多源大數(shù)據(jù)引入的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模可視化控制

邵 玲，于興國(guó)，金 銘，張凱旋

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，昆明 650000）

0 引言

近年來(lái)高精度機(jī)械制造技術(shù)使電網(wǎng)不斷向智能化發(fā)展，其智能化越高依賴(lài)的數(shù)據(jù)越多源[1]，因此將控制過(guò)程可視化呈現(xiàn)給用戶(hù)，使用戶(hù)更清楚掌握有用信息意義非凡。電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂是電網(wǎng)維護(hù)過(guò)程中很重要的一環(huán)，該機(jī)械臂的應(yīng)用可在很大程度上提升電網(wǎng)的安全性。其可視化程度高低，也考驗(yàn)相關(guān)制造行業(yè)的水平。但機(jī)械臂在運(yùn)行過(guò)程中受不確定因素影響，使其巡檢不到位或出現(xiàn)運(yùn)行停頓等狀況，為此很多學(xué)者分別研究機(jī)械臂滑模控制方法。

例如：屈海軍等人和黃自鑫等人研究的機(jī)械臂控制方法，前者依據(jù)機(jī)械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)滑模控制器[2]，但該方法受機(jī)械臂類(lèi)型不同的影響，其可視化后的應(yīng)用性不強(qiáng)。后者則依據(jù)機(jī)械臂既定軌跡，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)其滑模控制[3]，但其在可視化應(yīng)用過(guò)程中，受機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)角度誤差影響，導(dǎo)致其可視化控制效果不佳。主要是因?yàn)榭梢暬^(guò)程高度以來(lái)大數(shù)據(jù)支撐，但是，為了保證可視化后的控制精度，數(shù)據(jù)來(lái)源必須是多源的。但是多源數(shù)據(jù)本身又帶來(lái)了數(shù)據(jù)差異性，為了解決差異性，需要進(jìn)行不確定性估值，這種不確定性的估值，本身也是一種干擾源。

為此本文將多源大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)與電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模控制相結(jié)合，研究多源大數(shù)據(jù)在可視化的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模控制中，合理引入問(wèn)題。以提升電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂控制效果和可視化呈現(xiàn)效果。

1 電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模控制方法

1.1 多源大數(shù)據(jù)引入的技術(shù)框架設(shè)計(jì)

電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂在工作過(guò)程中，對(duì)同一位置的數(shù)據(jù)巡檢和采集具備多源特征，且數(shù)據(jù)量較為繁雜，為用戶(hù)控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂帶來(lái)了一定難度。針對(duì)電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將同一巡檢位置的多源數(shù)據(jù)融合可為用戶(hù)呈現(xiàn)電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂的統(tǒng)一描述視圖，為用戶(hù)呈現(xiàn)更加直觀的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)作情況，也可更好地實(shí)現(xiàn)其滑模控制。設(shè)計(jì)多源大數(shù)據(jù)引入框架，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多源大數(shù)據(jù)引入技術(shù)框架

多源大數(shù)據(jù)可視化引入技術(shù)框架：由數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)融合層、數(shù)據(jù)選擇層、控制層和數(shù)據(jù)可視化層構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)層是由多源異構(gòu)的機(jī)械臂巡檢數(shù)據(jù)組成，包括結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化等多種類(lèi)型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層將多源異構(gòu)的機(jī)械臂巡檢數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)融合層內(nèi)，數(shù)據(jù)融合層使用Map-Reduce并行化處理方式對(duì)多源異構(gòu)的機(jī)械臂巡檢數(shù)據(jù)融合處理，將融合處理后的機(jī)械臂巡檢數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)選擇層內(nèi)。數(shù)據(jù)選擇層按照機(jī)械臂巡檢數(shù)據(jù)的特征重要程度選取可用數(shù)據(jù)后，將選取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茖觾?nèi)。控制層將選取的機(jī)械臂巡檢數(shù)據(jù)作為機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型的輸入，估計(jì)當(dāng)前機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，使用模糊自適應(yīng)滑模控制器控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂后，將控制結(jié)果傳輸?shù)娇梢暬故緦觾?nèi)。可視化展示層利用可視化工具展示電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂控制結(jié)果。

1.2 多源數(shù)據(jù)控制層設(shè)計(jì)

1.2.1 電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂多源數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂是由非完整的移動(dòng)臺(tái)與二連桿機(jī)械臂組成的可移動(dòng)的機(jī)械臂，其移動(dòng)臺(tái)由具備獨(dú)立驅(qū)動(dòng)功能的前輪和后輪組成，巡檢機(jī)械臂安裝在移動(dòng)臺(tái)質(zhì)心位置。電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂由兩個(gè)連桿A、B組成，其絞點(diǎn)位置存在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，負(fù)責(zé)控制連桿A、B轉(zhuǎn)動(dòng)。電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂的移動(dòng)臺(tái)前輪和后輪僅滾動(dòng)不可滑動(dòng)，依據(jù)該前輪和后輪與地面的非完整性約束[4]，建立涵蓋驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)特征的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂動(dòng)態(tài)方程，其表達(dá)式如式(1)、式(2)所示。

將式(2)參數(shù)代入到式(1)并對(duì)其求導(dǎo)后，將結(jié)果代入到式(3)內(nèi)，再利用ST(q)左乘式(3)，得到電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)表達(dá)式如下：

由于電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂在運(yùn)作過(guò)程中存在不確定性的外部干擾[5]，或機(jī)械臂自身參數(shù)存在誤差，導(dǎo)致式(8)計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。充分考慮外界干擾因素，對(duì)式(8)改寫(xiě)如下：

式(13)中，T表示已知外界干擾參數(shù)。

至此電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂多源數(shù)據(jù)模型構(gòu)建構(gòu)建完成，依據(jù)該模型輸出的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂當(dāng)前參數(shù)，設(shè)計(jì)其滑模控制器，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模控制。

1.2.2 自適應(yīng)滑模控制器設(shè)計(jì)

將電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂多源數(shù)據(jù)模型輸出的機(jī)械臂當(dāng)前運(yùn)作參數(shù)作為輸入，設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)滑模控制器，利用該控制器控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)作。模糊自適應(yīng)滑模控制器設(shè)計(jì)步驟如下：

令x1、x2均表示電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂狀態(tài)空間變量，設(shè)置機(jī)械臂跟蹤控制誤差如式(14)所示。

式(14)中，r表示電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂給定參考軌跡數(shù)值。

設(shè)置機(jī)械臂滑模控制虛擬誤差如式(15)所示。

式(15)中，α表示機(jī)械臂虛擬控制量，其表達(dá)如式(16)所示。

式(14)中，r表示機(jī)械臂軌跡參考軌跡一階求導(dǎo)；c1表示對(duì)角正定常數(shù)矩陣。

依據(jù)式(14)結(jié)果，選擇正定Lyapunuv函數(shù)如式(17)所示：

式(17)求導(dǎo)后，將式(14)～(16)數(shù)值代入其中，則正定Lyapunuv函數(shù)改寫(xiě)如式(18)所示。

對(duì)式(19)簡(jiǎn)化處理，則有：

上述式(32)中，ρ、k均表示正常數(shù)對(duì)角矩陣。

依據(jù)式(31)和式(32)結(jié)果，設(shè)計(jì)電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模控制器如下：

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某區(qū)域輸電線路巡檢的碳纖維機(jī)械臂作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用可視化測(cè)試軟件模擬其巡檢環(huán)境后，使用本文方法對(duì)該機(jī)械臂展開(kāi)測(cè)試控制，然后使用圖表等可視化形式呈現(xiàn)給用戶(hù)。

在測(cè)試軟件內(nèi)設(shè)定電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂給定軌跡，測(cè)試模擬本文方法應(yīng)用前后該電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡滑模控制效果

分析圖3可知，在測(cè)試軟件內(nèi)給定的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡呈橢圓狀，而未使用本文方法對(duì)該機(jī)械臂控制時(shí)，該機(jī)械臂運(yùn)行軌跡在X方向上與給定軌跡幾乎相同，但在Y方向上與給定軌跡相差較大，其中最大偏差約為1.5m。而使用本文方法對(duì)該機(jī)械臂滑模控制后，該電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡在Y軸方向與給定軌跡完全重合，僅在X軸方向上存在輕微偏差，差值僅為0.1m左右。上述結(jié)果說(shuō)明本文方法具備較強(qiáng)的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模控制效果。

當(dāng)電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂在巡檢過(guò)程中存在外界干擾時(shí)，對(duì)機(jī)械臂跟蹤控制誤差影響較大，測(cè)試電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂的不確定項(xiàng)估計(jì)值不同時(shí)，本文方法在控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂過(guò)程中的跟蹤誤差控制效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 跟蹤控制誤差值

分析圖4可知，本文方法在控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂時(shí)的跟蹤控制誤差在其不確定估值為0.1之前呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)不確定相估值超過(guò)0.1后，本文方法控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂時(shí)的跟蹤控制誤差始終保持為0。該結(jié)果說(shuō)明當(dāng)巡檢機(jī)械臂在運(yùn)作過(guò)程中若出現(xiàn)不確定相時(shí)，本文方法可迅速對(duì)其控制，使跟蹤控制誤差迅速保持0，具備較強(qiáng)的滑模控制能力。

測(cè)試本文方可控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電壓效果，在matlab測(cè)試軟件內(nèi)設(shè)置巡檢機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電壓波動(dòng)情況，使用本文方法控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電壓，控制效果如圖5所示。

圖5 電壓控制效果

分析圖5可知，當(dāng)電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂存在電壓波動(dòng)干擾時(shí)，其電壓波形分布區(qū)間較大，且波動(dòng)情況較為明顯。而使用本文方法控制該機(jī)械臂后，其電壓波形呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，且分布區(qū)間始終為6.5V至23.5V之間。該結(jié)果說(shuō)明：本文方法可有效控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂電壓穩(wěn)定，且不受電壓波動(dòng)干擾，具備良好的應(yīng)用性。

以機(jī)械臂的A連桿、B連桿為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，從控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂力矩角度對(duì)本文方法展開(kāi)驗(yàn)證。以控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂力矩的均方誤差作為衡量指標(biāo)，并設(shè)置在不同不確定相估值情況下，控制機(jī)械臂力矩的均方誤差閾值為0.003。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)械臂力矩控制均方誤差

分析表1可知，本文方法控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂力矩時(shí)的均方誤差值與其不確定相估值成正相關(guān)關(guān)系。機(jī)械臂在不確定相估值為0.8時(shí)，連桿A和連桿B的控制力矩均方誤差數(shù)值分別為0.0021和0.0020，該數(shù)值均較所設(shè)均方誤差閾值低，其說(shuō)明本文方法控制電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂力矩能力較好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究基于多源大數(shù)據(jù)可視化的電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂滑模控制方法，并將該方法應(yīng)用到某電網(wǎng)巡檢機(jī)械臂運(yùn)作過(guò)程中，以測(cè)試軟件形式驗(yàn)證了該方法的實(shí)際應(yīng)用性，同時(shí)使用大數(shù)據(jù)可視化形式呈現(xiàn)了驗(yàn)證結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：該方法具備較好的電壓控制效果和機(jī)械臂力矩控制效果，也不受機(jī)械臂運(yùn)作過(guò)程中存在電壓波動(dòng)影響，其應(yīng)用效果極佳。