機(jī)器視覺下的輸電線路巡檢軌跡糾偏控制方法

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；輸電線路；巡檢機(jī)器人；軌跡糾偏控制

中圖分類號(hào)：TP242；TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0109-04

對(duì)變電站進(jìn)行日常巡視維護(hù)是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化進(jìn)程和人工智能技術(shù)的不斷推進(jìn)，輸電線路巡檢機(jī)器人隨之誕生。其在一定程度上取代了人工巡檢方式，進(jìn)一步提高了變電站巡檢效率。針對(duì)變電站巡檢機(jī)器人的自動(dòng)巡檢問題，提出了基于改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法，將此方法應(yīng)用到電力巡檢機(jī)器人中進(jìn)行地圖構(gòu)建，并在地圖中進(jìn)行自動(dòng)避障和軌跡規(guī)劃[1]；為實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢機(jī)器人的自動(dòng)控制，提出了基于單神經(jīng)元自適應(yīng)的PID算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了直流刷電機(jī)位置控制系統(tǒng)[2]；針對(duì)變電站巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航誤差問題，提出了基于多目標(biāo)優(yōu)化克隆算法，并將此算法應(yīng)用到巡檢機(jī)器人導(dǎo)航誤差概率分析系統(tǒng)中進(jìn)行誤差計(jì)算和分析[3]。基于此，提出基于機(jī)器視覺的變電站輸電線路檢機(jī)器人軌跡糾偏控制算法，通過此算法實(shí)現(xiàn)巡檢軌跡糾偏控制，提高電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)運(yùn)維效率。

1變電站巡檢機(jī)器人視覺導(dǎo)航技術(shù)

機(jī)器視覺系統(tǒng)是由現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)整合得到，可理解為機(jī)光電的結(jié)合。機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，機(jī)器視覺主要分為機(jī)器模塊和視覺模塊。機(jī)器則包括機(jī)械、運(yùn)動(dòng)和控制；視覺則分為視覺傳感器圖像采集模塊和圖像處理模塊計(jì)算機(jī)模塊[4]。巡檢機(jī)器人機(jī)器視覺系統(tǒng)中，視覺傳感器的作用是拍攝導(dǎo)引物體，進(jìn)行圖像信息采集；圖像處理模塊則負(fù)責(zé)對(duì)采集的二維圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，以獲取特定的導(dǎo)航參數(shù)輸送至計(jì)算機(jī)模塊中進(jìn)行路徑跟蹤。

機(jī)器視覺導(dǎo)航的原理為搭建可見光攝像頭進(jìn)行圖像采集，并對(duì)采集路面或環(huán)境標(biāo)記物的圖像信息進(jìn)行識(shí)別和處理。由此獲取控制機(jī)器人行走的參數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行自主行走。因此，提出采用機(jī)器視覺導(dǎo)航方式作為變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航方式。

2變電站巡檢機(jī)器人軌跡糾偏控制方法

2.1基于機(jī)器視覺導(dǎo)航的循線方式

機(jī)器視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中，巡檢機(jī)器人獲取導(dǎo)航參數(shù)的主要方式包括跟隨引導(dǎo)路徑、道路邊緣提取和道路區(qū)域識(shí)別3種類型。3種方法中，路徑引導(dǎo)式方法的原理更為簡(jiǎn)單，抗干擾能力更強(qiáng)，導(dǎo)航效果更好，滿足巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航需求。因此，選擇路徑引導(dǎo)方法作為機(jī)器視覺導(dǎo)航方法。由此得到變電站巡檢機(jī)器人的總體行走流程如圖2所示。

導(dǎo)航開始前，需判斷攝像機(jī)是否對(duì)焦，若不對(duì)焦需對(duì)焦距進(jìn)行調(diào)整；然后進(jìn)行圖像采集和預(yù)處理操作；基于采集信息進(jìn)行引導(dǎo)軌線邊緣檢測(cè)和中心線擬合；之后判斷檢測(cè)線路是否偏離中心線[5]。若是，則可控制機(jī)器人左右輪進(jìn)行差速調(diào)節(jié)，由此實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人視覺導(dǎo)航；反之則重新進(jìn)行攝像機(jī)圖像采集，直至達(dá)到機(jī)器視覺導(dǎo)航要求。

2.2模糊單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢機(jī)器人在變電站復(fù)雜環(huán)境中的軌跡糾偏，提出了模糊單神經(jīng)元PID控制器，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該算法是由單神經(jīng)元PID控制器與模糊控制算法相結(jié)合得到。提升了控制結(jié)果的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性。

基于巡檢機(jī)器人的偏移距離d和偏移角度θ，在巡檢機(jī)器人與引導(dǎo)軌線檢的距離偏移中加入一個(gè)權(quán)重系數(shù)p，通過其反映偏移距離d和偏移角度θ對(duì)機(jī)器人的整體軌跡偏移結(jié)果的作用程度。由此獲得總偏差E：

分析可知，模糊控制器屬于雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)的二維模糊控制器。其輸入量為總偏差E和總偏差變化率；輸出為增益倍數(shù)K[15]。根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和復(fù)雜程度，提出將模糊控制器的模糊論域設(shè)置在[-6.6]范圍內(nèi)，通過參數(shù)間的配合獲得適宜的量化因子和比例因子。其中，模糊規(guī)則的語(yǔ)言描述可表示為：

模糊規(guī)則設(shè)計(jì)如表1所示。

由表1可知，模糊規(guī)則在總體誤差較大時(shí)，保持較大的增益倍數(shù)，使得電網(wǎng)系統(tǒng)快速響應(yīng)并趨于穩(wěn)定。在電網(wǎng)系統(tǒng)誤差較小且波動(dòng)平穩(wěn)時(shí)，即可降低增益倍數(shù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1控制器的MATLAB仿真分析

為驗(yàn)證構(gòu)建的模糊單神經(jīng)元PID控制器的控制效果，實(shí)驗(yàn)將基于MATLAB仿真軟件搭建一個(gè)仿真模型。基于搭建的仿真模型，實(shí)驗(yàn)將本模型（FSNC）與傳統(tǒng)的PID控制和常規(guī)單神經(jīng)元PID控制（SNC）進(jìn)行仿真分析，得到3種控制器的仿真對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)時(shí)，傳統(tǒng)PID控制在時(shí)間為0.675s時(shí)可取得最大超調(diào)量0.316，穩(wěn)態(tài)時(shí)間為3.923s；單神經(jīng)元PID控制時(shí)間為0.297s時(shí)可取得最大超調(diào)量0.194，穩(wěn)態(tài)時(shí)間為1.668s。而本控制無(wú)超調(diào)量，在時(shí)間為0.566s時(shí)即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。綜合分析可知，本控制器趨于穩(wěn)定值的時(shí)間更短，無(wú)超調(diào)和震蕩現(xiàn)象。相較于另外2種控制器，本控制器的收斂速度更快，魯棒性更強(qiáng)，在輸電線路巡檢機(jī)器人的軌跡糾偏算法中具備更好的控制效果。

3.2變電站巡檢機(jī)器人軌跡糾偏實(shí)驗(yàn)

3.2.1移動(dòng)機(jī)器人參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證本算法是否滿足變電站巡檢機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)需求，實(shí)驗(yàn)將通過模擬試驗(yàn)方式進(jìn)行算法驗(yàn)證，并基于STM32開發(fā)板的移動(dòng)機(jī)器人作為變電站巡檢機(jī)器人軌跡糾偏試驗(yàn)的模擬平臺(tái)。該機(jī)器人基本物理參數(shù)如表2所示。

3.2.2機(jī)器人硬件模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人模擬平臺(tái)的硬件部分主要分為主控制器模塊、視覺導(dǎo)航傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電池功能模塊、定位模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊6個(gè)部分。

（1）主控制器模塊核心為STM32F103RBT6芯片，該芯片為增強(qiáng)型中容量芯片，正常運(yùn)行在72MHz頻段。芯片運(yùn)行核心部件為32位ARM內(nèi)核。芯片供電電壓為2.0～3.6V，其在節(jié)能模式下在低耗能、快啟動(dòng)和多喚醒條件下達(dá)到最佳處理方式；

（2）視覺導(dǎo)航傳感器模塊選用OV7670高清攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該傳感器體積較小，屬于低電壓圖像傳感器。其設(shè)有單片VGA攝像頭，分辨率為640×480，輸出圖像支持RGB565格式，每秒最大傳輸幀數(shù)可達(dá)30幀，可通過程序編寫完成圖像的處理工作。

（3）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要分為電機(jī)部分和驅(qū)動(dòng)部分。電機(jī)選用霍爾編碼器測(cè)速傳感器，其可將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)位置變化的角度信息變?yōu)樘囟ǖ臄?shù)字脈沖信號(hào)，以此測(cè)量出位移與速度信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用AM2857雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)功率較大，最大電壓支持可達(dá)24V，雙路最大持續(xù)輸出電流為8.0A。可驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的雙輪差速控制；

（4）移動(dòng)機(jī)器人電池功能模塊中，選用11.1V鋰電池，容量達(dá)1800mA·h?？赏ㄟ^穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)電壓值轉(zhuǎn)換，滿足多模塊供電需求；

（5）定位模塊采用MFRC522芯片，其工作頻率為13.56MHz，工作電壓為3.3～5V，采用串口輸出，與STM32主控板的USART接口直接通信；

（6）數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人行走過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，幫助機(jī)器人接收命令信息并做出響應(yīng)。數(shù)據(jù)傳輸模塊選用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)作為傳輸工具?；赟i4432無(wú)線方案和GFSK高速率調(diào)制技術(shù)，提升移動(dòng)機(jī)器人抗干擾能力。

3.2.3模擬實(shí)驗(yàn)與測(cè)試分析

基于以上移動(dòng)機(jī)器人硬件功能模塊設(shè)置，采用STM32F103RBT6開發(fā)板作為模擬平臺(tái)，以水泥地面模擬變電站工作場(chǎng)景的地面部分。采用黃色PVC膠帶模擬變電站路面上的黃色引導(dǎo)軌線。基于設(shè)置的模擬環(huán)境，實(shí)驗(yàn)將對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行軌跡糾偏測(cè)試，以驗(yàn)證提出的軌跡糾偏算法的性能。

實(shí)驗(yàn)采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊將巡檢機(jī)器人與上位機(jī)進(jìn)行通信連接，由此采用上位機(jī)軟件界面對(duì)巡檢機(jī)器人的采集圖像、速度、路徑類型和偏移量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

將上位機(jī)和導(dǎo)航控制軟件的傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出到MATLAB軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，可得到不同采樣時(shí)間點(diǎn)下，偏移量的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，采樣時(shí)間間隔為50ms，在采樣時(shí)間為215ms時(shí)，最大偏移量為11.32cm。隨著采樣時(shí)間的不斷增加，偏移量也隨之不斷降低，在采樣時(shí)間為1500ms時(shí)，偏移量取值為0。

彎道模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)如圖6所示。

由圖6可知，彎道試驗(yàn)中，回歸時(shí)間最大值為2.5s，10次試驗(yàn)平均值為1.33s。巡檢機(jī)器人軌跡糾偏所用時(shí)間低于3s，滿足模糊單神經(jīng)元PID控制器的糾偏性能要求。

4結(jié)語(yǔ)

采用基于機(jī)器視覺導(dǎo)航的循線方式可有效降低在復(fù)雜環(huán)境下，輸電線路巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航參數(shù)實(shí)時(shí)獲取難度，通過提出的軌跡糾偏算法可提升巡檢機(jī)器人的軌跡控制穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性。在巡檢機(jī)器人中引入模糊單神經(jīng)元PID控制器，采用在線調(diào)整單神經(jīng)元增益K的方式，可實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢機(jī)器人控制參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。通過仿真模擬分析可知，設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人在彎道區(qū)域中的軌跡糾偏時(shí)間低于控制器標(biāo)準(zhǔn)3s，糾偏時(shí)間較低，滿足設(shè)計(jì)的模糊單神經(jīng)元PID控制器的控制需求。其糾偏效果與機(jī)器人行走過程中偏離路徑的程度存在關(guān)聯(lián)性。當(dāng)偏移距離與角度取值較小時(shí)，可取得最佳糾偏效果。