基于有限狀態機的絕緣子檢測機器人越障控制

劉寧波,張靜鑫,舒 瑩

(安徽明生恒卓科技有限公司,安徽 合肥 230093)

0 引言

電力市場經濟的發展對配電網[1-2]供電可靠性提出了更高的要求,配電網輸電線路的安全運行保障至關重要。巡檢機器人作為替代人工的長距離巡檢作業移動平臺,近年來被電力應用領域所重視。配電網輸電線路中,線路絕緣檢測是基礎作業,配電網輸電線路外部絕緣材料若出現漏電現象,不僅會影響配電網的運行,還會給人們帶來人身安全的威脅,因此給電力輸電線路配備絕緣子檢測專項檢測機器人,就顯得尤為重要。但是,由于近年來配電網輸電線路復雜性逐漸提高,絕緣子檢測機器人在巡檢過程中,經常會遇到各類障礙物從而影響機器人的巡檢效果,因此基于機器人自身設備狀態,對其進行必要的越障控制,成為當前電力系統亟待解決的問題。

文獻[3]在機器人上搭載傳感器設備,利用傳感器對周圍數據實施采集處理,并建立數據融合器對采集數據實施融合,建立周邊環境數據集合;再基于數據集合分析結果對機器人行進路線展開越障規劃;最后根據規劃結果進行移動,從而實現對機器人的越障控制。文獻[4]基于地面力學原理,對巡檢周邊路面參數展開分析,確定周邊路面特性;再利用柔性動力學線段模型構建機器人的行走虛擬樣機模型,結合路面參數進行虛擬模擬機器人行走路徑規劃;最后將模擬結果發送至機器人中控界面,控制機器人完成實際巡檢環境的安全越障。文獻[5]通過D-H法對機器人展開推導,建立雅克比矩陣;再結合拉格朗日動力學方程得到機器人操作臂慣性矩陣,同時構建出機器人動力學的評價指標;最后根據機器人逆運動學反解,獲取空間軌跡衡量指標,尋找機器人最佳越障軌跡,完成越障。

由于未能在越障控制前,對機器人展開詳細的動力學分析,導致上述方法在對機器人進行越障控制時,獲得的控制效果較差。因此,為了提升絕緣子檢測機器人越障控制效果,本文提出基于有限狀態機的絕緣子檢測機器人越障控制方法。

1 絕緣子檢測機器人動力學分析

1.1 機器人運行環境特點及結構分析

絕緣子檢測機器人需要搭載高清攝像機、紅外熱成像儀[6]等檢測儀器作為載荷系統,沿配電網輸電線路方向進行絕緣子路徑巡檢,巡檢過程中主要沿輸電線路進行直線段的無障礙、跨越及避讓障礙的行駛。絕緣子檢測機器人結構如圖1所示。

圖1 絕緣子檢測機器人結構

1.2 機器人越障動力學分析

在開展機器人動力學分析前,需要對機器人重心變化下的越障繞線偏轉狀態展開具體分析,獲取抓線臂繞線偏轉模型,如圖2所示。

圖2 機器人抓線臂繞線偏轉模型

基于圖2可知,重心移動系數為μ,偏轉模型中機器人的抓線臂為O,越障臂為E,重心在與地線垂直面上所移動的距離為d, 越障臂與地線之間夾角為β,移動距離記為x,抓線臂偏轉角度為θ,檢測機器人臂長為L。基于上述參數設定結果,對絕緣子檢測機器人的平衡擺角展開計算,結算結果為

θ≈[μ×sinβ/L]x

(1)

式中:sinβ為絕緣子檢測機器人越障臂導軌與地線之間正弦夾角。

基于上述計算結果可知,對絕緣子檢測機器人在由于移動而產生的重心偏移下出現的抓線臂轉角影響較大的參數為β和x。

設定絕緣子檢測機器人越障過程中,滑輪半徑為r,鋼絲繩彈性系數為α,滑輪轉角為φ,傳感器電壓為v1,控制器電壓為v2,獲取機器人運動方程[7]為

(2)

式中:T1、T2為不同滑輪線路的轉矩向量;t為當前狀態;n為運動學參數數量。

基于上述獲取的機器人運動方程,將機器人越障時的鋼絲繩形變長度設為y1=(rφ-x),越障臂的移動速度設為y2=dx/dt,滑輪角速度設為y3=d?/dt,以此將式(2)中的2個方程聯立,獲取鋼絲繩形變長度的一階導數,具體為

(3)

當絕緣子檢測機器人的臂長為0時,機器人的電機磁場電流為I=V/R,電機扭矩為Tn。基于上述計算結果獲取機器人系統狀態方程為

(4)

式中:J為機器人轉矩雅克比矩陣。

2 基于有限狀態機的越障控制算法

在上述絕緣子檢測機器人的動力學分析結果基礎上,建立越障運動學模型,對機器人實施越障擾動控制,從而實現對機器人的越障路徑規劃,完成絕緣子檢測機器人的越障控制。

2.1 機器人越障運動學模型建立

在開展機器人越障控制過程中,有限狀態機[8-9]指含有有限個狀態變換的概念集,包含有限狀態、輸入以及狀態遷移規則的集合,數學表達式為

M=(P,Ψ,γ,p0,F)

(5)

式中:P為機器人控制系統狀態數據集合;Ψ為故障事件輸入集合;γ為狀態遷移函數;p0為初始狀態;F為終止狀態集合。

基于上述獲取的相關參數,建立機器人絕緣子檢測時的自主越障控制模型。模型建立流程如下:

a.對機器人傳感器檢測信息實施離散化處理。設定手臂前方無障礙向量為χz0,障礙向量為χz1,其中z表示機器人運動位置。以此建立絕緣子檢測機器人前臂、中臂、后臂的行走障礙信息集合,過程為

η0={χ00,χ01};η1={χ10,χ11};η2={χ20,χ21}

(6)

式中:η0、η1、η2分別為前、中、后臂的障礙信息集合。

基于上述建立的行走障礙信息集合,對機器人運動關節的數據信息實施離散化處理,建立關節狀態信息集合為η3={C0,D0,E0,F0,G0,ι0},機器人前行走臂、中行走臂以及后行走臂狀態分別為C0、D0、E0,前壓緊臂、后壓緊臂狀態為F0、G0,機器人行走狀態為ι0。基于上述建立的集合,獲取機器人避障時的傳感器檢測信息集合η={ηk|ηk∈η0,η1,η2,η3}。

b.獲取機器人越障姿態,并對獲取的姿態集合與上述建立的關節狀態集合實施對應處理,建立的越障姿態集合為

Vi={V0,V1,V2,…,V6}

(7)

式中:V0為機器人行走常態;{V0,V1,V2,…,V6}為越障時的越障動作序列;Vi為第i個越障姿態。

c.最后,根據上述建立的機器人越障動作序列,將根據有限狀態機理論建立的傳感器數據集合η作為遷移條件,建立越障運動控制模型,模型表示為

(8)

式中:κi,j為第i個機器人越障姿態Vi向第j個姿態Vj遷移時的控制函數;ζi,j為監督函數;MF為建立的機器人越障運動控制模型。

2.2 絕緣子檢測機器人越障擾動控制

基于上述建立的機器人越障運動控制模型,獲取越障控制目標函數,結合B樣條曲線[10]跟蹤方法對模型實施求解,獲取模型最佳越障路徑規劃結果,實現絕緣子檢測機器人的越障控制。

設定越障控制模型的自適應加權系數為μ(k),檢測絕緣子時得到擾動增量Δζ、Δυ,以此建立越障控制模型的空間路徑規劃函數,結果為

(9)

式中:ρ為模型參數的分布狀態;g(k)為空間路徑規劃函數;w(k)為越障路徑數量;λk為尋優系數;k為越障次數。

最后,基于上述建立的空間路徑規劃函數,采用最大似然估計方法,獲取機器人最佳越障評估協方差矩陣,通過計算取得最佳越障路徑,從而實現機器人絕緣子檢測時的越障控制[11-12],結果為

uj(k)=Oj(k)/g(k)×?j(k)

(10)

式中:uj(k)為第j個姿態下的最佳越障路徑;Oj(k)為第j個姿態下的最佳越障評估協方差矩陣;?j(k)為第j個姿態下的模型參數融合向量。

3 測試與分析

為了驗證上述機器人越障控制方法的整體有效性,需要對此方法進行測試。

3.1 測試準備

測試過程中以基于有限狀態機的絕緣子檢測機器人越障控制(本文方法)、基于多傳感器信息融合的輸電線路巡檢機器人自主越障方法(文獻[3]方法)、煤礦履帶巡檢機器人多體動力學建模及越障仿真方法(文獻[4]方法)為對比方法進行測試,以驗證本文方法的可行性與越障控制性能。測試對象如圖3所示。

圖3 絕緣子檢測機器人

為驗證機器人越障方法有效性,基于仿真平臺建立仿真環境,將機器人越障障礙物直徑大小設為0.38 dm,距配電網電纜中心2 dm,長度為2.4 dm。測試過程中,將機器人越障時的關節角度、電流值大小作為機器人越障控制性能檢測指標,結合機器人越障控制實際應用效果,檢測不同越障控制方法在實際越障時的有效性。

3.2 越障控制性能測試

采用本文方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法開展機器人越障控制時,對越障過程中的關節轉向角度、電流輸出大小展開測試,對比結果如圖4所示。

圖4 不同方法的機器人關節角度、電流輸出測試結果

分析圖4可知,在測試過程中,本文方法基于機器人結構對絕緣子檢測機器人開展了詳細的動力學分析,所以經本文方法越障控制下測試出的機器人越障關節轉向角度與輸出電流與期望轉向角度、輸出電流基本一致;文獻[3]方法在開展越障路徑規劃時,采集的周邊環境數據中未包含機器人越障姿態變換數據,導致該方法在測試過程中,測試結果與期望輸出之間存在一定差距;而文獻[4]方法在越障控制時,模擬越障過程未能將實際越障中可能出現的問題考慮其中,因此該方法測試結果與實際期望輸出之間存在較大差距。

3.3 越障控制效果對比

基于越障控制性能測試結果,將上述3種越障控制方法運用到實際絕緣子檢測中,獲取3種方法在越障過程中的控制曲線,結果如圖5所示。

圖5 不同方法的實際越障控制效果

分析圖5可知,文獻[3]方法與文獻[4]方法在越障控制過程中測試出的越障控制曲線與期望控制曲線之間存在較大差距;而本文方法在控制越障時,測試出的控制曲線與期望控制曲線之間較為接近。由此可知,本文方法在絕緣子檢測過程中的越障控制效果更好。

4 結束語

隨著配電網的智能化發展,輸電線路巡線機器人的檢測范圍愈加廣泛。為保障配電網能夠高效率地完成電力輸出任務,輸電線路絕緣子檢測機器人的越障控制顯得尤為重要。針對傳統越障控制方法中存在的問題,提出基于有限狀態機的絕緣子檢測機器人越障控制方法,在機器人動力學分析基礎上,構建機器人越障控制模型,建立目標越障路徑規劃函數并對模型實施求解,獲取最佳越障路徑,以實現絕緣子檢測機器人的精準越障控制。