發布時間：2022-03-03所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 目前除冰任務都局限在一些危險區域，路況復雜，機器人采集信息零亂，容易產生干擾; 針對這一問題，設計引入無跡粒子濾波器信息融合思想到除冰機器人的設計中，研究現有的除冰機器人的缺陷，優化設計了一種除冰機器人的本體結構，優化了各種非接觸式傳感器的布局
摘要: 目前除冰任務都局限在一些危險區域，路況復雜，機器人采集信息零亂，容易產生干擾; 針對這一問題，設計引入無跡粒子濾波器信息融合思想到除冰機器人的設計中，研究現有的除冰機器人的缺陷，優化設計了一種除冰機器人的本體結構，優化了各種非接觸式傳感器的布局結構，為避障提供充足的數據來源; 設計了無跡濾波的信息融合技術，解決了在外部復雜環境中某傳感器信息存在的信息干擾; 以上海某智能信息公司的除冰機器人進行實際的測試，實驗包括除冰機器人、YJV22 - 3* 300 電纜，其彎曲直徑為2. 5 m、使用石膏模擬的覆冰、秒表等，對實驗中傳感器采集的數據經過數據預處理后使用 Matlab 7. 0 對其進行準確率仿真，仿真結果表明，這種除冰機器人的避障準確率高達 96. 3% ，在傳感器損壞后，模型恢復的延時不超過 3 s，結構優化明顯。
關鍵詞: 除冰機器人; 信息融合; 無跡粒子濾波
0 引言
輸電線路覆冰是電網受到自然災害的常見形式，這種災害可以引起跳閘、倒桿、大面積停電等冰災事故，給電網的安全運行與人們的日常生活帶來了危害。近些年，我國的輸電線路受到的冰雪災害尤其較多。在保障電力輸電線路安全穩定運行的過程中還不能大量使用專門的除冰裝置，智能使用人工除冰的方式在冰雪環境下除冰，這樣的方式效率低下，同時對電力工人的生命安全帶來了威脅。智能型的輸電線路除冰機器人是在無人控制的情況下在行進過程中智能地避開前方的障礙區，這些障礙物包括絕緣子、防震錘等各種電力器件，順利前進的過程完成除冰作業。近些年，我國在除冰機器人的研究領域展開了大量的研究，各大研究所與高校投入了巨大的精力進行除冰機器人的研制，也出現了很多優秀的研究成果[1 - 3]。
1 無跡粒子濾波的信息融合算法介紹
本文使用了無跡粒子濾波的信息融合技術對除冰機器人[4 - 6]進行優化，這種信息融合技術可以從根本上繞開系統線性化的問題，假設除冰機器人的信息融合時涉及的干擾為
信息在不斷的采集過程中，經過無跡粒子更新濾波器將產生避障信息，控制器通過避障信息對電機與除冰器進行驅動，不斷向前運動完成除冰工作。
2 除冰機器人總體設計
2. 1 機器人的機械結構設計
移動除冰機器人的總體設計包括本體結構、運動控制系統及去冰機構等 3 個部分。本體機構是除冰機器人的主體結構部分，包括機器人前進的履帶結構、與輸電線的柔性夾緊機構及爬行的導向機構。本文在除冰機器人的行進中使用了橡膠式的履帶結構，保證行進中與輸電線有較大的接觸面積與摩擦，柔性的橡膠可以保證輸電線的表面不易受到損壞，夾緊機構使履帶機器人對輸電線的直徑有很好的適應性�？刂葡到y可以實現是除冰機器人的前進與暫停發送指令，實現輸電線的破冰。爬行導向機構能夠實現破冰功能，還可以實現對線纜的維護，具體的機器人的功能劃分為:
2. 2 機器人履帶部位的硬件優化設計
除冰機器人在行進中破冰，其爬行速度要可調。爬行的速度要根據覆冰的厚度進行調整，本文中機器人的本體設計時的性能初步要求如下: 爬行速度 v < 5m/min ，最大爬行坡度 θ > 60o ，破冰刀轉速 t = 300 r/min ，機器人重量 m < 25 kg。本文設計的行進機器人中使用輸電線穿過上下側的履帶，設計了上下兩體的結構對輸電線路繞度的變化做出適應，如圖 3 所示，上下兩體使用彈性機構進行連接，履帶結構包括支架、上下的履帶、履帶的驅動電機等設備，通過底板使用夾緊機構夾緊在上下的輸電線上，導向機構設置的底板的前部與后部。本文的除冰機器人包括第一履帶結構與第二履帶結構兩個部分，主體包括橡膠履帶、驅動輪與傳動軸轉動，傳動軸與驅動輪固定連接，履帶在驅動下工作，兩個壓緊輪可以保證履帶與輸電線之間更加緊扣，增加了機器人的爬行能力。保證除冰機器人在履帶中安全穩定行走少了柔性夾緊機構，輸電線從機器人的中間部位穿過后，上下側的第一、第二履帶夾緊了輸電線，實現爬行，這種結構的引入可以適應不同直徑的輸電線，保證在輸電線上爬行穩定:
2. 3 避障模塊設計
因為在輸電線路被覆冰后重量大大增加，為了防止桿塔不被壓斷，除冰機器人的設計應該盡量保證輕便，便于攜帶，除冰機器人還必須具有很強的智能避障能力。除冰機器人的工作環境線路為引流線路，一些相連物比如防震錘、絕緣子串、懸垂線位移動路徑的障礙物，除冰機器人的工作環境可以總結為強電磁場、半結構化。強電磁場是指機器人運行的環境線路是處在一種帶電運行的線路中，半結構化的環境是指輸電線路的全局宏觀結構模型是事先可以計算得到的，但是局部的障礙物分布與類型是未知的，這些局部環境包括障礙物的位置、機器人的當前位置等。
3 除冰機器人的外部傳感信息的采集
傳感器技術的不斷發展與更新使得除冰機器人在數據來源有更多的選擇，也滿足了更為嚴格的要求，智能除冰機器人可以使用更高性能與高度集成的傳感器進行更為精確地定位與控制，選擇先進的傳感器對周圍的環境數據進行采集時機器人避障的重要部件，機器人要求傳感器具有更高精度、重復性好、穩定性高的特點，對一些惡劣的環境要具有良好的適應能力。傳感器的靈敏度、線性范圍、精度要有適度，因為較高的準確性與靈敏度會影響系統的工作精度，但是如果不能保證精確性也不能實現準確避障的要求，經過以上的分析，本文選取了激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等非接觸式的傳感器構建障礙物的檢測系統。非接觸式的傳感器是通過像磁場、光波、紅外線等中間傳遞介質進行檢測。
4 干擾信息的擬合排除過程
根據第一部分的內容，系統通過無跡粒子濾波的信息融合算法對機器人的行進控制和干擾消除，驅動控制器同時控制著破冰機構刀具的驅動電機。除冰機器人根據傳感器采集數據，數據采集后經過信息擬合產生避障源數據，這些數據包括此時機器人本體距離障礙物的各種信息，配合激光、紅外、超生傳感器信息，根據除冰機器人的干擾消除流程圖如圖 5 所示。
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在除冰機器人的行走中要跨越防震錘、絕緣子、耐張線夾等支撐附件，這些設備就成為除冰機器人在路線行走的障礙區，為跨域這些障礙物，實現長距離智能避障的行走必須能夠基于本身安裝的各種傳感器的數據來識別障礙物的信息，完成避障策略的制定與避障動作，本文將紅外、激光及超聲等非接觸性傳感器采集周圍的環境數據，經過多傳感器數據融合后進行避障計算，傳感器被安裝在除冰機器人的前后左右 4 面，信息融合成為除冰機器人順利前行的重要基礎。
5 系統實驗分析
為了更好地驗證本文的信息融合方法在除冰移動機器人中的優越性，實驗中，以上海某智能計算公司的機器人產品為例，搭建了破冰性能仿真平臺，測試的性能包括避障準確率，破冰速度等關鍵指標，實驗包括除冰機器人、YJV22 - 3* 300 電纜，其彎曲直徑為 2. 5 m、使用石膏模擬的覆冰、秒表等，對實驗中傳感器采集的數據經過數據預處理后使用 Matlab 7. 0 對其進行準確率仿真。實驗中分別將電纜設置為不同的弧度計算其爬行速度與破冰速度，分別將一些傳感器在不同階段關閉，計算其數據融合的準確度，使用無跡粒子濾波器信息融合與標準的粒子信息融合的均方誤差對比圖如圖 6 所示。
圖 6 中表示的標準粒子濾波器濾波時的均方誤差表，濾波器中包含 局 部 濾 波 器 1、局 部 濾 波 器 2 與標準加權融合濾波器。
由圖 7 可見，經過無跡粒子濾波算法更新后的信息融合系統對信息的測量均方差較標準的粒子濾波算法更為準確，針對不同數目的傳感器失效，系統在誤差上表現了較為穩定的變化曲線，誤差保持在 0. 02 附近，證明該方法具有很強的實用性。
6 結束語
本文針對除冰機器人中的傳感器部分失效后無法提供實時準確的數據情況，設計引入無跡粒子濾波器信息融合思想到除冰機器人的設計中，第一，選擇了紅外、激光及超聲 3 種非接觸式傳感器安裝在除冰機器人的周圍，根據除冰的特點設計了適合不同直徑與彎度的除冰機器人，解決了機器人數據來源單一的問題; 第二，采用無跡粒子濾波技術對信息進行融合，解決了在非線性環境中某傳感器信息都是后帶來的信息干擾。在不同傳感器失效的情況下對機器人的除冰性能進行了測試，這種除冰機器人的避障準確率高達 96. 3% ，在傳感器損壞后，模型恢復的延時不超過 3 s，具有很強的實用性。——論文作者：蔣琳瓊，周順先
參考文獻:
[1]孫翠蓮，王洪光，王魯單. 一種改進的超高壓輸電線路巡檢機器人越障方法 [J]. 機器人 RoBOT. 2006，28 ( 4) : 379 - 35.
[2]李鐵錚，居鶴華. 基于柵格空間的移動機器人快速路徑規劃方法[J]. 計算機測量與控制，2012，20 ( 1) : 164-167.
[3]吳功平，肖曉暉，郭應龍，等. 架空高壓輸電線自動爬行機器人的研制 [J]. 中國機械工程，2006，17 ( 3) : 237 - 240.
[4]左 岐，謝 植，孫德輝. 巡線機器人的發展與應用 [J]. 機器人技術與應用，2007，3: 37，42.
[5]周風余，吳愛國，李貽斌，等. 高壓架空輸電線路自動巡線機器人的研制 [J]. 電力系統自動化，2004，28 ( 23) : 59 - 91.
[6]李維贊，王吉岱，孫愛芹. 輸電線路巡檢機器人的設計與控制系統研究 [J]. 制造業自動化，2008，30 ( 11) : 79 - 82.
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