發布時間：2022-02-24所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：針對高壓輸電線除冰機器人工作環境的特殊性以及工作任務的復雜性，建立了機器人的運動學與動力學模型。在此基礎上，通過采用粒子群算法對 PID 控制器三個參數進行在線尋優，實現了除冰機器人的運動控制。最后針對除冰機器人在斜坡爬行的情況進行仿真實驗，證明
摘 要：針對高壓輸電線除冰機器人工作環境的特殊性以及工作任務的復雜性，建立了機器人的運動學與動力學模型。在此基礎上，通過采用粒子群算法對 PID 控制器三個參數進行在線尋優，實現了除冰機器人的運動控制。最后針對除冰機器人在斜坡爬行的情況進行仿真實驗，證明了所設計的模型與運動控制方法的可行性。
關鍵詞：除冰機器人;粒子群算法;運動控制;建模
1 引言
近年來，在俄羅斯、加拿大、美國、日本、英國、芬蘭、冰島和我國等眾多國家，由于輸電線路上的覆冰和積雪，常引起線路跳閘、斷線、倒桿、絕緣子閃絡和通信中斷等事故，帶來了巨大的經濟損失。不僅如此，2008 年初中國南方發生的冰雪災害還帶走了數名電力工人的生命。研究輸電線路除冰機器人替代傳統的人工除冰對于保護電網的安全運行和電力工人的生命安全都具有極其迫切的現實意義。
除冰機器人工作在架空柔性輸電線上底座懸空，主要依靠懸掛在線路上的手臂運動來改變機器人本體的位置和姿態。因此傳統的地面移動機器人建模和路徑規劃方法不再適用于除冰機器人。與除冰機器人類似的自由空間飛行機器人 FFSR 工作在空間微重力環境下，基座處于自由漂浮狀態。Y.Umetani 和 K.Yoshida 對整個機器人系統引入動量守恒定律，提出反映 FFSR 微運動學的廣義雅克比矩陣(GJM)[1];R.Mukherjee 和 Y. Nakamura [2]，K.Yamada 和 K.Tsuchiya [3]，Y.Yokohji 和 T.Toyoshi- ma[4]等人采用不同方法也都推導出了 GJM，并通過對 GJM 分析，將其分析結果應用到各類控制方法中實現了機器人的路徑規劃。此外，Z.Vafa 和 S.Dubowsky 提出虛擬機械手的概念用來描述 FFSR 的幾何結構[5]，提供路徑規劃方法。E.Papadopoulos 和 S.Dudowsky 提出了基于拉格朗日方程的動力學模型[6]，從而實現路徑規劃。S.K.Saha[7]提出一個通用建模方法，并將結果用以實現路徑規劃。此外，高壓輸電線巡檢機器人的研究也為除冰機器人的研究提供了理論依據[8]。
針對高壓輸電線除冰機器人工作環境的復雜性以及工作任務的特殊性，首先結合研究機器人動力學和運動學問題，實現了對機器人的數學建模，再運用基于粒子群優化控制參數的 PID 控制器，對除冰機器人進行運動控制。最后針對除冰機器人在斜坡上爬行的情況進行了實驗仿真，結果驗證了所設計模型和運動控制方法的可行性。
2 除冰機器人模型分析
2.1 除冰機器人結構
由于除冰機器人工作要求以及工作環境都很特殊，設計除冰機器人的結構如圖 1 所示。首先為了保障機器人的可靠性與靈活性，設計為 3 臂結構，其中前后兩臂為三關節機械臂，中間機械臂為可伸縮臂，其末端夾持器都安裝有主驅動輪和從動輪，用來驅動和保持機器人平衡，并配備有除冰機構和抱死機構，以保證除冰、行進、夾持電纜、防滑等功能，這是同巡線機器人相比結構上最大的不同。為了保障除冰機器人安全工作，在本體艙上配置有監控儀器，對除冰機器人運行狀態進行實時監控并返回狀態信息。同時，在本體艙的動力箱為機器人提供穩定工作的動力，保障動力的穩定性與持久性，使用的動力為混合動力(小型汽油機+蓄電池)，是保障除冰和行進同時進行的必要保障，也是巡線機器人動力所不能及的。本體艙內還有控制箱，控制箱主要由工控機和眾多的外圍設備等構成，對機器人運行狀態進行實時控制，特別是除冰控制是巡線機器人空缺的功能。
2.2 除冰機器人模型的建立
在建立除冰機器人模型之前，先做如下約定：(1)除冰機器人左右臂關節均為轉動關節;(2)假設機械手在運動過程中嚴格遵守動量守恒定律、力平衡和動量平衡定律;(3)系統全部由剛性構成。在滿足以上約定的前提下，建立除冰機器人的幾何模型如圖 2 所示。
其中符號約定如下：mij：第 j 個機械臂的第 i 個連桿的質量，其中 i=1，2，3，j=b，(分別表示后臂和前 f 臂);m0：本體艙質量;mm：中間臂質量;pij：機械臂末端效應器在慣性坐標系中的位置向量;aij：機械臂連桿坐標系中，從關節 i 指向連桿 i 質心的位置向量;bij：機械臂連桿坐標系 i 中，從關節 i 質心指向關節 i+1 的位置向量;lij：機械臂連桿坐標系 i 中，從關節 i 指向關節 i+1 的位置向量;準ij：第 j 個機械臂的第 i 個連桿與水平方向所成的夾角;α：輸電導線與水平方向所成的夾角。
4 檢驗與仿真
除冰機器人模型各參數如下：本體艙為長 0.8 m，寬 0.6 m，高為 0.6 m，重為 15 kg 的長方體，機器人左右兩臂對稱，第一連桿和第二連桿都長為 0.3 m、重 1 kg，第三連桿長為 0.2 m、重 0.5 kg，中間臂長最大值為 0.8 m，最小值為 0.5 m，重為 1.5 kg。輸電導線與水平方向所成角度為 a=0.5°，輪子半徑為 r=0.025 m，兩輪的水平間距都為 0.25 m，中間伸縮臂長為 0.65 m。
通過運用 PSO 算法優化參數后的 PID 控制器對除冰機器人進行控制，其仿真實驗結果如下。
從圖 5 可知，用 PSO 算法優化參數后的 PID 控制器能夠絕對逼近加速度曲線。從圖 6 也可以看出，其速度曲線的逼近程度也很好。此外，通過圖 7 可以直觀地看到加速度誤差在 5% 以內。實驗結果說明，運用所建立的模型，再經過 PSO 算法優化參數后的 PID 控制器控制，能夠實現對機器人的精確運動控制。此外，用 BP 神經網絡參數優化 PID 控制器，得到的速度和加速度誤差分別為 9.8%和 10.3%，遠大于 PSO 算法優化模型。
5 總結
就高壓輸電線除冰機器人工作環境的復雜性以及工作任務的特殊性考慮，結合考慮了機器人運動學和動力學問題，對機器人的數學建模。并根據建立的模型，運用基于粒子群優化控制參數的 PID 控制器，對除冰機器人進行運動控制。最后針對除冰機器人在斜坡上爬行的情況，進行了實驗仿真，結果驗證了所設計模型和運動控制方法的可行性。——論文作者：張海霞，孫 煒，繆思怡
參考文獻：
[1] Yoshida K，Umetani Y.Control of space free flying robot [C]//Proc IEEE Conf Decis Control，1990，90：97-102.
[2] Mukheijee R，Nakamura Y.Formulation and efficient computation of inverse dynamics of space robots[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation，1992，8(3)：400-406.
[3] Yamada K，Tsuchiya K.Efficient computation algorithm for manipu- lator control of a space robot[J].Soc Instrument Contr Eng Trans， 1990，26(7)：765-772.
[4] Yoshida K.Experimental study on the dynamics and control of a space robot with experimental free -floating robot satellite(EEO- FORTS) simulators[J].Advanced Robotics，1995，9(6)：583-602.
[5] Vafa Z，Dubowsky S.The kinematics and dynamics of space ma - nipulators：The virtual manipulator approach[J].The International Jour- nal of Robotics Research，1990，9(4)：3-21.
[6] Papadopoulos E，Dubowsky S.On the nature of control algorithms for free-floating space manipulators[J].IEEE Trans Robotics Automat， 1991，7(5)：750-758.
[7] Saha S K.A unified approach to space robot kinematics [J].IEEE Transactions on Robotics and Automation，1996，12(3)：401-405.
[8] 張運楚，梁自澤，譚民.架空電力線路巡線機器人的研究綜述[J].機器人，2004，26(5)：467-473.
[9] 朱興龍，王洪光，房立金，等.輸電線巡檢機器人行走動力特性與位姿分析[J].機械工程學報，2006，42(12)：143-150.
[10] 郭琦，洪炳蓉，吳葳.雙臂六自由度空間機器人廣義雅可比矩陣的推導[J].電子學報，2005，2(2)：322-326.
[11] 周風余，李貽斌.高壓輸電線路自動巡線機器人機構設計及在約束條件下的逆運動學分析[J].中國機械工程，2006，17(1)：4-9.
[12] Silva G J，Datta A，Bhattacharyya S P.New results on the synthe- sis of PID controollers[J].IEEE Transactions on Automatic Con - trol，2002，47(2)：241-252
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