巡檢機(jī)器人自主充電對(duì)接控制方法

吳功平， 楊智勇， 王　偉, 郭　磊， 胡　健， 周　鵬

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院, 武漢 430072)

巡檢機(jī)器人自主充電對(duì)接控制方法

吳功平， 楊智勇， 王偉, 郭磊， 胡健， 周鵬

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院, 武漢 430072)

摘要:為保證輪臂復(fù)合式巡檢機(jī)器人與太陽(yáng)能充電基站充電座能準(zhǔn)確和可靠自主充電對(duì)接，提出一種基于位置關(guān)系粗定位、視覺(jué)伺服精定位、以及壓力傳感器接合反饋的自主充電對(duì)接控制方法. 通過(guò)感知機(jī)器人所處地線坡度信息，將安裝在機(jī)器人壓緊機(jī)構(gòu)的充電插頭運(yùn)動(dòng)至安裝在懸垂C型掛板底端中心部位的充電座附近;根據(jù)圖像空間充電座中心棱邊與成像區(qū)域中心線距離來(lái)表征圖像特征的變化，設(shè)計(jì)充電精定位伺服控制律，采用變論域模糊控制方法進(jìn)行精確定位控制;依據(jù)貼合在正負(fù)電極片下壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)變化反饋對(duì)接狀態(tài). 模擬線路和實(shí)際線路的試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，該方法具有準(zhǔn)確、可靠、效率高的特點(diǎn)，能夠滿足自主充電對(duì)接的任務(wù)要求.

關(guān)鍵詞:視覺(jué)伺服；自主對(duì)接；巡檢機(jī)器人；架空輸電線路；模糊控制

巡檢機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)巡檢作業(yè)自動(dòng)化的重要工具之一[1-3]. 由于高壓輸電線路多分布在野外，跨越山川湖泊，機(jī)器人巡檢過(guò)程中更換電池比較困難，從而限制了巡檢機(jī)器人的廣泛應(yīng)用[4]. 為實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人全線路自主巡檢，能量補(bǔ)給是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一. 目前,高壓輸電線路在線能量補(bǔ)給的主要方式有太陽(yáng)能充電[5]、感應(yīng)取電[5-6]等. 為減輕搭載在機(jī)器人上取電裝置負(fù)載重量，目前多采用在桿塔上搭建太陽(yáng)能充電基站的方式為機(jī)器人提供能量. 巡檢機(jī)器人從太陽(yáng)能充電基站獲取能量，面臨著機(jī)器人充電插頭與太陽(yáng)能充電座充電定位與對(duì)接的問(wèn)題. 機(jī)器人運(yùn)行在柔性懸鏈線結(jié)構(gòu)的地線[7]上，存在因地線坡度變化造成充電插頭與充電座定位困難的問(wèn)題，再加之高空風(fēng)載使機(jī)器人繞地線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而加大充電定位與對(duì)接難度. 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)充電定位與對(duì)接已開(kāi)展了許多研究，Cassini等[8]設(shè)計(jì)了一種通過(guò)光線束引導(dǎo)機(jī)器人與充電站進(jìn)行自主充電的方法,該方法適合在室內(nèi)光強(qiáng)影響較小的環(huán)境. Yuta等[9]使用導(dǎo)航系統(tǒng)，利用已知環(huán)境地圖引導(dǎo)機(jī)器人與充電站對(duì)接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主充電， 但存在一旦環(huán)境地圖受到破壞，機(jī)器人將失去尋找目標(biāo)的缺點(diǎn)，并限制了移動(dòng)機(jī)器人的靈活性. Nourbakhsh等[10]和Silverman等[11]采用視覺(jué)系統(tǒng)與信標(biāo)對(duì)充電目標(biāo)進(jìn)行定位充電，但兩者均要求充電插針必須對(duì)正窗口的支點(diǎn)，定位精度要求較高. 郝宗波等[12]使用激光傳感器、PTZ彩色攝像機(jī)和里程計(jì)來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行自主充電，但沒(méi)有進(jìn)行充電裝置設(shè)計(jì)，對(duì)接容忍度過(guò)小，容易導(dǎo)致充電失敗. 林丹等[13]提出以返回固定充電座為目標(biāo)的自主返回路徑規(guī)劃策略，該方法需要求機(jī)器人具有先驗(yàn)知識(shí)，不適用于機(jī)器人在周?chē)h(huán)境復(fù)雜的柔性懸鏈線結(jié)構(gòu)地線上充電定位對(duì)接.

本文采用基于坡度信息的位置關(guān)系粗定位，通過(guò)充電插頭與充電基站充電座之間的相對(duì)位置關(guān)系，將充電插頭運(yùn)動(dòng)至充電座附近，使充電座進(jìn)入安裝在壓緊輪支架上的攝像頭視野范圍內(nèi)；通過(guò)圖像處理提取充電座中心棱邊與成像區(qū)域中心線截距特征值，伺服控制機(jī)器人收展臂運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到充電定位精確定位的目的；結(jié)合機(jī)器人的控制經(jīng)驗(yàn)，采用變論域模糊控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人充電對(duì)接過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服控制，并根據(jù)壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)變化反饋充電對(duì)接結(jié)合狀態(tài). 通過(guò)模擬線路試驗(yàn)和實(shí)際線路的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性.

1巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)

1.1巡檢機(jī)器人太陽(yáng)能充電系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人采用輪-臂-夾持器復(fù)合的雙臂懸掛移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu). 圖1(a)為太陽(yáng)能充電基站與機(jī)器人示意圖，該機(jī)構(gòu)共有4個(gè)自由度，其中，行走關(guān)節(jié)I為虛絞；回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)IV和VI分別為兩個(gè)機(jī)械臂繞鉛垂軸的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；移動(dòng)關(guān)節(jié)V為雙臂相對(duì)機(jī)體的移動(dòng)，兩臂收攏稱(chēng)為收臂運(yùn)動(dòng)，兩臂張開(kāi)稱(chēng)為展臂運(yùn)動(dòng). 4個(gè)關(guān)節(jié)可執(zhí)行動(dòng)作為：行走關(guān)節(jié)I實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人相對(duì)地線的滾動(dòng)；移動(dòng)關(guān)節(jié)V實(shí)現(xiàn)雙臂相對(duì)地線的蠕動(dòng)爬行；回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)IV和VI提供變曲率仿形運(yùn)動(dòng)；為了實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的蠕動(dòng)爬行功能和提高爬坡能力，在每個(gè)臂上各增加一對(duì)壓緊輪，由有限約束回轉(zhuǎn)副II實(shí)現(xiàn)壓緊輪的均壓運(yùn)動(dòng)，為充電插頭與充電座對(duì)接的自適應(yīng)調(diào)整提供支持. 由移動(dòng)副III和VII提供壓緊輪的壓緊和松開(kāi)運(yùn)動(dòng).

1—地線；2—后臂；3—后臂壓緊輪；4—鋰電池；5—機(jī)體；6—二維傾角傳感器；7—攝像頭；8—前臂壓緊輪支架；9—前臂壓緊輪；10—前臂；

11—充電插頭；12—充電座；13—懸垂C型掛板；14—控制箱；15—太陽(yáng)能電池板；16—蓄電池；17—充電座正電極片；18—充電插頭正電極片；

19—正電極片壓力應(yīng)變片傳感器；20—負(fù)電極片壓力應(yīng)變片傳感器；21—充電插頭負(fù)電極片；22—充電座負(fù)電極片；

(a)太陽(yáng)能充電基站與機(jī)器人示意(b)充電座與充電插頭示意

圖1巡檢機(jī)器人太陽(yáng)能充電系統(tǒng)

太陽(yáng)能充電基站采用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)到蓄電池，由蓄電池向機(jī)器人鋰電池充電的取能方案. 在圖1(a)中，太陽(yáng)能充電基站由太陽(yáng)能電池板15、控制箱14、蓄電池16、充電座12組成，充電座安裝在懸垂C型掛板13正下方；充電插頭11安裝在前臂壓緊輪9上，攝像頭7安裝在前臂壓緊輪支架8上，充電插頭、攝像頭的中心面與前臂10中心面在同一平面. 圖1(b)為充電座與充電插頭細(xì)節(jié)示意圖，充電座12“︿”形兩斜面上分別安裝正電極片17和負(fù)電極片22；充電插頭由正電極片18、正電極壓力應(yīng)變片傳感器19、負(fù)電極片21和負(fù)電極壓力應(yīng)變片傳感器20構(gòu)成. 正負(fù)壓力應(yīng)變片傳感器分別貼合在正負(fù)電極片的下方，當(dāng)充電插頭與充電座對(duì)接完成后，正負(fù)電極片因充電插頭與充電座相互作用產(chǎn)生形變，正負(fù)壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)發(fā)生變化.

1.2機(jī)器人充電對(duì)接的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)器人檢測(cè)到自身電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，將在就近的充電基站處進(jìn)行充電，完成能量補(bǔ)給. 圖2為機(jī)器人充電對(duì)接運(yùn)動(dòng)規(guī)劃流程圖，機(jī)器人前臂壓緊輪碰檢懸垂C型掛板，初步確定充電基站充電座的所在位置，如圖2(a)所示； 機(jī)器人兩臂收攏，為機(jī)器人充電定位預(yù)留運(yùn)動(dòng)空間，此時(shí)，前臂壓緊輪處于壓緊狀態(tài)，固定不動(dòng)，如圖2(b)所示；前臂壓緊輪松開(kāi)到松開(kāi)極限位置，如圖2(c)所示；充電定位運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，后臂壓緊輪壓緊，后臂固定不動(dòng)，前臂完成充電插頭與充電座的定位運(yùn)動(dòng)，如圖2(d)所示；充電對(duì)接完成后，機(jī)器人開(kāi)始充電，如圖2(e)所示.

(a)前臂碰檢C型掛板　　　(b)兩臂收攏　　　　(c)前臂壓緊輪松開(kāi)　　　　(d)充電定位　　　　　　(e)充電對(duì)接

2巡檢機(jī)器人自主充電的定位與對(duì)接策略

將充電定位過(guò)程分為基于坡度信息位置反饋粗定位和基于圖像處理的視覺(jué)伺服精定位兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)變化反饋機(jī)器人自主充電對(duì)接接合狀態(tài)，有效保證充電對(duì)接過(guò)程安全自主運(yùn)行. 圖3為機(jī)器人充電的定位與對(duì)接流程圖.

圖3　機(jī)器人充電的定位與對(duì)接流程

2.1自主充電定位

2.1.1基于坡度信息位置反饋粗定位

由于架空地線為懸鏈線結(jié)構(gòu)，桿塔附近地線均有一定的坡度，故將桿塔附近地線段簡(jiǎn)化為有一定坡度的剛性斜桿. 圖4為機(jī)器人自主充電粗定位位置關(guān)系，虛線位置為充電定位理想位置，機(jī)器人前臂中心面通過(guò)充電座中心棱邊，充電插頭中心面亦通過(guò)充電座中心棱邊. 機(jī)器人前臂碰檢C型掛板后運(yùn)動(dòng)到虛線位置的展臂距離為

AB=AE+EB=0.5(LCcosθ+Lj).

式中：θ為C型掛板處地線坡度；LC為C型掛板兩擋板間的距離；Lj為前臂壓緊輪的寬度.

圖4　機(jī)器人粗定位位置關(guān)系

由于實(shí)際地線為柔性的懸鏈線，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，機(jī)器人在展臂過(guò)程中機(jī)器人角度有1°左右變化；展臂距離EB近似計(jì)算為機(jī)器人壓緊輪寬度的一半；展臂機(jī)構(gòu)運(yùn)行存在誤差，該方式只能作為機(jī)器人充電定位的粗定位.

2.1.2基于圖像處理的視覺(jué)伺服精定位

機(jī)器人充電粗定位完成后，充電座進(jìn)入安裝在壓緊輪支架攝像頭視野范圍內(nèi). 當(dāng)充電插頭與充電座定位不精確時(shí)，一方面，容易引起對(duì)接結(jié)構(gòu)間的不良約束力，損壞充電座與充電插頭；另一方面，容易出現(xiàn)充電接觸不良，產(chǎn)生放電電弧，損壞機(jī)器人與充電基站的部件，造成額外能量消耗. 因此，自主充電定位需進(jìn)行精定位. 通過(guò)攝像頭獲取充電基站充電座圖像信息，對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理與特征計(jì)算[14]，結(jié)合運(yùn)動(dòng)算法推理，控制機(jī)器人展臂或收臂運(yùn)動(dòng)，達(dá)到機(jī)器人充電精確定位的目的.

攝像頭安裝在前臂壓緊輪支架上，其視野中心面與前臂中心面在同一平面上，充電插頭與充電座對(duì)準(zhǔn)時(shí)，攝像頭視野中心面通過(guò)充電座中心棱邊，充電座中心棱邊在成像面投影與成像區(qū)域中心線重合；圖5為視覺(jué)精定位充電座成像關(guān)系模型，圖5(a)中，充電座左棱邊BB1，中心棱邊AA1，右棱邊CC1在成像面上的投影分別為B′B1′、A′A1′、C′C1′,視場(chǎng)中心面與成像面的相交線ef為攝像頭成像區(qū)域中心線，以充電插頭與充電座對(duì)準(zhǔn)時(shí)攝像頭焦點(diǎn)為原點(diǎn)o′,建立坐標(biāo)系{x′o′y′}，x′軸正方向?yàn)闄C(jī)器人展臂方向，負(fù)方向?yàn)槭毡鄯较?，y′軸為對(duì)準(zhǔn)時(shí)攝像頭光軸，當(dāng)充電插頭與充電座對(duì)準(zhǔn)時(shí)，充電插頭與y′軸的距離D為0；圖5(b)為精定位充電座成像示意圖，abcd為攝像頭成像區(qū)域，以成像區(qū)域中心點(diǎn)o為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系{xoy}. 可知充電插頭與充電座對(duì)準(zhǔn)時(shí)，A′A1′與ef距離dk為0.

(a)視覺(jué)精定位成像關(guān)系模型

當(dāng)充電插頭與充電座非對(duì)準(zhǔn)時(shí)，攝像頭視場(chǎng)中心面不通過(guò)充電座中心棱邊AA1，充電座中心棱邊在成像面投影A′A1′與成像區(qū)域中心線ef之間距離dk不為0. 圖(6)為充電插頭相對(duì)充電座非對(duì)準(zhǔn)成像關(guān)系模型，充電插頭相對(duì)于充電座左偏距離D，其成像關(guān)系如圖6(a),D>0,充電座成像示意圖如圖6(b)，dk>0；充電插頭相對(duì)充電座右偏距離D，其成像關(guān)系如圖6(c),D<0,充電座成像示意圖如圖6(d)，dk<0. 根據(jù)小孔成像原理，可知偏移量D與dk存在如下關(guān)系：

(1)

式中n為成像比例系數(shù). 由式(1)可知，若獲取圖像中充電座中心棱邊到成像區(qū)域中心線距離dk的特征值，就可知充電插頭相對(duì)于充電座偏移方向和偏移量，通過(guò)機(jī)器人收臂或展臂運(yùn)動(dòng)，將dk趨近于0，伺服控制充電插頭與充電座精確定位.

(a)充電插頭相對(duì)于充電座左偏成像關(guān)系

(b)充電插頭相對(duì)充電座左偏時(shí)充電座成像示意

(c)充電插頭相對(duì)于充電座右偏成像關(guān)系

(d)充電插頭相對(duì)充電座右偏時(shí)充電座成像示意

定義1截距dk為圖像區(qū)域內(nèi)充電座中間棱邊A′A1′與中心線ef之間距離，單位為像素. 規(guī)定dk>0時(shí)，充電插頭相對(duì)于充電座左偏；dk<0時(shí)，充電插頭相對(duì)于充電座右偏.

定義2對(duì)于地線坡度θ，充電精定位后，充電插頭相對(duì)于充電座左偏最大容許度所對(duì)應(yīng)的截距為Cl(θ)，右偏最大容許度所對(duì)應(yīng)的截距絕對(duì)值為Cr(θ)，取臨界值ξθ=min(Cl(θ),Cr(θ)).

2.2自主對(duì)接

機(jī)器人自主充電精定位完成后，前臂壓緊輪向上運(yùn)動(dòng)，充電插頭與充電座進(jìn)行充電對(duì)接. 為避免充電插頭與充電座接觸不良造成機(jī)器人不能正常充電，通過(guò)壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)變化來(lái)檢測(cè)充電對(duì)接的狀態(tài)，并控制前臂壓緊輪是否繼續(xù)壓緊.

(2)

則認(rèn)為充電對(duì)接完成，前臂壓緊輪停止向上壓緊.

3充電對(duì)接精定位變論域模糊控制器設(shè)計(jì)

由于充電對(duì)接裝置存在加工誤差，對(duì)接過(guò)程中機(jī)器人存在打滑現(xiàn)象，以及機(jī)器人作業(yè)環(huán)境為柔性懸鏈線結(jié)構(gòu)等因素影響，截距dk趨近零的精定位控制模型呈現(xiàn)非線性特征. 為使系統(tǒng)在遇到不確定因素或參數(shù)未知時(shí)保持既定的特性，采用變論域模糊控制方法. 該方法實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)偏差及偏差變化率，并調(diào)整模糊控制器的模糊劃分，實(shí)現(xiàn)模糊系統(tǒng)的自適應(yīng)變化，克服專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)不足造成控制精度不夠的問(wèn)題[15-17], 適用于機(jī)器人充電定位精定位的控制.

變論域模糊控制器由兩部分組成，將截距dk的偏差e與偏差變化率ec作為控制器的輸入量，收展臂電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置量u作為輸出量，形成主控制器，同時(shí)將偏差e與偏差變化率ec作為伸縮因子模糊控制器的輸入，輸入及輸出伸縮因子α1、α2、α3作為控制器輸出量，成為主控制器的伸縮因子. 構(gòu)建系統(tǒng)控制框圖如圖7所示.

圖7　變論域模糊控制系統(tǒng)框圖

3.1伸縮因子模糊控制器設(shè)計(jì)

由于伸縮因子主要影響論域的伸縮程度，無(wú)正負(fù)區(qū)別，為從輸入獲得伸縮因子，將偏差e與偏差變化率ec的絕對(duì)值與各自設(shè)定范圍相除，Ee和Eec分別為偏差和偏差變化率設(shè)定的論域，并取最大值作為伸縮因子模糊控制器的輸入量[15]：

(3)

經(jīng)過(guò)式(3)處理，伸縮因子模糊控制器成為單輸入單輸出模糊控制器，輸入量與輸出量取值范圍是[0,1]，描述輸入變量l(t)與輸出變量α(t)的模糊量語(yǔ)言值定為PS、PM、PB,隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的模糊推理規(guī)則表見(jiàn)表1.

表1　伸縮因子模糊控制器推理規(guī)則表

將輸出變量α(t)作為主模糊控制器輸入論域的伸縮因子，輸出變量比例因子為α(t)+b(b為常數(shù))，根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，取b為0.3.

3.2主模糊控制器設(shè)計(jì)

由于伸縮因子模糊控制器可根據(jù)輸入值不同改變主模糊控制器的伸縮因子以及比例因子，故主模糊控制器的設(shè)計(jì)主要集中在初始論域控制器的設(shè)計(jì). 根據(jù)偏差e與偏差變化率ec的值決定收展臂執(zhí)行器移動(dòng)位置增量u的大小，將偏差e與偏差變化率ec以及收展臂執(zhí)行器移動(dòng)位置增量u的模糊量語(yǔ)言值均設(shè)置為7檔，分別為：NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB,論域及隸屬度函數(shù)如圖8所示.

根據(jù)偏差e與ec情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，以快速穩(wěn)定為目標(biāo)，制定輸出變量收展臂移動(dòng)位置增量的模糊推理規(guī)則如表2所示.

(a)e的初始論域及隸屬度函數(shù)

(b)移動(dòng)位置增量u的初始論域及隸屬度函數(shù)

EeEecNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPMPMPSPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPSPSZENSNSNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNSNMNMNBPBZENSNSNMNMNBNB

4實(shí)驗(yàn)與試驗(yàn)運(yùn)行

4.1模擬輸電線路試驗(yàn)

通過(guò)二維傾角傳感器，獲取地線坡度值θ和繞地線偏轉(zhuǎn)角α. 考慮到充電插頭與充電座結(jié)構(gòu)尺寸按機(jī)器人繞地線偏轉(zhuǎn)角小于45°設(shè)計(jì)，充電對(duì)接實(shí)驗(yàn)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偏轉(zhuǎn)角α，當(dāng)高于45°時(shí)停止對(duì)接. 根據(jù)無(wú)刷電機(jī)位置環(huán)進(jìn)行機(jī)器人充電粗定位. 視覺(jué)控制器對(duì)攝像頭采集的圖像進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行視覺(jué)伺服控制，運(yùn)動(dòng)控制器完成充電定位和對(duì)接運(yùn)動(dòng)控制. 依據(jù)充電基站附近實(shí)際線路坡度范圍，模擬輸電線坡度可在0～27°范圍調(diào)整.

模擬輸電線路充電對(duì)接實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：(1)機(jī)器人定位懸垂C型掛板，(2)充電粗定位，將充電座移至攝像頭視野范圍，(3)充電精定位，(4)充電對(duì)接. 在模擬輸電線路上進(jìn)行了102次充電對(duì)接實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人粗定位時(shí)間隨地線坡度變化曲線如圖9所示，可知粗定位時(shí)間隨地線坡度增大而減小，但基本維持在28 s左右. 取其中一次實(shí)驗(yàn)為例，地線坡度為12°，圖10(a)為精定位充電座中心棱邊截距dk調(diào)整曲線，可知機(jī)器人采用變論域模糊控制器完成圖像視覺(jué)伺服精定位用時(shí)23 s，而使用模糊控制需30 s，因此，采用變論域模糊控制方法具有較高的效率. 圖10(b)為正負(fù)壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)輸出變化曲線，可知充電對(duì)接共用時(shí)11.5 s，其中充電插頭與充電座接合共用時(shí)3.5 s.

圖9　粗定位時(shí)間隨地線坡度變化曲線

(a)充電座中心棱邊截距調(diào)整曲線

(b)正負(fù)壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)采樣值變化曲線

4.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在吉林白山跨林區(qū)松長(zhǎng)甲線#114-#156桿塔間進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)器人從#114桿塔小號(hào)側(cè)往大號(hào)側(cè)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行到#141桿塔(該桿塔安裝太陽(yáng)能充電基站)處進(jìn)行自主充電對(duì)接，補(bǔ)充能量. 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)20次充電對(duì)接實(shí)驗(yàn)，20次充電對(duì)接成功，表3為充電對(duì)接實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中對(duì)接完成最少用時(shí)62 s，最多耗時(shí)93 s. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于坡度信息位置反饋粗定位、圖像視覺(jué)伺服精定位、壓力傳感器對(duì)接完成的自主充電對(duì)接方法是準(zhǔn)確可靠的.

表3　充電對(duì)接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5結(jié)論

1)針對(duì)輪臂復(fù)合式巡檢機(jī)器人，提出了一套基于坡度信息位置反饋粗定位、圖像視覺(jué)伺服精定位、壓力傳感器反饋對(duì)接狀態(tài)的自主充電對(duì)接控制方法.

2)粗定位將充電座移至視覺(jué)精定位的視覺(jué)檢測(cè)范圍；視覺(jué)伺服精定位通過(guò)提取圖像中充電座中心棱邊與成像區(qū)域中心線距離特征值，伺服控制收展臂電機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高充電對(duì)接準(zhǔn)確度；通過(guò)壓力應(yīng)變片傳感器信號(hào)變化來(lái)反饋充電對(duì)接狀態(tài)，確保機(jī)器人對(duì)接充電安全可靠；變論域模糊控制方法能夠避免機(jī)器人在充電定位過(guò)程中因金具尺寸加工誤差，收展臂運(yùn)行偏差以及懸鏈線結(jié)構(gòu)的柔性地線坡度變化對(duì)充電定位精度的影響.

3)模擬輸電線路和實(shí)際線路的運(yùn)行效果驗(yàn)證了該自主充電對(duì)接方法的正確性和有效性.

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(編輯楊波)

On auto-docking charging control method for the inspection robot

WU Gongping, YANG Zhiyong, WANG Wei, GUO Lei, HU Jian, ZHOU Peng

(School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract:To guarantee the wheel-arm inspection robot auto-docks with the recharge stand of the solar charging station correctly and reliably, an auto-recharging docking control way is presented, which is based on position relation coarse positioning, visual servo precise positioning and pressure sensor joint feedback. By perceiving the slope information of the place where the robot stands, the charging plug in the pressing mechanism of the robot is moved near the recharge stand in the central bottom of the pensile C type plate. According to the distance between the central seamed edge of the docks in the image space and the central line in the imaging area, the variety of the image features is shown. Charging precise positioning servo control law is designed by adopting variable universe fuzzy control method. The docking state is fed back according to the signal variety of the pressure straingauge sensor under the positive and negative electrodes. The auto-recharging docking control way has been tested in the imitate and real routines, which proves that the method is correct, reliable and effective, and also can satisfy the docking demands of auto-recharging.

Keywords:visual servo; auto-docking; inspection robot; high voltage transmission line; fuzzy control

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.020

收稿日期:2015-04-29

基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (2006AA04Z202)；

作者簡(jiǎn)介:吳功平(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

通信作者:王偉， whuww@whu.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào):TP24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)07-0123-07

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51105281)