸入飽和函數;c1、c2分別為系數。

設計控制器為

c2λ2-ηsgns]

(2)

Xd為目標指令信號；η為切換項增益，閉環(huán)系統(tǒng)是有效且穩(wěn)定的；x2=f(x,t)+but+dt,其中b≠0，dt為未知干擾。

當模型不確定性和干擾較大時，η較大，會產生較大的抖振。為了避免抖振，滑?？刂破髦胁捎蔑柡秃瘮祍ats代替符號函數sgns。

則可變?yōu)?/p>

c2λ2-ηsats]

(3)

3.2 水平運動控制算法研究

3.2.1 水平運動控制系統(tǒng)

該UUV的水平控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 水平控制系統(tǒng)

水平控制器輸出水平運動所需要的轉矩，并分配到相應的推進器；由于各推進器間的推力差值不能過大，因此對推進器的轉速進行限速，即對推力和相應的力矩進行限幅。

3.2.2 水平運動控制算法

水平運動方程為

(4)

ρ為水的密度；Iz為Z軸的轉動慣量；r為沿Z軸轉動的角速度；Nr為沿Z軸轉動的力矩；TN為Z坐標軸上的推力矩；Sr為UUV的Z軸方向特征面積。

由式(3)可得出UUV的水平運動滑?？刂破鳛?/p>

(5)

3.2.3 水平運動仿真分析

在MATLAB中，搭建水平運動仿真程序。水平控制器輸出的轉矩的值分配到相應的推進器，使其產生相應的推力以進行水平運動[10]。

2種控制器作用下UUV的航向角角度、航向角角速度變化曲線，分別如圖8和圖9所示。

圖8 航向角角度變化曲線

圖9 航向角角速度變化曲線

由圖8和圖9可知，UUV從0轉動到0.5 rad這一過程中，PID控制器的響應速度比基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鞯捻憫俣嚷襊ID控制器存在超調現(xiàn)象，使UUV在目標角度附近持續(xù)震蕩。根據上述UUV水平運動的仿真案例可知，在對水平運動進行控制時，基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鲀?yōu)于PID控制器。

3.3 垂直運動控制方法研究

3.3.1 垂直運動控制系統(tǒng)

該UUV的深度控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 深度控制系統(tǒng)

3.3.2 垂直運動控制算法

垂直運動方程為

(6)

由式(3)可得UUV的垂直運動滑模控制器為

(7)

3.3.3 垂直運動仿真分析

在試驗條件下，UUV通常配平至正浮力狀態(tài)，浮力和重力差值在0.05 N以內，所以當UUV完成深度調節(jié)后，要實現(xiàn)深度懸停需不斷調節(jié)活塞位置。因此在該仿真案例中，當UUV完成深度調節(jié)后，向控制系統(tǒng)添加持續(xù)干擾以表示重浮力差值，使仿真模型更接近真實條件，干擾大小為 Δf=0.05×sint。為了體現(xiàn)基于控制輸入抗飽和的滑模控制器的魯棒性，將其與經典的PID控制器進行對比。

本仿真案例中UUV在垂直運動過程中，垂直方向初始速度為0，初始深度為0，期望深度值為1 m。PID控制器和基于控制輸入抗飽和的滑模控制器參數分別設置為：PID控制器的參數為KP=3,KI=0.001,KD=20；基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鲄禐閏=0.28，c1=c2=0.35，η=D+0.1，D=0.1。

受持續(xù)干擾時，2種控制器作用下UUV的深度、垂直方向速度和活塞位置變化曲線分別如圖11～圖13所示。

圖11 持續(xù)干擾下UUV的深度變化曲線

圖12 持續(xù)干擾下UUV的垂直方向速度變化曲線

圖13 持續(xù)干擾下UUV的活塞位置變化曲線

2種控制器下深度變化曲線如圖11所示。當有持續(xù)干擾作用時，PID控制器作用下的UUV深度波動范圍為0.961～1.030 m，不滿足垂直方向懸停精度30 mm的技術要求。而基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破髯饔孟?，UUV深度波動范圍為0.980～1.010 m，滿足要求。垂直方向速度變化曲線如圖12所示，PID控制器作用下的UUV速度波動范圍為-0.033～0.031 m/s，而滑模控制器作用下的UUV速度波動范圍為-0.019～0.019 m/s，速度波動范圍明顯小于PID控制器?；钊恢米兓€如圖13所示，滑模控制器作用下的UUV活塞位置變化相對PID控制器作用下的更平滑。

基于上述UUV垂直方向運動的仿真案例，在持續(xù)干擾作用下，基于控制輸入抗飽和的滑模控制器的魯棒性優(yōu)于PID控制器，可同時實現(xiàn)UUV的深度調節(jié)和懸?？刂啤?/p>

4 原理樣機試驗研究

根據上述設計方案，研制了UUV原理樣機，并進行了水池試驗，對其運動性能進行了測試分析。

4.1 水平混合運動試驗

水平混合運動試驗時，根據下水初始位置航向，設定初始航向角為-115°，15 s后，航向角設定為45°，航行過程中，姿態(tài)傳感器記錄航向數據。

UUV通過改變推進器1和推進器2的轉速，控制UUV沿航向角為-115°的直線航行。15 s后，推進器1和推進器2停止工作，在推進器3和推進器4開始工作，UUV減速停止(推進器位置見圖2)，做逆時針旋轉運動，沿航向角45°直線航行行駛一段時間后減速停止。

混合運動的航向角記錄曲線如圖14所示。航向角分別在-110.5～-124.3°和34.4～42.5°之間浮動，說明航向角控制精度約在13.8°以內。

圖14 混合運動試驗航向角曲線

4.2 懸停運動試驗

對UUV的懸停功能進行了測試，UUV先下潛，到達目標深度后懸停一段時間，再做上浮運動。測試時，懸停深度設為200 mm，UUV下潛運動時先加速后減速，懸?？刂粕疃葹?00 mm，深度傳感器記錄的深度曲線如圖15所示。根據壓力曲線在15～25 s時間內變化的情況，可以估算懸停精度控制在30 mm以內。

圖15 垂直運動試驗深度變化曲線

5 結束語

本文對油浸式變壓器內部檢測UUV的控制系統(tǒng)與算法進行了理論分析與設計，通過軟件仿真對比得到合理算法，水池試驗驗證了理論分析結果。不足之處是由于試驗條件限制，未能對懸?？刂凭冗M行充分測試分析，并對相應控制參數進行優(yōu)化。