220kV高壓電力極端環(huán)境下帶電作業(yè)機(jī)器人控制方法研究

鄒德華, 江 維, 李紅軍

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 輸電檢修分公司，湖南 長沙 410100；2.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

電力是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，高壓線纜是電能傳輸?shù)闹匾ǖ?，其特殊地理環(huán)境和惡劣自然環(huán)境會(huì)導(dǎo)致線上多種不同故障發(fā)生，為保障高壓輸電線路的安全正常穩(wěn)定運(yùn)行及有效降低經(jīng)濟(jì)損失，需要定期和不定期地對(duì)導(dǎo)線金具及其運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行檢修維護(hù)和施工作業(yè)。目前，這類在危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的特種作業(yè)均是由人工來完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低而且存在極大的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)離桿塔處的維修作業(yè)，只能停電進(jìn)行作業(yè)。隨著輸電質(zhì)量與作業(yè)安全性的考核指標(biāo)越來越高，以及現(xiàn)代電力系統(tǒng)作業(yè)與管理自動(dòng)化的迫切需求，這種人工作業(yè)方式與現(xiàn)代高質(zhì)量電力輸送之間的矛盾愈發(fā)凸顯。因此，帶電作業(yè)機(jī)器人[1-4]替換人工進(jìn)行帶電作業(yè)是一種有效的措施，其對(duì)于提高作業(yè)效率、作業(yè)可靠性、作業(yè)人員安全性具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。帶電作業(yè)機(jī)器人行走于大柔性的輸電導(dǎo)線，在眾多的極端擾動(dòng)因素[5-6]中超強(qiáng)電磁干擾和導(dǎo)線大柔性對(duì)系統(tǒng)的影響是不可避免的，此外，風(fēng)載荷以其隨機(jī)性和多發(fā)性占據(jù)著主要影響因素，由于隨機(jī)高空風(fēng)載荷[7-8]將使機(jī)器人末端攝像機(jī)擺動(dòng)頻率過大對(duì)焦困難，造成定位圖像模糊，產(chǎn)生大量無效照片或視頻，不僅耗費(fèi)內(nèi)存資源而且導(dǎo)致視覺伺服控制過程變長、通信卡頓、定位精度變低等，此外，由于風(fēng)載荷的作用導(dǎo)致機(jī)器人抖動(dòng)發(fā)生及重心的偏移，機(jī)器人在線上運(yùn)動(dòng)過程中特別是旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，由于自身重量以及導(dǎo)線的柔性弧垂，機(jī)箱重心會(huì)相對(duì)地面下降也會(huì)影響到末端定位控制，這些在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域無需考慮的問題在特種極端作業(yè)環(huán)境下顯得尤為重要，因此，研究電力極端環(huán)境下的柔性導(dǎo)線帶電作業(yè)機(jī)器人魯棒控制具有較強(qiáng)理論意義實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 機(jī)器人-大柔性輸電導(dǎo)線間的耦合數(shù)學(xué)模型

目前傳統(tǒng)方法中所建立的是自然理想狀態(tài)下的架空導(dǎo)線數(shù)學(xué)模型，其忽略了弧垂對(duì)于機(jī)器人作業(yè)控制的影響，然而，當(dāng)機(jī)器人在導(dǎo)線上行走時(shí)，由于機(jī)器人的附加重量，導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生附加弧垂，會(huì)對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂末端定位精度造成影響。隨著機(jī)器人在導(dǎo)線上的行走，運(yùn)動(dòng)到不同位置都有不同的弧垂，因此，機(jī)器人本身和作業(yè)環(huán)境中的導(dǎo)線存在一定耦合關(guān)系，附加機(jī)器人重量的弧垂示意圖如圖1所示。

圖1 附加機(jī)器人重量的大柔性輸電導(dǎo)線弧垂示意圖

在圖1中，以AB連線與機(jī)器人重心所在的豎直線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，L為檔距，x為機(jī)器人所在位置相對(duì)于A的橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)，因此，可得到附加機(jī)器人重量的總弧垂為（1）式。其中，n為沖擊效應(yīng)的增大系數(shù)，A為導(dǎo)線為截面積，Q為附加重量，即為機(jī)器人的重量。通過對(duì)弧垂數(shù)學(xué)模型求導(dǎo)可得， 當(dāng)x=L/2，即在檔段的中間處自然弧垂和附加弧垂最大，附加機(jī)器人重量的總弧垂最大值為（2）式。

設(shè)附加弧垂與總弧垂的比值為附加弧垂比μ，如（3）式所示，因此，檔距和高差越大，弧垂附加弧垂比越小，所以，斜拋物線公式要改進(jìn)為附加機(jī)器人重量的斜拋物線公式（4）式。

2 風(fēng)載荷作用下機(jī)器人側(cè)傾數(shù)學(xué)模型

如圖2所示為風(fēng)載荷作用下機(jī)器人側(cè)傾示意圖，其中圖2（a）為理想情況下無風(fēng)載荷作用示意圖，機(jī)器人無側(cè)傾，圖2（b）為實(shí)際風(fēng)載荷作用下，由于風(fēng)力，整個(gè)機(jī)體包括作業(yè)末端出現(xiàn)了側(cè)傾角?。作用于機(jī)器人上的風(fēng)載荷受力可以分為橫向風(fēng)力Fx，升力Fy，機(jī)器人行駛方向的風(fēng)力Fz。其中，F(xiàn)z方向與機(jī)器人行駛同向或反向；橫向風(fēng)力Fx、升力Fy主要影響機(jī)器人在以導(dǎo)線為軸線的左右橫向擺動(dòng)和上下振動(dòng)2個(gè)方向的擾動(dòng)，并且呈現(xiàn)一定的周期性。根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)理論可得橫向風(fēng)力Fx如（5）式所示，其中ρ為空氣密度，α為風(fēng)速不均勻系數(shù)，K為空氣動(dòng)力系數(shù)，Kh為高空風(fēng)速增大系數(shù)，A為迎風(fēng)側(cè)投影等效面積；v為風(fēng)速，ξ為橫向風(fēng)力與機(jī)器人機(jī)箱迎風(fēng)面的夾角，因此，可以得到機(jī)器人的側(cè)傾風(fēng)偏角?為（6）式。

圖2 風(fēng)載荷作用對(duì)于機(jī)器人控制的影響示意圖

3 機(jī)器人進(jìn)出電磁場等效模型

高電壓、強(qiáng)電磁干擾對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，其關(guān)鍵是高壓導(dǎo)線周圍電磁場的分布及機(jī)器人的防電磁干擾控制方法。空間任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度可采用等效電荷法進(jìn)行計(jì)算，輸電線路上的電荷為線電荷，且導(dǎo)線半徑遠(yuǎn)小于桿塔高度，因此，可認(rèn)為等效電荷處于導(dǎo)線中心，在求出單位導(dǎo)線的等效電荷后，根據(jù)疊加原理可以得到空間場強(qiáng)的數(shù)學(xué)表征E為（7）式。其中xi，yi是導(dǎo)線I(i=1、2、3、…、m) 的坐標(biāo)，m是導(dǎo)線數(shù)目；Li是導(dǎo)線I與計(jì)算點(diǎn)的距離，Li*則是導(dǎo)線i的鏡像與計(jì)算點(diǎn)的距離，U是輸電導(dǎo)線對(duì)地電壓矩陣；Q是各導(dǎo)線等效電荷矩陣；χ是輸電導(dǎo)線電位系數(shù)組成的方陣。

因此，通過計(jì)算分析可知離線路中心越近，電場強(qiáng)度越高，隨著機(jī)器人與帶電導(dǎo)線進(jìn)一步地接近，電磁感應(yīng)作用愈來愈強(qiáng)，兩者間局部場強(qiáng)也越來越高，當(dāng)機(jī)器人與導(dǎo)線間距足夠小的時(shí)候，空氣發(fā)生游離，機(jī)器人與導(dǎo)線通過空氣放電，當(dāng)機(jī)器人輪子完全著線或者作業(yè)末端接觸到作業(yè)對(duì)象時(shí)，正負(fù)電荷中和完成，兩者處于同一電位，可見機(jī)器人與導(dǎo)線等電位過程將產(chǎn)生較大的暫態(tài)電容放電電流，當(dāng)機(jī)器人沿絕緣體靠近帶電導(dǎo)線時(shí)，空氣發(fā)生電離，形成一個(gè)放電回路，放電瞬間相當(dāng)于開關(guān)k接通，沖擊電流初始值Is=U/R，其中U為機(jī)器人與帶電導(dǎo)線之間的電位差，R為機(jī)器人本體電阻。

4 試驗(yàn)研究

4.1 超強(qiáng)電磁干擾工頻耐壓試驗(yàn)

帶電作業(yè)機(jī)器人工作于高電壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，為驗(yàn)證機(jī)器人在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的作業(yè)能力，在高電壓試驗(yàn)大廳對(duì)機(jī)器人進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，通過紫外成像儀測得的機(jī)器人紫外成像如圖3所示，在220kV和330kV電壓等級(jí)下機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)如表1所述。

圖3 高壓大廳機(jī)器人紫外成像圖

表1 機(jī)器人工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果

從機(jī)器人的工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果可知，在220kV和330kV高電壓情況下，機(jī)器人各項(xiàng)指標(biāo)都正常，機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確接收并響應(yīng)地面基站的控制指令，地面基站能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確接收并顯示機(jī)器人的狀態(tài)反饋信息，安裝在雙作業(yè)機(jī)械手上的4個(gè)攝像機(jī)正常工作，圖像視頻信息傳遞清晰流暢，機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)了較強(qiáng)的魯棒性。

圖4 帶電作業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場作業(yè)試驗(yàn)

4.2 現(xiàn)場作業(yè)試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)極端高壓電力環(huán)境下柔性導(dǎo)線檢修作業(yè)機(jī)器人控制方法的工程實(shí)用性，在中國湖南省電力公司輸電檢修分公司帶電作業(yè)中心管轄的 220KV高壓輸電線路上進(jìn)行機(jī)器人帶電作業(yè)試驗(yàn)，機(jī)器人作業(yè)手由初始位姿經(jīng)各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)到達(dá)絕緣子更換及引板緊固作業(yè)狀態(tài)，其作業(yè)現(xiàn)場如圖4所示。通過現(xiàn)場作業(yè)試驗(yàn)圖4可知，在以風(fēng)載荷為主要外部擾動(dòng)和大柔性、超強(qiáng)電磁場的固有干擾實(shí)際帶電作業(yè)環(huán)境下，機(jī)器人各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人雙移動(dòng)臂、雙作業(yè)手由初始狀態(tài)進(jìn)入到工作狀態(tài)，再到螺栓定位及捕捉定位等關(guān)鍵狀態(tài)下，整個(gè)過程機(jī)器人雙作業(yè)手及其末端各關(guān)節(jié)動(dòng)作流暢、連續(xù)、平穩(wěn)，機(jī)器人作業(yè)臂運(yùn)動(dòng)獲得了較好的魯棒性，該方法獲得了較強(qiáng)的工程實(shí)用性，進(jìn)一步提高了機(jī)器人作業(yè)效率，并且一定程度上體現(xiàn)了機(jī)器人作業(yè)的智能性。

5 結(jié)論

本文建立了大柔性輸電導(dǎo)線帶機(jī)器人自重的弧垂數(shù)學(xué)模型，探究了高空隨機(jī)風(fēng)載荷作用下機(jī)器人的側(cè)傾模型，給出了極端環(huán)境下超強(qiáng)電磁干擾的分布特性，為極端環(huán)境下，機(jī)器人魯棒運(yùn)動(dòng)控制奠定理論基礎(chǔ)。通過工頻耐壓試驗(yàn)、現(xiàn)場極端環(huán)境作用下機(jī)器人絕緣子更換和引流板緊固帶電作業(yè)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)器人控制算法的工程實(shí)用性，從而進(jìn)一步提高了機(jī)器人的作業(yè)效率及作業(yè)智能性。后續(xù)的相關(guān)研究主要包括對(duì)于超強(qiáng)電磁干擾的數(shù)學(xué)描述進(jìn)行定量計(jì)算及其智能魯棒控制算法與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。