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摘 要： 摘要: 針 對 220KV 高壓輸電線除冰機器人這一新的機器人應(yīng)用領(lǐng)域, 提出了一套機器人運動控制系統(tǒng)方 案 。 實 現(xiàn) 了 一 種 基于開放式運動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由工控機和運動控制卡組成,通過無線通訊控制除冰機器人的行走及越障動作,如 跨 越 防 震錘及懸垂線夾等。 從系統(tǒng)
摘要: 針 對 220KV 高壓輸電線除冰機器人這一新的機器人應(yīng)用領(lǐng)域, 提出了一套機器人運動控制系統(tǒng)方 案 。 實 現(xiàn) 了 一 種 基于開放式運動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由工控機和運動控制卡組成,通過無線通訊控制除冰機器人的行走及越障動作,如 跨 越 防 震錘及懸垂線夾等。 從系統(tǒng)的硬件既軟件實現(xiàn)兩個方面分別介紹了其運動控制的實現(xiàn)過程,實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的可 靠 性、實時性及良好的人機交互性。
關(guān)鍵詞: 除冰機器人; 高壓輸電線; 運動控制
1 引言
我國是輸電線路覆冰最為嚴重的國家之一, 線路冰害事故發(fā)生的概率居世界前列,2008 年初我國南方的雨雪冰凍天氣更是給電力設(shè)施帶來災難性的破壞, 數(shù)名電力工人在輸電線路除冰過程中壯烈犧牲。因此,研究一種高度自動化的除冰機器人代替人工 除冰 對 于 保護 我 國 電網(wǎng) 的 安 全運 行 和 電力 工 人 的生 命安全具有極其迫切的現(xiàn)實意義。
目前除冰機器人已經(jīng)成為機器人研究領(lǐng)域的一大熱 點,文獻結(jié)合輸電 線 路 上覆 冰 的 去除 方 法 設(shè)計 了 一 種兩 臂 式 除冰 機器人; 文獻提出了一種新的輸電線路除冰機器人越障方法并對其進行了運動學和動力學分析; 除冰機器人是在惡劣環(huán)境中對輸電線路進行無損除冰作業(yè),其結(jié)構(gòu)、功能、動力、通信等方面都有特殊的要求,因此有必要對除冰機器人的本體、除冰裝置、系統(tǒng)功能設(shè)計,軟硬件實現(xiàn)等各個方面加以深入的研究。
而作為除冰機器人的一個重要部分, 運動控制系統(tǒng)性能將直接 影 響除 冰 機 器人 工 作 性能 及 可 操控 性。 本 文針 對 220KV 輸電線路的結(jié)構(gòu)特點,按照除冰機器人實際工作的要求,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)清晰、層 次分 明、拓 展性 良 好 的輸 電 線 除冰 機 器 人運動控制系統(tǒng)。
2 除冰機器人結(jié)構(gòu)
目前,本文設(shè)計的除冰機器人采用的是三臂結(jié)構(gòu)。它的本體主要由三個機械臂、掛線裝置及除冰裝置、本體艙等組成,其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
在三個機械臂中:中間機械臂的肘關(guān)節(jié)可伸縮,其上安裝有主驅(qū)動輪,主要用來驅(qū)動機器人的行進和保持機器人平衡;兩側(cè)機械臂的關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),每個臂末端安裝一個掛線裝置,掛線裝置配備有掛線輪和除冰裝置,主要用于完成除冰工作和夾持電纜。
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本體艙則是由動力箱、控制箱和電池箱三個部分組成。 除冰機器人采用混合動力方式供電, 機上搭載了一臺汽油發(fā)電機和一塊大容量電池, 它們的重量較大被分別安排在本體艙的兩端。控制箱是除冰機器人控制系統(tǒng)的核心,工控機和眾多的外圍設(shè)備都被安放在其中。
3 除冰機器人的作業(yè)環(huán)境及控制目標
本文設(shè)計的除冰機器人主要用于 220KV 高壓輸 電 線 路的除冰作業(yè)。 220KV 高壓輸電線路是一種柔性較大、障礙復雜的工作環(huán)境, 其典型線路及障礙情況如圖 2 所示, 它主要包括:直線、大跨度輸電線上(下)坡、絕緣子、防 振 錘、各種 線 夾、引流 跳線等。 除冰機器人運動控制系統(tǒng)的主要控制目標可以概括為以下五個方面:(1)保證除冰機器人在柔性架空線上的平穩(wěn)爬行,包括上下坡、制動、防滑、負載等各方面的問題;(2)避越絕緣子、防振錘、各種線夾(懸垂線夾、耐張線 夾 等)、壓接 管、引 流線、線 塔等;(3) 保障機器人姿態(tài)平穩(wěn)以及保持其它導線和線塔金屬部件的安全距離;(4)保障除冰裝置的平穩(wěn)運行;(5)保證除冰機器人及其除冰裝置在冰凍雨雪天氣條件下良好運行。
4 控制系統(tǒng)功能設(shè)計
除冰機器人是一個復雜的自動化設(shè)備, 其驅(qū)動元件數(shù)量眾多,包括了四大類總共 20 個電機,即除冰電機 2 個、驅(qū)動及關(guān)節(jié)電機 8 個、升降機重心調(diào)節(jié)電機 7 個、剎車電機 3 個。 且除冰機器人工作在柔性輸電線路上,運動狀態(tài)比較復雜,此外線路上存在很多障礙物并非都是典型結(jié)構(gòu), 而且機器人要長期在惡劣環(huán)境下工作,可能會出現(xiàn)許多預想不到的情況。 在這種情況下,為了保證機器人工作的穩(wěn)定性和安全性, 其運動控制系統(tǒng)不但要具備對單個電機的穩(wěn)定控制能力,而且也應(yīng)該具備易操作性。因此,如圖 3 所示,除冰機器人的運動控制系統(tǒng)分為兩個部分,即遠程監(jiān)控端和機器人本體控制端。 它們之間通過無線方式實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸: 一方面地面監(jiān)控人員可以接收來自機器人的視頻圖像、探測傳感器數(shù)據(jù)、機器人位姿狀態(tài)、輸電線路覆冰厚度和微氣象等信息;另一方面,地面監(jiān)控人員可以對機器人發(fā)出各種控制命令,指導機器人工作。
遙操作控制指令分為任務(wù)級指令和關(guān)節(jié)級指令兩種: 其中任務(wù)級命令直接給機器人下達操作任務(wù),例如翻越各種線夾,避讓防震錘等,機器人根據(jù)事先編程的運動過程進行運動,完成任務(wù);關(guān)節(jié)級命令是指直接對機器人的各個關(guān)節(jié)或功能單元進行控制。
5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖 4 所示
根據(jù)分級遞階的思想, 在硬件系統(tǒng)的設(shè)計上采用了三層結(jié)構(gòu),即遠程監(jiān)控層、機載控制層以及執(zhí)行層。 遠程監(jiān)控層位于地面監(jiān)控計算機, 主要負責觀測機器人的工作狀況及對其進行遙操作;機載信息管理與決策層和執(zhí)行層位于機器人本體上,主要負責 現(xiàn)場 傳 感 信息 的 實 時采 集、 各 種控 制 算 法的 具 體 實 現(xiàn) 及底 層運 動 控 制。 其 中 機 載信 息 管 理與 決 策 層的 功 能 由機 載 工控機實現(xiàn),執(zhí)行層的功能由嵌入式運動控制卡實現(xiàn)。 伺服電機組包括驅(qū)動、關(guān)節(jié)電機及剎車電機,開關(guān)電機組包括除冰電機、升降電機及重心調(diào)節(jié)電機。
地面 監(jiān) 控計 算 機 和機 器 人 機載 工 控 機之 間 采 用 無 線 局 域網(wǎng) 通 訊 方式 進 行 傳感 信 息 和控 制 指 令的 傳 輸。 機器 人 機 載工控 機 和運 動 控 制卡 采 用 基于 現(xiàn) 場 總線 的 分 布式 控 制 結(jié)構(gòu)。 運動 控 制 卡 的 核 心 由 DSP 和 FPGA 組 成, 它 與 機 載 工 控 機 一 同構(gòu) 成 了 一 個 開 放 式 運 動 控 制 系 統(tǒng),即“PC+運 動 控 制 器”模 式。這樣就將 PC 機的信息處理能力、開 放 式 的特 點 與 運動 控 制 器的 運 動 軌 跡 控 制 能 力 有 機 的 結(jié) 合 在 一 起, 具 有 信 息 處 理 能 力強、開放程度高運動軌跡控制準確、通用性好的特點。
6 控制系統(tǒng)軟件
除冰機器人運動控制系統(tǒng)遠程控制端如圖 5 所 示,該 系 統(tǒng)采用 VC++.NET 平臺編寫,應(yīng)用多線 程 機 制可 以 同 時對 多 個 電機進行實時控制,并且具備單個關(guān)節(jié)或者任務(wù)級控制能力。
如圖 5 所示,該系統(tǒng)根據(jù)電機類型特點及其任 務(wù) 分工 設(shè) 計了五種關(guān)節(jié)級指令控制模塊,即驅(qū)動電機控制、關(guān)節(jié)電機控制、前臂其它電機、中臂其它電機、后壁其它電機。
由于 在 除冰 機 器 人行 走 過 程中 要 使 用三 個 驅(qū) 動 電 機 并 行驅(qū)動,而在越障過程中則會根據(jù)具體情況選擇其中兩個驅(qū)動電機組合來驅(qū)動機器人行走,因此在驅(qū)動電機模塊采用了復選框方式來實現(xiàn)電機運動組合,并且可以通過運動方向復選框來選擇除冰機器人的運行方向,驅(qū)動電機的運行參數(shù)則可以通過其參數(shù) 設(shè) 置完 成。 除 冰機 器 人 關(guān)節(jié) 電 機 控制 一 般 在其 越 障 過 程中 使 用,在 這 個 模 塊 中 關(guān) 節(jié) 電 機 采 用 單 個 電 機 控 制 模 式,通 過電機選擇可以選擇需要控制的關(guān)節(jié),同時其運動方向可以通過關(guān)節(jié)電機運動方向確定。 此外,為了減少操作的難度,控制系統(tǒng)設(shè)計中盡量減少按鈕的數(shù)量,除冰機器人的其它電機控制中采用單個按鈕來控制電機的啟停,按鈕標簽標示其運動形式。
同時,該控制系統(tǒng)還對于除冰機器人的一些行 為進 行 了 任務(wù) 級 指 令規(guī) 劃,如 除冰 機 器 人 前 景、后 退、跨 越 防 震 錘、跨 越 懸垂線夾。
7 結(jié)束語
本文所設(shè)計的除冰機器人運動控制系統(tǒng)能夠?qū)ζ涓鱾�電機進行穩(wěn)定的實時控制,機器人在實驗中運動靈活可靠,所設(shè)計的 開放 式 運 動控 制 系 統(tǒng)具 有 良 好的 抗 干 擾能 力 及 良好 的 可 拓展性。下一步將完成除冰機器人的傳感系統(tǒng),使其具備環(huán)境及自我感知能力,為自主控制提供基礎(chǔ)。——論文作者：王 聰 孫 煒 向陽琴
參考文獻
[1]張屹, 邵威, 高虹亮等. 高壓輸電線路除冰機器人的機構(gòu)設(shè)計 [J]. 三峽大學學報(自然科學版), 2008, 30(6): 69 - 72.
[2] 侯文琦, 王劍, 馬宏緒, 劉建平. 輸電線路除冰機器人機構(gòu)設(shè)計與動力學仿真[J]. 機械與電子, 2009, (10): 52 - 55.
[3]上海市電力公司. 220KV 及以上典型線路桿型裝置圖[M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.
[4]孫鑫, 余安萍. VC++深入詳解[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.
[5]景晨, 李碩. 北極冰下自主/遙控機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息, 2009, 3-2: 253-255.
