輸電線路巡線機(jī)器人避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李海峰

（國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司檢修公司，黑龍江哈爾濱 150090）

巡線機(jī)器人是以移動(dòng)動(dòng)作平臺(tái)為載體的結(jié)構(gòu)化設(shè)備，其外部載荷系統(tǒng)中包含紅外熱成像儀、可見(jiàn)光攝像機(jī)等多種識(shí)別性元件，內(nèi)部載荷系統(tǒng)遵循機(jī)器化視覺(jué)原理，可在電磁場(chǎng)作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS、GIS 信號(hào)的有效區(qū)分，再借助嵌入式計(jì)算機(jī)軟件，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)的信號(hào)參量傳輸至核心控制主機(jī)中[1-2]。在輸電線路維護(hù)過(guò)程中，巡線機(jī)器人可自主規(guī)劃未來(lái)行進(jìn)線路，并可在無(wú)干擾情況下，跨越小型物理障礙，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓的應(yīng)用電量信息的及時(shí)輸送[3]。

在輸電線路巡檢過(guò)程中，由于輸電線路的復(fù)雜性，有效的機(jī)器人避障控制至關(guān)重要。傳統(tǒng)的基于改進(jìn)蟻群算法的機(jī)器人避障控制系統(tǒng)[4]和基于混合策略的機(jī)器人避障系統(tǒng)[5]難以使巡線機(jī)器人所承擔(dān)的線路輸電能力得到保障，易導(dǎo)致控制電流的平均傳輸流量持續(xù)縮小。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新的輸電線路巡線機(jī)器人避障控制系統(tǒng)，在伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器等多項(xiàng)硬件執(zhí)行設(shè)備的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)已獲取避障信息的無(wú)誤融合，從而實(shí)現(xiàn)保障巡線機(jī)器人所承擔(dān)線路輸電能力的初衷。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

巡線機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由避障輸電回路、巡線控制器、伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器三部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 避障輸電回路

避障輸電回路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 避障輸電回路圖

避障輸電回路可提供機(jī)器人巡線過(guò)程中所需的所有應(yīng)用電子，存在于升壓結(jié)構(gòu)體與降壓結(jié)構(gòu)體之間，可在多個(gè)傳輸電阻的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓等電量信息的不斷累積[6]。避障回路的輸入端與巡線控制器直接相連，可將未完全消耗的交直流電子傳輸至控制器結(jié)構(gòu)體之中，再調(diào)取其中的直流應(yīng)用電子，將其轉(zhuǎn)存至應(yīng)用設(shè)備體之中，再按照升壓電量、降壓電量之間的實(shí)際比值關(guān)系，滿足后續(xù)的電壓與電流輸出需求[7]?？偟膩?lái)說(shuō)，避障輸電回路所具有的電量控制能力相對(duì)較高，可對(duì)巡線機(jī)器人的前進(jìn)行為進(jìn)行直接控制。

1.2 巡線控制器

巡線控制器存在于機(jī)器人避障控制系統(tǒng)之中，可直接獲取來(lái)源于輸電回路中的應(yīng)用電子，并可以在L1、L2、L33 個(gè)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子適配器的實(shí)時(shí)控制。電量表存在于巡線控制器中部，可直接支配機(jī)器人巡線設(shè)備的實(shí)際連接行為。通常情況下，兩個(gè)機(jī)器人巡線設(shè)備分屬于兩條不同的輸電回路，在輸出端組織中，3 個(gè)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)完全閉合，代表機(jī)器人處于快速避障行進(jìn)狀態(tài)；3 個(gè)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)部分閉合，代表機(jī)器人處于勻速避障行進(jìn)狀態(tài)；3 個(gè)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)，代表機(jī)器人此時(shí)處于未行進(jìn)狀態(tài)[8]。

巡線控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 巡線控制器結(jié)構(gòu)圖

1.3 伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器

伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器直接控制巡線機(jī)器人的避障前進(jìn)行為。在電流量較大的情況下，該結(jié)構(gòu)可在一段時(shí)間的穩(wěn)定連接后，自主進(jìn)入斷開(kāi)狀態(tài)，且此轉(zhuǎn)換過(guò)程不會(huì)對(duì)已成型的前進(jìn)控制指令起到任何影響[9]。在電流量較小的情況下，該結(jié)構(gòu)可由斷開(kāi)狀態(tài)自主進(jìn)入閉合狀態(tài)，再調(diào)動(dòng)暫存于巡線控制器中的傳輸電流，直至巡線機(jī)器人恢復(fù)原始避障運(yùn)動(dòng)行為后，切斷結(jié)構(gòu)體主機(jī)與其他硬件執(zhí)行設(shè)備間的物理連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電巡檢電流的最大化節(jié)約[10]。詳細(xì)的驅(qū)動(dòng)器連接原理如表1 所示。

表1 伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器連接原理

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下，按照電開(kāi)關(guān)抓線、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)連接、避障信息融合的處理流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，完成輸電線路巡線機(jī)器人避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 電開(kāi)關(guān)抓線

電開(kāi)關(guān)抓線是控制巡線機(jī)器人避障行為的重要處理環(huán)節(jié)，包含直線型、曲線型兩種基本操作形式。所謂直線型電開(kāi)關(guān)抓線，也就是直流型電開(kāi)關(guān)抓線，可通過(guò)判定現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)位置的方式，控制避障輸電回路與伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器間的實(shí)際連接行為，再將整個(gè)輸電線路中的剩余電子，以應(yīng)用電流的形式，傳輸至下級(jí)設(shè)備主機(jī)之中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路內(nèi)部整體輸電能力的提升[11]。曲線型電開(kāi)關(guān)抓線，也叫交流型電開(kāi)關(guān)抓線，可在不借助外界執(zhí)行設(shè)備的基礎(chǔ)上，獨(dú)立完成對(duì)巡線機(jī)器人避障行為的精準(zhǔn)控制，在此過(guò)程中會(huì)消耗大量的應(yīng)用傳輸電子，因此位于輸電線路首端的電開(kāi)關(guān)必須與避障輸電回路保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定連接關(guān)系[12]。

表2 電開(kāi)關(guān)抓線原理

2.2 電量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

電量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)滿足分列式搭建需求，系統(tǒng)控制主機(jī)作為控制指令的核心輸出元件，可對(duì)中間存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)直接下達(dá)電量應(yīng)用指令。在機(jī)器人控制主機(jī)、避障行為控制主機(jī)兩個(gè)底層設(shè)備元件的支持下，所有存儲(chǔ)于電量數(shù)據(jù)庫(kù)中的電子信息都具備較強(qiáng)的直行傳輸能力[13]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是隨著巡線機(jī)器人行進(jìn)路徑的延長(zhǎng)，待躲避障礙物數(shù)量也會(huì)逐漸增加。此時(shí)，電開(kāi)關(guān)抓取回來(lái)的不一定是穩(wěn)定的直流傳輸電子，也有可能是波動(dòng)性的交流傳輸電子[14]。為避免誤差控制行為的產(chǎn)生，電量數(shù)據(jù)庫(kù)在存儲(chǔ)電子信息的同時(shí)，過(guò)濾其中的非必要電子參量，再將必要電子參量轉(zhuǎn)化成可供巡檢機(jī)器人直接應(yīng)用的直流傳輸形式，從而確保整體系統(tǒng)控制環(huán)境的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖3 電量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

2.3 機(jī)器人避障信息融合

機(jī)器人避障信息融合是避障控制系統(tǒng)搭建的末尾處置環(huán)節(jié)，在電開(kāi)關(guān)、巡線控制器、伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器等多個(gè)硬件執(zhí)行設(shè)備的作用下，避障輸電回路中的電子輸出總量持續(xù)增加，從而使得整個(gè)系統(tǒng)中的應(yīng)用電子參量不斷累積。在此情況下，核心控制主機(jī)很難直接抓取其中的必要信息，易造成偏差避障控制指令的生成[15-16]?；诖?，各底層執(zhí)行元件根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中已存儲(chǔ)的電量信息，對(duì)應(yīng)獲取系統(tǒng)內(nèi)部的避障控制指令，再將其轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直流輸出形式，最后經(jīng)由行為主機(jī)的整合作用，生成獨(dú)立的信息數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)對(duì)已存儲(chǔ)避障信息的完美融合（詳細(xì)流程如圖4 所示）。至此，完成各項(xiàng)軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在既定實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)輸電線路巡線機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

圖4 機(jī)器人避障信息融合流程圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用性測(cè)試

為驗(yàn)證該研究設(shè)計(jì)的輸電線路巡線機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

將文中系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)的基于改進(jìn)蟻群算法的機(jī)器人避障控制系統(tǒng)作為對(duì)照組，分別在兩個(gè)相同的機(jī)器人中加載上述兩種控制系統(tǒng)，并置于相同的輸電環(huán)境中，控制實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組系統(tǒng)同時(shí)閉合，分別記錄RTL 電量指標(biāo)及電子平均傳輸流量的具體變化情況。

實(shí)驗(yàn)所用的輸電線路巡檢機(jī)器人如圖5 所示。

圖5 輸電線路巡檢機(jī)器人示意圖

已知RTL 電量指標(biāo)可直接反映巡線機(jī)器人所承擔(dān)的線路輸電能力，且二者之間存在明顯的正比例關(guān)系，即隨指標(biāo)數(shù)值的增大，機(jī)器人的輸電能力也逐漸增強(qiáng)。因此，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組RTL 電量指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值，結(jié)果如表3 所示。

表3 RTL電量指標(biāo)數(shù)值

在理想狀態(tài)下，RTL 電量指標(biāo)始終保持穩(wěn)定。分析表3 可知，實(shí)驗(yàn)前期，實(shí)驗(yàn)組RTL 電量指標(biāo)不斷上升，在達(dá)到最大穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)始不斷下降，最后基本保持循環(huán)式的波動(dòng)狀態(tài)，全局最大值達(dá)到3.82，遠(yuǎn)高于理想化數(shù)值水平；對(duì)照組RTL 電量指標(biāo)一直保持階段性上升的變化趨勢(shì)，且每一次上升與下降的初始值均保持一致，全局最大值僅達(dá)到1.68，與實(shí)驗(yàn)組極值相比下降了2.14。綜上可知，應(yīng)用文中系統(tǒng)可大幅提升RTL 電量指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值水平，對(duì)增強(qiáng)巡線機(jī)器人所承擔(dān)的線路輸電能力起到適當(dāng)促進(jìn)作用。

在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電子平均傳輸流量的實(shí)際數(shù)值水平，結(jié)果如表4 所示。

表4 電子平均傳輸流量

在理想狀態(tài)下，電子平均傳輸流量一直保持勻速上升的變化趨勢(shì)，在達(dá)到最大數(shù)值水平后，開(kāi)始保持穩(wěn)定。分析表4 可知，實(shí)驗(yàn)前期，實(shí)驗(yàn)組電子平均傳輸流量始終不斷上升，在出現(xiàn)10 min 的極值穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)始持續(xù)下降；對(duì)照組電子平均傳輸流量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，始終保持階梯狀下降的變化趨勢(shì)，全局最大值僅達(dá)到2.01 A，低于理想狀態(tài)下的極限數(shù)值水平，更遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)組極值。綜上可知，應(yīng)用文中系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子平均傳輸流量的穩(wěn)定提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

該研究設(shè)計(jì)了一種新的輸電線路巡線機(jī)器人避障控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，該避障控制系統(tǒng)可在巡線控制器、伺服跟蹤驅(qū)動(dòng)器等硬件執(zhí)行元件的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電開(kāi)關(guān)的抓線處理，且能夠借助電量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成對(duì)機(jī)器人避障信息的全方位融合。

從實(shí)用性角度來(lái)看，應(yīng)用該系統(tǒng)后，線路的輸電能力與電子平均傳輸流量的提升，可幫助核心監(jiān)測(cè)主機(jī)獲取大量的避障行為信息，從而解決輸電巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)體所面臨的定向化控制問(wèn)題。