巡檢機(jī)器人塔上自主充電控制方法研究

周余，吳功平，楊松，徐瑋澤

（1.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300）

1 前言

線(xiàn)路巡檢是電力系統(tǒng)作業(yè)的重要組成部分。由于野外環(huán)境復(fù)雜，地形多變，人工巡檢的方式需要耗費(fèi)大量人力物力，采用巡檢機(jī)器人[1]進(jìn)行巡檢工作能夠節(jié)省資源，并且大大降低了巡檢工作的難度與危險(xiǎn)性。為了完成長(zhǎng)距離的線(xiàn)路巡檢，機(jī)器人需要在線(xiàn)上進(jìn)行能源補(bǔ)給，目前常見(jiàn)的電能補(bǔ)給方法有感應(yīng)取電[2]，太陽(yáng)能充電等。感應(yīng)取電的方式只能適用于沿導(dǎo)線(xiàn)行走的機(jī)器人，而且對(duì)機(jī)器人抗電磁干擾等性能要求很高。而太陽(yáng)能充電的方式，為了平衡能耗和充電效率，降低機(jī)器人充電裝置的重量，目前多采用太陽(yáng)能充電基站和機(jī)器人配合充電的方案。由于巡檢機(jī)器人作業(yè)環(huán)境特殊，需要保證充電流程可靠性，機(jī)器人在線(xiàn)路桿塔上的自主充電是個(gè)重要課題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自主充電定位及控制開(kāi)展了廣泛研究，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種通過(guò)光束引導(dǎo)機(jī)器人與充電站進(jìn)行自主對(duì)接充電的方法，但該方法只用于室內(nèi)光線(xiàn)較弱的環(huán)境。文獻(xiàn)[4]使用激光測(cè)距儀和路標(biāo)引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)充電對(duì)接，但對(duì)路標(biāo)安裝位置有嚴(yán)格要求，且測(cè)距儀受光線(xiàn)影響嚴(yán)重。文獻(xiàn)[5]采用有源RFID 定位的TOA測(cè)距計(jì)數(shù)，結(jié)合蟻群算法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行充電對(duì)接導(dǎo)航，該方法需要獲取機(jī)器人精確位置，并且依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)環(huán)境中障礙物的電子標(biāo)簽。文獻(xiàn)[6]用激光測(cè)距方法對(duì)室外機(jī)器人進(jìn)行自主充電導(dǎo)航，運(yùn)用等腰三角形物體等輔助工具消除干擾，雖然提高了成功率但增加成本并且降低了效率。文獻(xiàn)[7]采用攝像頭視覺(jué)伺服控制機(jī)器人機(jī)械臂，使其定位充電座的方法，但增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，且效率不高。基于穿越型巡檢機(jī)器人和安裝在桿塔上的充電基站，制訂了一種充電控制方案，根據(jù)充電基站和機(jī)器人的信息交互判斷充電狀態(tài)。充電對(duì)接時(shí)，依據(jù)線(xiàn)路坡度，采集機(jī)器人的傾角數(shù)據(jù)并優(yōu)化分析，結(jié)合機(jī)器人展臂距離計(jì)算，在機(jī)器人充電頭接近桿塔充電座時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行充電對(duì)接動(dòng)作。對(duì)接完成后，由機(jī)器人ARM和充電控制箱檢測(cè)充電狀態(tài)，防止對(duì)接裝置不穩(wěn)定，保障充電過(guò)程。

2 巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)

2.1 巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)包括巡檢機(jī)器人本體，如圖1所示。太陽(yáng)充電基站系統(tǒng)，如圖2所示。以及線(xiàn)上充電座，如圖3所示。巡檢機(jī)器人要由機(jī)體、控制箱、巡檢載荷（可見(jiàn)光云臺(tái)攝像機(jī)）組成，如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人模型圖Fig.1 Inspection Robot Model Diagram

圖2 塔上太陽(yáng)能充電基站系統(tǒng)Fig.2 Solar Charging Base Station System

其中，控制機(jī)箱是機(jī)器人的控制核心部分；而機(jī)體則是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)核心部分；巡檢載荷負(fù)責(zé)輸電線(xiàn)狀態(tài)信息的采集。機(jī)體由兩個(gè)臂和一個(gè)手臂移動(dòng)關(guān)節(jié)V，每個(gè)臂由一個(gè)行走關(guān)節(jié)I、一個(gè)有限約束回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)II、一個(gè)壓緊關(guān)節(jié)III和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)IV組成。行走關(guān)節(jié)I用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人線(xiàn)上行駛及越障；壓緊關(guān)節(jié)III用于增大壓緊輪對(duì)輸電線(xiàn)的正壓力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在較大坡度上的行駛；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)IV用于調(diào)整機(jī)械臂在繞其軸線(xiàn)方向上的自由回轉(zhuǎn)角度，使機(jī)器人能夠適應(yīng)不同線(xiàn)路拐角。所述移動(dòng)關(guān)節(jié)V配合壓緊關(guān)節(jié)III用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的蠕動(dòng)爬坡和蠕動(dòng)越障。在巡檢機(jī)器人奇臂壓緊輪處，安裝有充電頭。充電頭主要包括電極片和霍爾傳感器，充電頭電極片與充電座電極片的之間的有效連接，使得巡檢機(jī)器人與太陽(yáng)能充電基站之間形成閉合回路，產(chǎn)生充電電流；霍爾傳感器與巡檢機(jī)器人充電控制系統(tǒng)相連，用于實(shí)現(xiàn)充電對(duì)接過(guò)程中的限位檢測(cè)和判斷對(duì)接是否成功。有限約束回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)II可實(shí)現(xiàn)壓緊關(guān)節(jié)III的均壓運(yùn)動(dòng)，壓緊輪的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，可為充電頭與充電座的對(duì)接提供自適應(yīng)調(diào)整支持。

塔上太陽(yáng)能充電基站系統(tǒng)由“大系統(tǒng)”和“小系統(tǒng)”組成。其中“大系統(tǒng)”由數(shù)據(jù)采集單元、充電控制單元、通訊單元組成；“小系統(tǒng)”由ARM 控制板及外圍電路實(shí)現(xiàn)，主要用于接收GPRS 控制信號(hào)，控制“大系統(tǒng)”的供電，以保證所述塔上太陽(yáng)能充電基站系統(tǒng)在冬天及光照不充足的時(shí)期的正常運(yùn)行和機(jī)器人正常的電源補(bǔ)給。

供電單元為五塊鉛酸電池串聯(lián)組成，用于給整個(gè)系統(tǒng)供電，并供給巡檢機(jī)器人充電是所需的電能。太陽(yáng)能板為4塊太陽(yáng)能板兩兩串并聯(lián)組成，用于給供電單元的電能補(bǔ)給。數(shù)據(jù)采集單元包括電壓電流傳感器、功率傳感器和溫度傳感器等，用于采集基站的電流、電壓等數(shù)據(jù)。通訊單元包括由交換機(jī)和網(wǎng)橋組成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和GPRS形成的公網(wǎng)控制系統(tǒng)，用于與室內(nèi)集控后臺(tái)系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人本體的信息交互，將獲數(shù)據(jù)采集單元獲取的數(shù)據(jù)傳輸至室內(nèi)集控后臺(tái)系統(tǒng)，并接收來(lái)自巡檢機(jī)器人本體及室內(nèi)集控后臺(tái)系統(tǒng)的控制指令；充電控制單元包括太陽(yáng)能充電控制器MPPT，用于實(shí)現(xiàn)給機(jī)器人高效充電的DC?DC 模塊；以及以ST?MF407為核心的控制板，用于實(shí)現(xiàn)給機(jī)器人的高效充電和充電電源的接通與斷開(kāi)。

線(xiàn)上充電座結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示。充電座安裝在C 型線(xiàn)夾上。充電座包括支撐架、插座體、電極片、磁鋼、圓柱螺旋彈簧、滑套、支撐架。插座體可朝任意轉(zhuǎn)動(dòng)以及垂直方向移動(dòng)，可在一定程度上適應(yīng)在充電對(duì)接過(guò)程中的定位偏差，同時(shí)充電頭的楔形形狀與充電座的V型結(jié)構(gòu)契合，使得對(duì)接簡(jiǎn)單高效。插座體滑套的上下移動(dòng)，為對(duì)接過(guò)程提供緩沖力，保證平穩(wěn)對(duì)接。充電座與充電頭分離后，圓柱彈簧可自動(dòng)復(fù)位到初始位置。

圖3 線(xiàn)上充電座結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of Online Charging Base

2.2 巡檢機(jī)器人充電對(duì)接運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

巡檢機(jī)器人沿線(xiàn)巡檢，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到安裝有太陽(yáng)能充電基站的桿塔時(shí)進(jìn)行電能補(bǔ)給。巡檢機(jī)器人充電對(duì)接的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，如圖4所示。整個(gè)充電對(duì)接過(guò)程包括以下步驟：

（1）在越過(guò)防震錘后，奇臂、偶臂的壓緊輪壓緊且兩臂展開(kāi)，機(jī)器人緩慢前進(jìn)，奇臂壓緊輪碰檢C 型線(xiàn)夾后停止運(yùn)動(dòng)，如圖4（a）所示。

（2）奇臂壓緊輪松開(kāi)，如圖4（b）所示。

（3）機(jī)器人緩慢前進(jìn)，偶臂壓緊輪碰檢C型線(xiàn)夾后停止運(yùn)動(dòng)。如圖4（c）所示。

（4）偶臂保持不動(dòng)，奇臂緩慢收攏完成充電頭與充電座的定位運(yùn)動(dòng)，如圖4（d）所示。

（5）奇臂壓緊輪向上運(yùn)動(dòng)，完成充電對(duì)接；充電對(duì)接完成之后機(jī)器人開(kāi)啟充電，如圖4（e）所示。

圖4 巡檢機(jī)器人充電對(duì)接運(yùn)動(dòng)規(guī)劃Fig.4 Charging Docking Motion Plan for Inspection Robot

3 自主充電定位與對(duì)接方法

巡檢機(jī)器人自主充電定位包括壓緊輪碰檢C型線(xiàn)夾粗定位以及基于模糊PID的精確定位兩個(gè)過(guò)程。同時(shí)通過(guò)充電頭的霍爾傳感器信號(hào)變化和充電電流變化反饋機(jī)器人自主充電對(duì)接的接合狀態(tài)，配合充電座的柔性結(jié)構(gòu)，可保證充電對(duì)接過(guò)程的全自主運(yùn)行。巡檢機(jī)器人自主充電定位與對(duì)接流程圖，如圖5所示。

圖5 自主充電對(duì)接流程圖Fig.5 Flowchart for Autonomous Charging

3.1 自主充電定位狀態(tài)分析

3.1.1 粗定位狀態(tài)

機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，在裝有充電頭的機(jī)械臂穿過(guò)懸垂線(xiàn)夾，且未安裝充電頭的機(jī)械臂碰檢到C型線(xiàn)夾，此時(shí)機(jī)器人的狀態(tài)為自主充電的粗定位狀態(tài)，如圖6所示。此時(shí)機(jī)器人兩輪之間的水平距離L滿(mǎn)足式（1），式中：D—兩機(jī)械臂張開(kāi)至極限位置時(shí)的中心距離；θ—機(jī)器人傾角傳感器的讀數(shù)值。

圖6 粗定位狀態(tài)Fig.6 Coarse Positioning Status

3.1.2 精確定位狀態(tài)

粗定位完成后，獲得充電座相對(duì)安裝有充電頭機(jī)械臂大概位置。當(dāng)充電頭與充電座定位不準(zhǔn)確時(shí)：（1）容易產(chǎn)生充電座與充電頭之間的不良沖擊力，損壞充電座與充電頭；（2）容易出現(xiàn)因充電座與充電頭之間的壓力不均勻而產(chǎn)生接觸不良，產(chǎn)生電弧，損壞機(jī)器人與太陽(yáng)充電基站相關(guān)部件。因此自主充電對(duì)接需要精確定位，通過(guò)獲取機(jī)器人傾角傳感器的角度值，確定兩機(jī)械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機(jī)械臂之間的位置關(guān)系，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂手臂過(guò)程的運(yùn)動(dòng)控制，達(dá)到精確定位的目的。精確定位過(guò)程中，未安裝有充電頭的機(jī)械臂保持靜止，安裝有充電頭的機(jī)械臂通過(guò)手臂平移關(guān)節(jié)收攏，當(dāng)安裝有充電頭的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)充電座正下方，此時(shí)為機(jī)器人自主充電對(duì)接的精確定位狀態(tài)，精確定位狀態(tài)圖，如圖7所示。此時(shí)兩機(jī)械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機(jī)械臂之間的位置關(guān)系滿(mǎn)足式（2）：

圖7 精確定位狀態(tài)Fig.7 Pinpoint Status

兩機(jī)械臂間距離L隨著手臂運(yùn)動(dòng)而逐漸減小，滿(mǎn)足方程式

式中：Si—機(jī)械臂收臂距離，通過(guò)電機(jī)編碼器反饋的計(jì)數(shù)值換算得到；N—電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼器的反饋值；i—電機(jī)減速比；

—傳動(dòng)比；?Ki—時(shí)間差T內(nèi)展臂電機(jī)編碼器的反饋值的差值；R—傳動(dòng)軸半徑。

巡檢機(jī)器人精確定位的收臂過(guò)程中，兩機(jī)械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機(jī)械臂之間的位置關(guān)系滿(mǎn)足式（4）時(shí)，即為自主充電對(duì)接的精確定位點(diǎn)。此時(shí)以合適的壓緊力控制壓緊輪向上運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)安全精確的充電對(duì)接。

3.2 傾角傳感器數(shù)據(jù)的平滑處理

由式（4）可知，傾角值θ是實(shí)現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵參數(shù)，而機(jī)器人在穿越障礙物的過(guò)程中，地線(xiàn)的振動(dòng)與機(jī)器人自身擺動(dòng)會(huì)對(duì)傾角傳感器的讀數(shù)造成一定的干擾。此外，行走輪與柔性線(xiàn)纜接觸面不光滑，導(dǎo)致機(jī)器人行走時(shí)有微小振動(dòng)，也會(huì)使傾角讀數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)。為了提高定位精度，必須對(duì)傾角傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，降低傳感器測(cè)量誤差對(duì)定位結(jié)果的影響。機(jī)器人在呈曲線(xiàn)的懸鏈線(xiàn)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)載和振動(dòng)等原因，會(huì)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生噪聲。這些噪聲符合高斯分布，存在一定規(guī)律，使用卡爾曼濾波[8]對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和估計(jì)，可以使處理后的估計(jì)值更接近于真實(shí)值。卡爾曼濾波處理傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，預(yù)測(cè)來(lái)自于理論計(jì)算，而測(cè)量來(lái)自于該傳感器數(shù)據(jù)。設(shè)傾角θ為被估計(jì)值，根據(jù)機(jī)器人傾角傳感器系統(tǒng)的特點(diǎn)，可得其狀態(tài)方程和測(cè)量方程分別為：

式中：θk—k時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)；uk—控制量；wk—符合高斯分布的過(guò)程噪聲；zk—k時(shí)刻系統(tǒng)的測(cè)量值；yk—符合高斯分布的測(cè)量噪聲；A—狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B—控制輸入的增益；H—觀測(cè)矩陣，代表狀態(tài)變量θk對(duì)觀測(cè)變量zk的增益。由于系統(tǒng)沒(méi)有控制量，則Buk=0，A和H為單位1，卡爾曼濾波迭代方程變成：

在模擬線(xiàn)路上，以機(jī)器人前臂壓緊輪碰檢擋板接觸懸垂線(xiàn)夾外側(cè)防震錘的位置為起點(diǎn)，設(shè)置機(jī)器人穿越防震錘與懸垂線(xiàn)夾的速度值，傳感器采樣時(shí)間間隔0.2s，記錄傳感器的讀數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。充電對(duì)接定位過(guò)程中，在充電頭接近充電座時(shí)，傾角傳感器記錄值會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，難以確定真實(shí)的傾角值，對(duì)定位過(guò)程中距離的計(jì)算產(chǎn)生較大誤差。使用卡爾曼濾波對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以將曲線(xiàn)變得更加平滑，更能真實(shí)的反映充電對(duì)接定位過(guò)程中的傾角變化。

在“學(xué)程總結(jié)”過(guò)程中階段性總結(jié)一般有兩種分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，一種是按時(shí)間段落分類(lèi)，如每月總結(jié)、期中總結(jié)、期末總結(jié)等，第二是按知識(shí)結(jié)構(gòu)分類(lèi)，如單元總結(jié)(較小范圍內(nèi)的相近知識(shí)總結(jié))，專(zhuān)題總結(jié)(較大范圍內(nèi)的相近知識(shí)總結(jié))等．本文通過(guò)一個(gè)案例來(lái)談“專(zhuān)題性總結(jié)”．

圖8 傾角值平滑處理對(duì)比圖Fig.8 Comparison Chart of Smoothing Inclination Value

3.3 基于模糊PID的精確定位控制

由式（4）分析可知，精確定位為目標(biāo)位置與實(shí)際位置的偏差控制問(wèn)題，這類(lèi)問(wèn)題是典型的PID控制問(wèn)題［9］。以?xún)蓹C(jī)械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機(jī)械臂之間的中心距離S的偏差作為輸入，調(diào)整收臂動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)器人在呈曲線(xiàn)的懸鏈線(xiàn)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)行速度的劇烈變化易產(chǎn)生振動(dòng)，增加傾角值的噪聲，從而增加定位誤差。為減小定位誤差，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)精確控制，引入速度sin曲線(xiàn)，如圖9所示。使機(jī)器人在定位過(guò)程中速度的變化平緩，減少因運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度調(diào)整而產(chǎn)生的傾角測(cè)量誤差。因?yàn)樵诙ㄎ贿^(guò)程中機(jī)器人收臂的速度V和理論位移Sq(t)滿(mǎn)足式（7）和式（8）

圖9 速度sin曲線(xiàn)Fig.9 Sin Speed Curve

則位移偏差為：

式中：Si—系統(tǒng)的實(shí)際位移；Sq(t)—系統(tǒng)的理論位移，以位移的偏差作為PID控制器的輸入，得到速度的糾偏：

經(jīng)典PID控制需要通過(guò)調(diào)節(jié)Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，參數(shù)的調(diào)整常采用試湊法和經(jīng)驗(yàn)法，在此過(guò)程中通過(guò)觀察目標(biāo)曲線(xiàn)與實(shí)際曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)來(lái)進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)位置。模糊PID是在經(jīng)典PID控制中發(fā)展起來(lái)的，是一種基于模糊集合、模糊語(yǔ)言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的控制算法［10］。在控制過(guò)程中通過(guò)對(duì)由輸入論域映射到輸出論域，將輸入變量模糊化，根據(jù)PID參數(shù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)形成規(guī)則控制表，最后通過(guò)去模糊化的方法得到自適應(yīng)的PID的三個(gè)參數(shù)。在目標(biāo)跟蹤中，由于地線(xiàn)的坡度不同且運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中傾角直時(shí)刻變化，因此可以采用模糊PID模仿人工調(diào)參思維決策過(guò)程，得到更加有效的調(diào)整。

設(shè)計(jì)的模糊PID控制器包括過(guò)程包括模糊控制器和PID控制器，其控制框圖，如圖10所示。

圖10 模糊PID控制框圖Fig.10 Block Diagram of Fuzzy PID Control

模糊控制器包括變量模糊化、建立模糊規(guī)則庫(kù)、去模糊化三個(gè)部分。

（1）變量模糊化。以目標(biāo)位置作為輸入，反饋電機(jī)速度的輸出，選擇實(shí)際位移與理論位移的偏差e和偏差變化率ec構(gòu)成輸入語(yǔ)言變量，選取PID的?Kp、?Ki、?Kd增益控制量構(gòu)成輸出語(yǔ)言變量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定輸入和輸出的基本論域，根據(jù)量化因子和比例因子分別將輸入和輸出轉(zhuǎn)化到如下論域：

定義輸入和輸出論域模糊量語(yǔ)言值均為：e、ec、?Kp、?Ki、?Kd=｛NB、NM、NS、ZE、PM、PS、PB｝，隸屬度函數(shù)，如圖11所示。

圖11 隸屬度函數(shù)Fig.11 Membership Function

（2）建立模糊規(guī)則庫(kù)。模糊推理是模糊控制器的核心，能根據(jù)模糊邏輯中的蘊(yùn)涵關(guān)系及推理規(guī)則從輸入模糊量推導(dǎo)出輸出模糊量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出推理規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊PID推理規(guī)則表Tab.1 Fuzzy PID Inference Rule Table

（3）去模糊化。采用“重心法”將輸出模糊量去模糊化，再經(jīng)過(guò)輸出比例因子的尺度變換得到最終的實(shí)際輸出?Kp、?Ki、?Kd，如式：

式中：fij=ui(e)*uj(ec)；ui(e)—e的隸屬度；uj(ec)—ec的隸屬度；uij的值由模糊規(guī)則表確定；Ku—比例系數(shù)?？刂屏康挠?jì)算式請(qǐng)參照式（10），其中Kp、Ki、Kd由模糊控制器在線(xiàn)整定所得，由下式計(jì)算：

式中：Kp0、Ki0、Kd0—PID初始整定值。

4 實(shí)驗(yàn)分析

在模擬線(xiàn)路試驗(yàn)時(shí)，從充電座兩側(cè)兩個(gè)方向分別進(jìn)行20次充電定位對(duì)接實(shí)驗(yàn)，如圖12所示。均對(duì)接成功。統(tǒng)計(jì)每次對(duì)接所用時(shí)間，得到平均用時(shí)52s。在吉林白山松長(zhǎng)甲線(xiàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以25#和45#兩個(gè)相鄰充電桿塔為起點(diǎn)和目的地，分別進(jìn)行自主充電實(shí)驗(yàn)。25#充電試驗(yàn)，如圖13所示。

圖12 模擬線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)Fig.12 Analog Circuit Experiment

圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)Fig.13 Field Experiment

兩個(gè)充電桿塔充電座附近線(xiàn)路坡度均小于15°，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制機(jī)器人從25#出發(fā)，到達(dá)45#之后，執(zhí)行自主充電命令，對(duì)接成功，得到充電電流反饋。充電完畢后，機(jī)器人返回25#，再次執(zhí)行充電對(duì)接命令，同樣對(duì)接成功，得到充電電流反饋。該充電控制方法基本滿(mǎn)足機(jī)器人充電要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)線(xiàn)路結(jié)構(gòu)提出了一套壓緊輪碰檢C型線(xiàn)夾粗定位以及基于模糊PID的精確定位、霍爾傳感器及充電電流反饋對(duì)接狀態(tài)的自主充電對(duì)接控制方法。粗定位確定充電座的大概位置，基于模糊PID的精確定位通過(guò)分析兩機(jī)械臂之間距離與充電座與未安裝充電頭機(jī)械臂之間距離的關(guān)系，得到精確定位目標(biāo)。

為提高定位精度，首先采用卡爾曼濾波算法對(duì)傾角值進(jìn)行平滑處理；其次，為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，提出了sin速度曲線(xiàn)作為展臂電機(jī)速度控制的目標(biāo)曲線(xiàn)；以實(shí)際位移與理論位移的偏差作為模糊PID系統(tǒng)的輸入，控制展臂電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的輸出，實(shí)現(xiàn)精確定位。實(shí)驗(yàn)表明，該自主充電對(duì)接方法效率高、系統(tǒng)復(fù)雜性低，充電對(duì)接準(zhǔn)確率好。