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一种输电线路巡检机器人控制系统的设计与实现 |
| 1 引言（Introduction） 近年来，随着采用机器人来替代或协助人完成输电线巡检作业的需求增长，输电线路巡检机器人成为国内外机器人领域的研究热点之一 1_2 J．国际上对于输电线路巡检机器人技术的研究始于20世纪80年代，有代表性的研究成果包括日本东京电力公司及日本三菱电机株式会社研制的高压线巡检机器人样机．日本东京电力公司于1989年开发出一台样机，该机器人主要用于光纤架空地线外包钢线及内部光纤铝膜的检查，具有沿光纤架空地线行走、跨越障碍及巡检等功能，机器人控制系统采用基于离线编程的运动控制和基于传感器反馈信息的精确定位控制方式 J．国内的研究起始于20世纪．90年代，主要的研究单位包括中科院沈阳自动化研究所、武汉大学、中科院自动化研究所和北京航天航空大学等．武汉大学巡检机器人样机采用双臂式结构，通过遥控的方式实现了杆塔障碍的跨越 ．中科院自动化所提出了三臂巡检机器人结构并通过试验验证了其越障功能．中科院沈阳自动化所研制了一档内输电线巡检机器人样机及具有跨越杆塔障碍功能的越障巡检机器人样机，并开展了试验研究．中科院沈阳自动化所的越障巡检机器人样机采用双轮臂复合式机构，可以根据障碍物形状及作业要求，通过尺蠖式运动、单臂旋转等多种方式跨越障碍J．综上所述，具有越障功能的巡检机器人尚处于研制阶段，还需要进一步的完善以达到实用化要求．超高压输电线路巡检机器人研究涉及机构、控制、通讯及能源等多项技术，其中控制系统的设计对于整机性能的实现具有至关重要的作用． 2 机器人机构及运动学（Robot mechanismand kinematics） 图1所示为中国科学院沈阳自动化所研制的具有跨越杆塔障碍功能的越障巡检机器人系统照片，该系统由机器人及地面便携式控制器组成．机器人由两个相同的轮臂复合机构和一个巡检作业箱体组成．轮臂复合机构用来实现机器人在架空地线上的行走及跨越杆塔障碍功能，其主要组成部分包括行走轮、夹持手爪和手臂．行走轮和手爪通过一个旋转关节和一个伸缩关节连接在手臂上，而两个手臂分别固联在滑动导轨上．机器人箱体可以在滑动导轨上滑动，以便在机器人单手抓线时调整机器人重心到抓线手臂上，保持机器人姿态稳定．机器人箱体主要用来携带云台摄像头、机器人主控制器、无线收发装置、图像传输系统、电机驱动器等电子设备．  为了实现机器人自主越障，建立了运动学模型并推导了运动学方程．巡检机器人机构简图如图2所示．机器人一手抓线，另外一手找线，其运动学方程如下： 式中： 式中：
 3 控制系统设计（Design of the control system） 输电线巡检机器人运行环境为距离地面几十米的超高压输电线避雷线，操作者很难通过肉眼实现对机器人作业状态的准确判断并发出相应的控制指令．根据巡检作业任务、现场应用的实用性与可靠性指标的要求，确定采用遥控与局部自主相结合的控制模式实现巡检机器人沿线行走及跨越障碍．如图3所示，巡检机器人控制系统由机器人本体控制系统和地面远端控制平台两部分组成．机器人本体控制系统采用基于PC104总线的嵌入式计算机系统．其组成如下：核心模块MSM586SV、通讯模块EMM-8-XT、运动控制模块PMAC2A-PC104、A／D转换模块DMM-16-AT、I／O模块IR104．为实现机器人本体控制器与远端控制平台的控制信息交互及检测图像的传输，分别采用了基于串i=1通讯的无线数传电台系统和微波图像传输系统．机器人地面远端控制平台主要功能为：通过无线通讯实现与机器人本体控制间的控制信息传输及检测图像的接收与存储．主要硬件组成为：主控计算机IPC6008、微波接收机、PCI图像采集卡、无线数传系统．为了满足巡检作业的要求，控制系统需解决的关键问题包括：1）遥控与局部自主控制模式的有机结合；2）局部自主越障控制的实现．本文针对巡检机器人的工作特点，通过建立巡检机器人有限状态机模型，实现了遥控与局部自主控制模式的有机结合，采用预编程与传感器定位结合的方法完成了巡检机器人的自主越障控制．  4 基于有限状态机模型的软件设计（Softwaredesign based on model of finite statemachine） 输电线巡检机器人的主要作业任务包括：1）沿避雷线行走，根据地面控制台的控制信息调整摄像头观测角度及观测视野，在检’狈0到线路破损点后停止行走并采集破损信息；2）当巡检机器人运行到杆塔附近时，可以在操作者和机器人控制器的协作控制下越过线上障碍物（防震锤、单挂点金具、双挂点金具、压接管等），然后进入下一档输电线路的检测．为便于实现机器人自主控制与遥控的结合，本文建立了巡检机器人有限状态机模型，并根据有限状态机模型实现机器人控制软件编程工作． 4．1 巡检机器人有限状态机模型 巡检机器人在巡检作业运行过程的每一时刻都处在某一特定状态．因此巡检机器人的控制过程可以用有限状态机来描述． 巡检机器人的工作过程主要包括6个状态，即K= ｛等待状态，行走状态，遇障状态，越障状态，下线状态，出错状态｝．初始状态为完成初始化的机器人被送上架空地线等待远端控制平台控制信息；行走状态为机器人行走轮驱动机器人在线上行走，摄像头云台按远端控制信息调整姿态，检查待检线路；检测状态为当发现线路故障可疑点后，巡检机器人调整好有利的位置姿态，采集疑似故障点图像信息；遇障状态为机器人环境识别系统判断出机器人运行到杆塔附近，并识别出障碍物类型及障碍物位置姿态信息，等待远程控制信息；越障状态为机器人在远程控制信息与机器人控制器的协调控制下通过两轮臂复合系统的顺序动作越过杆塔障碍进入下一档距；下线状态为机器人停靠在杆塔附近，等待工作人员将其从架空地线上取下完成巡检作业；出错状态为巡检机器人系统出现故障不能正常完成巡检作业的状态．巡检机器人的最终状态有两种：F=｛下线状态。出错状态｝ 4．2 有限状态机模型的输入与状态转换 巡检机器人的作业过程可以由以上状态机模型定义的状态之间的相互转换来描述，可以激发状态转换的为有限状态机的输入．下面描述输入与状态转换之间的关系．在初始状态下，机器人接收到远程控制信息后可以进入到行走状态；机器人处于行走状态时，对于不同的输入有不同的状态转换：检测到疑似障碍点时转换到检测状态。环境识别系统发现障碍物时转换到遇障状态，发现系统错误时转换到出错状态；机器人进入检测状态后，操作者可采集疑似故障点信息，在操作者完成疑似故障点信息采集后，机器人转换回行走状态；机器人处于遇障状态时，操作者的越障指令可以使机器人转换到越障状态，亦可转换到下线状态；在下线状态，机器人等待操作人员将其取下，不再做其它状态转换；在出错状态，机器人自动转换为行走状态．图4描述了巡检机器人有限状态机模型的状态转换关系．图5为机器人控制软件流程图．机器人控制程序在完成初始化后进入初始状态，远程控制指令和环境信息作为外界输入与有限状态机模型匹配，并完成状态转换+控制程序根据远程控制信息对机器人进行作业控制．建立输电线巡检机器人自动运行有限状态机模型使机器人的控制流程变得明晰，有利于实现软件编程和人机交互．  5 自主越障控制（Autonomous obstacle．na．vigation contro1） 在巡检作业过程中，机器人在沿架空地线行走的同时将拍摄到的输电线路和辅助设备的图片发送回远端控制平台．机器人在完成一档内（两个杆塔之间称为一档）的巡检任务后，将跨越杆塔、防震锤等障碍物（见图6），进入下一档输电线路．由于巡检机器人在高空中工作，操作者很难对其进行有效的远程控制因此自主跨越杆塔障碍是巡检机器人的控制难点．本文针对巡检机器人的工作特点，采用预编程与传感器定位相结合的方法完成巡检机器人的自主越障控制． 如图7所示，根据本文介绍的巡检机器人机构特点，任何越障过程可以分为两步：1）一只机械手固定在障碍物前的输电线上，另外一只机械手通过机器人关节运动绕到障碍物后；2）通过抓线控制使机械手准确抓到障碍物后的输电线．重复步骤1）、2）即可跨越障碍．为在抓线控制时准确确定输电线的位置，每个机械手上都安装了两个激光传感器  通过机器人抓线手臂旋转可以使找线手臂的一个激光器发出的激光束打到输电线，这时激光传感器会产生一个开关量信号．机器人控制器在检测到该信号后记录下机器人当前的关节坐标，抓线手臂停止旋转，改为找线手臂旋转，直到另外一个激光传感器检测到输电线．记录下此时机器人关节坐标，由记录下的机器人关节坐标值可求出两个激光器检测到输电线时的坐标S 1、S 2．输电线的位置姿态可以由S 1、S 2：两点确定，输电线的找线控制转换为控制两个激光传感器的光束都打到过S 、 的直线上．该控制过程可分解为两个同时进行的控制步骤： 1）调整机械手的位置使其在输电线正上方； 2）调整机械手的姿态与过S 1、S 2的直线相同． 根据以上两步骤可设计如下控制算法：  理论上，以上控制算法可实现机器人手爪的准确抓线，但由于机械结构间隙及加工误差等原因，机器人的运动学模型有一定的误差．为确保抓线的准确性，在完成上述控制算法后，通过激光传感器对控制结果进行检测，即旋转找线手臂分别记录下两个激光传感器检测到输电线时的关节坐标，若两关节坐标差小于容许值，则认为已经准确找线，否则应用以上控制算法重新开始找线，直到误差足够小．基于激光传感器的自主越障控制可由以下步骤完成： 1）抓线手臂旋转，直到一个激光传感器检测到输电线，停止旋转并记录下关节坐标； 2）找线手臂旋转，直到另一个激光传感器检测到输电线，停止旋转并记录下关节坐标； 3）根据以上两个关节值控制机器人完成找线； 4）重复执行步骤2），若两次关节坐标之差小于。 容许误差，则找线结束，找线手臂抓线；若两次关节坐标差大于容许值，则重复执行步骤3）． 6 实验（Experiments） 为验证该巡检机器人机构及控制系统的有效性，在实验室建立了模拟超高压输电线路，障碍物包括防震锤、悬垂金具等．针对线路上的障碍物环境进行了实验研究+机器人本体控制器采用c语言编程，地面控制端采用VC++语言编程．实验过程中，首先将机器人安装在模拟线路上，机器人程序进入到初始状态+当接收到远程控制端行走指令后进入到行走状态．机器人遇障传感器检测到障碍物后，机器人进入到越障状态．机器人可根据预编程越障步骤及激光传感器信息完成自主越障，或根据操作者指令进入到手动越障状态． 7 结论及未来工作（Conclusion and futurework） 本文介绍了一种能自主跨越杆塔障碍的输电线巡检机器人，提出了该机器人控制系统的设计与实现方法．通过建立巡检机器人的有限状态机模型，实现了遥控与局部自主控制模式的有机结合，采用预编程与传感器定位结合的方法，完成了巡检机器人的自主越障控制．在实验室模拟超高压输电线线路环境下进行了实验研究，实验结果表明，该机器人可实现沿线行走及自主跨越障碍，从而验证了控制系统设计的有效性与合理性．未来的工作将集中在提高机器人在超高压输电线现场复杂环境下的可靠性、解决电磁兼容以及进行现场实验等实用性问题．研究，分析比较了Strider机构与Flipper机构的特性．仿真结果表明，Strider机构在运动过程中所需吸附力矩较小且占据的空间较少． |
d2 、d3 、
分别为两旋转和两伸缩关节变量．对上式求导可求得机器人雅可比矩阵方程：
分别为找线手爪末端速度和机器人关节速度．
