配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人機構(gòu)配置與協(xié)調(diào)控制方法分析

陳欣歡

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，安徽 合肥 230011)

機器人的應(yīng)用范圍伴隨其高速發(fā)展而日益廣泛，機器人已應(yīng)用于眾多復(fù)雜環(huán)境的工作場合中，在人類無法工作的惡劣環(huán)境中實現(xiàn)高效工作[1].將機器人應(yīng)用于電力行業(yè)中，推動電力領(lǐng)域的進一步發(fā)展[2-4].帶電作業(yè)具有環(huán)境復(fù)雜、危險系數(shù)過高的缺陷.帶電作業(yè)機器人指配電網(wǎng)電力設(shè)備正常運行時，利用機器人完成配電網(wǎng)高壓情況下的檢修以及監(jiān)測等各項作業(yè).配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人有效解決了電力領(lǐng)域作業(yè)危險性過高的難題[5].配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人高壓作業(yè)時，需具有較高的實時性以及精準(zhǔn)性，其協(xié)調(diào)控制性能尤為重要.

帶電作業(yè)機器人是目前機器人領(lǐng)域以及電力領(lǐng)域受到眾多研究學(xué)者重視的部分，劉召以及閆冬等人分別將激光光斑技術(shù)與層次深度強化學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于帶電作業(yè)機器人中[6-7]，實現(xiàn)了機器人的線纜定位以及機械臂的精準(zhǔn)控制，為帶電作業(yè)機器人的高效作業(yè)提供依據(jù).為了進一步提升配電網(wǎng)帶電機器人的工作效率以及控制精度，研究配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人機構(gòu)配置與協(xié)調(diào)控制方法.分析配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人的機構(gòu)配置，將模糊PID控制器應(yīng)用于帶電作業(yè)機器人的作業(yè)過程中，實現(xiàn)帶電作業(yè)機器人的協(xié)調(diào)控制.避免帶電作業(yè)機器人在配電網(wǎng)作業(yè)過程中，受到復(fù)雜環(huán)境以及干擾等情況影響.帶電作業(yè)機器人應(yīng)用于配電網(wǎng)作業(yè)中，具有無污染、響應(yīng)快速等優(yōu)點，使用價值高.通過實驗驗證模糊PID控制器可實現(xiàn)配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人的精準(zhǔn)控制，輸出的控制量極為平穩(wěn)，具有較高的穩(wěn)態(tài)性.

1 帶電作業(yè)機器人機構(gòu)配置與協(xié)調(diào)控制

1.1 帶電作業(yè)機器人機構(gòu)配置

設(shè)帶電作業(yè)機器人工作于配電網(wǎng)的耐張段內(nèi)，配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人工作時需要跨越配電網(wǎng)的直線塔，帶電機器人工作時還需跨越配電網(wǎng)的間隔棒、懸垂吊架等眾多設(shè)備.帶電作業(yè)機器人的主要作業(yè)任務(wù)是將配電網(wǎng)巡檢設(shè)備設(shè)置于機器人中，帶電作業(yè)機器人的基面基站依據(jù)巡檢結(jié)果控制機器人的維修機械手作業(yè)[8]，機器人的維修機械手需通過行走方式工作于配電網(wǎng)的導(dǎo)線上，完成各項作業(yè).

通過帶電作業(yè)機器人設(shè)置的巡檢設(shè)備檢查配電網(wǎng)是否存在金具、螺栓脫落以及損壞情況，同時監(jiān)測配電網(wǎng)導(dǎo)線是否存在斷股情況，保障配電網(wǎng)的可靠運行[9].帶電作業(yè)機器人將巡檢內(nèi)容利用通信信號傳送至地面基站PC端的控制中心.配電網(wǎng)維修管理人員利用機器人返回的內(nèi)容確定配電網(wǎng)中是否存在異常情況，及時制定相關(guān)運維方案.帶電作業(yè)機器人操作人員通過機器人機械手以及爬升機構(gòu)的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)配電網(wǎng)的部分維修工作.帶電作業(yè)機器人需具有自動上線以及自動下線的功能，機器人需配置可獨立工作的升降機，避免由于機器人本體工作載荷過重影響其運行.

帶電作業(yè)機器人的本體主要包括吊臂裝置、輪式行走機構(gòu)、維修機械手、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、自救傳感器系統(tǒng)和防滑裝置等.帶電作業(yè)機器人的主要機構(gòu)配置如圖1所示.

圖1 帶電作業(yè)機器人機構(gòu)配置

通過圖1可以看出，配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人主要包括機器人本體以及地面基站兩部分.機器人本體包括電源系統(tǒng)、障礙跨越機構(gòu)、自救傳感器系統(tǒng)以及自鎖輪式爬升機構(gòu)等.自鎖輪式爬升機構(gòu)組成升降機，利用包含主動輪以及從動輪的自鎖輪組成，所組成的自鎖輪可沿配電網(wǎng)的絕緣繩自由爬行[10]，具有工作可靠以及結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢.帶電作業(yè)機器人選取雙排吊臂輪式行走機構(gòu)實現(xiàn)導(dǎo)線行走，雙排行走輪需設(shè)置于兩條同相導(dǎo)線上，保障機器人帶電作業(yè)時，具有良好的穩(wěn)定性，在天氣狀況較差以及風(fēng)力較大時，不受外界環(huán)境影響.機器人包含障礙跨越機構(gòu)，所設(shè)置的障礙跨越機構(gòu)自由度數(shù)量為1，利用兩個自由度提升障礙跨越機構(gòu)的可靠性.

配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人采用以上機構(gòu)配置將機器人設(shè)置的升降機以及機器人本體劃分為獨立整體，避免機器人本體由于重力過大消耗過多的能量，提升機器人運行的可靠性，機器人故障情況下便于操作人員快速施救.

1.2 帶電作業(yè)機器人爬升機構(gòu)運行原理

帶電作業(yè)機器人工作時，其升降機沿輸電電纜的絕緣繩通過爬升以及下降實現(xiàn)運行.選取驅(qū)動輪以及定滑輪兩個夾緊輪安裝于爬升機構(gòu)中設(shè)置的U型支架中.所設(shè)置的定滑輪和驅(qū)動輪利用絕緣繩纏繞[11]，存在載荷作用加至絕緣繩上時，驅(qū)動輪移動至定滑輪方向，夾緊絕緣繩.驅(qū)動輪上的包角范圍受到絕緣繩作用時，形成大量摩擦力，通過所形成的摩擦力令絕緣繩具有自鎖功能，升降機上升以及下降利用驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動而驅(qū)動，提升帶電作業(yè)機器人的運行可靠性.

不考慮爬升機構(gòu)絕緣繩自由端重力W情況下，用f表示驅(qū)動輪緣與絕緣繩之間的摩擦因數(shù)，可得絕緣繩拉力F2表達式如下：

(1)

公式(1)中，P與F1分別表示絕緣繩的壓力以及豎向拉力；L表示驅(qū)動輪與鉸鏈之間的間距；R與θ分別表示驅(qū)動輪半徑以及結(jié)構(gòu)角度.

忽略絕緣繩運行過程中的質(zhì)量、離心力以及彎曲對運行的影響[12]，依據(jù)歐拉公式獲取爬升機構(gòu)自鎖條件表達式如下：

F1=F2×efα.

(2)

將公式(1)代入公式(2)中，可得表達式如下：

(3)

由于存在α=π+π/2-θ=3π/2-θ，依據(jù)爬升機構(gòu)的運行結(jié)構(gòu)可知存在0<θ<π/2，可將公式(3)轉(zhuǎn)化如下：

(4)

驅(qū)動輪與絕緣繩間的結(jié)構(gòu)參數(shù)L、R、θ以及摩擦因數(shù)f是影響帶電作業(yè)機器人爬升機構(gòu)自鎖條件的重要因素，良好的控制方法可保障帶電作業(yè)機器人的可靠作業(yè).

1.3 帶電作業(yè)機器人的協(xié)調(diào)控制

帶電作業(yè)機器人協(xié)調(diào)控制包括通用部分的控制和專用部分的控制兩部分，利用通用部分的控制實現(xiàn)帶電作業(yè)機器人的機械臂、行走機構(gòu)、夾持機構(gòu)以及帶電作業(yè)機器人機械手部位的運動控制[13].專用部分的控制指對于帶電作業(yè)機器人末端機械手的運動控制.

將模糊PID控制器應(yīng)用于帶電機器人的作業(yè)過程控制中，有效提升帶電作業(yè)機器人的協(xié)調(diào)控制性能.模糊PID控制器總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 模糊PID控制器控制結(jié)構(gòu)圖

模糊PID控制器包括模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器以及PID控制器兩部分.令帶電作業(yè)機器人輸出值y(t)為期望值Z，PID控制的控制信號u(t)由以下公式形成：

e(t)=Z-y(t).

(5)

為了提升模糊PID控制器的控制性能，將參數(shù)KP、KI、KD的增量ΔKP、ΔKI、ΔKD作為控制參數(shù)，由于3個參數(shù)的增量在控制器運行過程中僅存在少量變化，因此降低了PID控制器的控制復(fù)雜度.

(6)

(7)

(8)

考慮帶電作業(yè)機器人運行過程中的波動，將PID控制器的輸出參數(shù)轉(zhuǎn)化如下：

(9)

(10)

(11)

模糊PID控制器運行過程中的輸入量變化范圍即變量的基本論域，需模糊化處理各個參數(shù)，將各變量的基本論域映射至模糊集的論域.

完成映射后，調(diào)節(jié)參數(shù)KP下期望值Zl的表達式如下：

(12)

同理可獲取調(diào)節(jié)參數(shù)KI與KD的期望值Zm與Zn表達式如下：

(13)

(14)

模糊PID控制的輸出變量即模糊推理的結(jié)果，由于模糊推理結(jié)果為模糊集，因此無法直接控制帶電作業(yè)機器人，需轉(zhuǎn)化為帶電作業(yè)機器人可以執(zhí)行的精確量[15]，通過重心法的解模糊方法實現(xiàn)模糊集的解模糊.

用C與μC(z)分別表示模糊集以及其隸屬度，z*表示二者的覆蓋區(qū)域中心，其表達式如下：

(15)

通過以上過程建立控制決策表，帶電作業(yè)機器人運行時，通過調(diào)用形成的控制決策表讀取控制數(shù)據(jù)，大量降低了協(xié)調(diào)控制所需時間.

輸入變量轉(zhuǎn)化為論域確切值的逆過程即解模糊的過程，通過解模糊的過程獲取輸出變量的最終結(jié)果，將該結(jié)果利用模糊PID控制器傳送至執(zhí)行器，精準(zhǔn)控制配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人.

2 實例分析

為驗證所研究配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人機構(gòu)配置與協(xié)調(diào)控制方法的有效性，將采用本文方法配置機構(gòu)的帶電作業(yè)機器人應(yīng)用于220 kV的輸電線路中，通過帶電作業(yè)機器人的螺栓緊固等配電網(wǎng)作業(yè)任務(wù)驗證本文方法的協(xié)調(diào)控制有效性.

統(tǒng)計本文方法設(shè)置爬升機構(gòu)的參數(shù)為L=2R時，帶電作業(yè)機器人爬升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)角度與摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線結(jié)果如圖3所示.

結(jié)構(gòu)角度/rad圖3 結(jié)構(gòu)角度與摩擦因數(shù)關(guān)系曲線

通過圖3結(jié)果可以看出，帶電作業(yè)機器人爬升機構(gòu)完成自鎖的最大摩擦因數(shù)值為0.37.帶電作業(yè)機器人的絕緣繩以及驅(qū)動輪材料的摩擦因數(shù)均低于0.05，可滿足爬升機構(gòu)完成自鎖的摩擦因數(shù)需求.爬升機構(gòu)材料的摩擦因數(shù)明顯低于0.37，通過圖3關(guān)系曲線研究結(jié)果可知，爬升機構(gòu)不受帶電作業(yè)機器人本體質(zhì)量的大小影響，可滿足自鎖條件.

設(shè)置配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人工作的主要關(guān)節(jié)運行路徑，驗證采用本文方法協(xié)調(diào)控制機器人運行的有效性.帶電作業(yè)機器人的實際運行路徑與所設(shè)置運行路徑對比結(jié)果如圖4所示.

X軸/cm圖4 設(shè)置路徑與實際路徑對比

圖4實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法協(xié)調(diào)控制的帶電作業(yè)機器人，主要關(guān)節(jié)的運行路徑的誤差值低于1 cm，可滿足帶電作業(yè)機器人的路徑誤差低于5 cm的需求.對比結(jié)果驗證本文方法所采用模糊PID控制器具有良好的控制效果，可滿足帶電作業(yè)機器人的低運行偏差需求.

將采用本文方法控制的帶電作業(yè)機器人應(yīng)用于220 kV配電網(wǎng)實際應(yīng)用中，統(tǒng)計帶電作業(yè)機器人的工頻耐壓以及實際應(yīng)用性能.令帶電作業(yè)機器人進行不同類型的配電網(wǎng)作業(yè)，測試結(jié)果如表1所示.

表1 配電網(wǎng)帶電作業(yè)測試結(jié)果

由表1實驗結(jié)果可以看出，配電網(wǎng)施加電壓大小為220 kV，測試持續(xù)時間為120 min時，采用本文方法控制的帶電作業(yè)機器人在220 kV高電壓配電網(wǎng)情況下，可以實現(xiàn)有效作業(yè)，作業(yè)過程中的機器人本體以及地面基站運行狀況中的各項指標(biāo)均為正常.帶電作業(yè)機器人本體可有效接收地面基站所發(fā)送的各項指令，地面基站同樣可以準(zhǔn)確接收帶電作業(yè)機器人運行過程中的各項反饋信息.帶電作業(yè)機器人可依據(jù)配電網(wǎng)管理人員的作業(yè)需求成功完成絕緣子更換、異物清除等多項作業(yè)，作業(yè)過程中的各關(guān)節(jié)可正常運行，滿足作業(yè)的定位需求，應(yīng)用性能極高.

3 結(jié) 論

配電網(wǎng)高壓帶電作業(yè)對時效性以及作業(yè)精度要求較高，帶電作業(yè)機器人的機構(gòu)配置以及協(xié)調(diào)控制極其重要.分析了配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人機構(gòu)配置，利用模糊PID控制器實現(xiàn)帶電作業(yè)機器人的協(xié)調(diào)控制.配電網(wǎng)帶電作業(yè)機器人具有沿高壓輸電線路行走作業(yè)的特點，通過實驗驗證采用模糊PID控制器控制帶電作業(yè)機器人具有較好的控制效果，可實現(xiàn)帶電作業(yè)機器人的協(xié)調(diào)控制，并且具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢.將帶電作業(yè)機器人應(yīng)用于配電網(wǎng)高壓輸電線路帶電作業(yè)應(yīng)用中，可有效實現(xiàn)螺栓緊固以及導(dǎo)線修補等眾多高壓帶電作業(yè)，保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行.