發(fā)布時(shí)間：2022-02-26所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為提高輸電線路除冰機(jī)器人的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的，提出了一種將 S 形曲線應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的方法。該方法充分利用了 S 形曲線的諸多優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)傳統(tǒng)的復(fù)雜 S 形曲線算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用 4 段加減速后退、 2 段加速前進(jìn)的軌跡規(guī)劃算法，同時(shí)還給出了
摘要：為提高輸電線路除冰機(jī)器人的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的，提出了一種將 S 形曲線應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的方法。該方法充分利用了 S 形曲線的諸多優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)傳統(tǒng)的復(fù)雜 S 形曲線算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用 4 段加減速后退、 2 段加速前進(jìn)的軌跡規(guī)劃算法，同時(shí)還給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該算法的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：S 形曲線;除冰機(jī)器人;軌跡規(guī)劃;加減速算法
0 引言
高壓輸電線路是電力供應(yīng)的基本保障，但輸電線路覆冰會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全[1-3]。利用除冰機(jī)器人進(jìn)行輸電線路除冰是一種較為行之有效的除冰方式。國(guó)外對(duì)輸電線路巡線機(jī)器人的研究起步較早[4]，目前除冰機(jī)器人技術(shù)較為成熟的是加拿大魁北克水電研究院[5]，研制了 HQ LineROVer 遙控小車，主要用于清除輸電線路的覆冰，但該機(jī)器人不具備越障能力，只能清除兩桿塔之間的覆冰。國(guó) 內(nèi)在 863 計(jì)劃的資助下，巡線機(jī)器人的研究取得了一定成果[6-8]，但除冰機(jī)器人還處于研制階段，沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。
除冰機(jī)器人的工作環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)當(dāng)選擇合理的運(yùn)動(dòng)軌跡。傳統(tǒng)工業(yè)控制中的加減速運(yùn)行方式存在著加速度突變的問(wèn)題，極易對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊，嚴(yán)重的將造成設(shè)備故障[9]。采用性能良好的 S 形曲線加減速算法可有效避免上述問(wèn)題的發(fā)生，并能得到較為理想的運(yùn)行效果。目前很多學(xué)者針對(duì) S 形曲線的算法設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行了研究分析[10-11]，文獻(xiàn)[12]建立了高速加工軌跡模型，并在 S 形曲線加減速控制模式下，提出一種基于時(shí)間最優(yōu)的高速加工軌跡效率評(píng)價(jià)方案。利用 S 形曲線作為加減速算法在很多領(lǐng)域中都可以體現(xiàn)其優(yōu)越之處，文獻(xiàn)[13-15]將 S 形曲線加減速算法應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，取得了很好的控制效果，此外 S 形曲線作為加減速算法在機(jī)器人點(diǎn)位控制[16]、礦井提升機(jī)[17]和直線電機(jī)等系統(tǒng)[18]中也得到了應(yīng)用。
本文將對(duì)除冰機(jī)器人在非覆冰導(dǎo)線上的后退和沖擊軌跡進(jìn)行分析，使機(jī)器人到達(dá)覆冰時(shí)沖擊慣量最大，除冰效率最高。同時(shí)針對(duì)除冰機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境和工作方式的特殊性，為使除冰機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，本文將運(yùn)用柔性的 S 形曲線加減速思想，有效減少?zèng)_擊，延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命，使除冰機(jī)器人能在輸電線路除冰中取得較好的運(yùn)行效果。
1 除冰機(jī)器人的除冰原理
除冰機(jī)器人在輸電線路上經(jīng)歷提速、平穩(wěn)前進(jìn) 2 個(gè)狀態(tài)。除冰冰刀能夠?qū)⒏脖行С?當(dāng)遇到較厚的覆冰時(shí)，機(jī)器人速度下降，為避免驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而造成故障，需執(zhí)行停止命令，隨即后退再?zèng)_擊除冰。為達(dá)到理想的除冰效果，應(yīng)使機(jī)器人再次到達(dá)覆冰位置時(shí)的沖擊慣量最大，即再次到達(dá)覆冰位置時(shí)速度為最大值 vmax，且后退位移 S1 和前進(jìn)位移 S2 相等;若后端線路仍遇減速情況，則反復(fù)執(zhí)行本過(guò)程，以達(dá)到有效除冰的目的。機(jī)器人除冰過(guò)程理想速度曲線如圖 1 所示。圖中 vm為機(jī)器人的最大運(yùn)行速度;vn 為機(jī)器人常規(guī)運(yùn)行時(shí)的速度;vr 為后退時(shí)的反向最大速度;S1 為機(jī)器人后退位移;S2 為機(jī)器人前進(jìn)位移，并且滿足 S1+S2=0 的關(guān)系。
當(dāng)除冰機(jī)器人遇到厚冰層時(shí)，執(zhí)行停止指令，如圖 2(a)所示;除冰機(jī)器人按給定的 S 形曲線加減速算法執(zhí)行后退指令，如圖 2(b)所示;當(dāng)除冰機(jī)器人后退至指定位置后停止，如圖 2(c)所示;除冰機(jī)器人按設(shè)計(jì)的 S 形曲線加速算法執(zhí)行前進(jìn)指令，如圖 2(d)所示;當(dāng)除冰機(jī)器人再次到達(dá)覆冰位置時(shí)速度達(dá)到最大值，并以最大速度沖擊覆冰，如圖 2(e) 所示。
2 除冰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法設(shè)計(jì)
2.1 S 形曲線的后退運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃
為保證除冰機(jī)器人在沖擊除冰過(guò)程中能夠平穩(wěn)運(yùn)行，需要對(duì)加速度進(jìn)行控制。傳統(tǒng)梯形加速方式的加速度變化不連續(xù)，會(huì)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)造成沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)[9]，而選擇柔性度較好的 S 形曲線加減速控制可以避免此類情況的發(fā)生，從而提高機(jī)器人的工作效率。傳統(tǒng)的 S 形曲線為 7 段函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)加減速過(guò)程中加速度的連續(xù)變化[19-20]，而傳統(tǒng)的 7 段 S 形曲線算法參數(shù)較多，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，影響機(jī)器人的工作效率，因此本文對(duì) S 形曲線進(jìn)行了規(guī)劃，采用 4 段 S 形曲線簡(jiǎn)便算法。數(shù)值取反后的 S 形曲線后退軌跡如圖 3 所示，加速后退過(guò)程包含加速度增加和減少的加速段，減速后退過(guò)程包含加速度增加和減少的減速段，機(jī)器人向前運(yùn)行的過(guò)程則只采用加速度增加和減少的加速過(guò)程，以保證機(jī)器人除冰過(guò)程能夠穩(wěn)定運(yùn)行。圖中 S 為位移; v 為速度;a 為加速度;j 為加速度變化率。
2.2 S 形曲線加減速后退算法
在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，定義：a(t)為加速度;v(t) 為機(jī)器人的運(yùn)行速度;S(t)為運(yùn)動(dòng)位移;運(yùn)行過(guò)程中各階段的終止時(shí)刻為 Tk=kT(k=1, 2, 3, 4)。采用迭代遞推法可得：
1)在加速度增加的加速段，即 0≤t≤T1 時(shí)，有
3 仿真及結(jié)果分析
利用上述過(guò)程中的運(yùn)行軌跡 S 形曲線加減速算法作為除冰機(jī)器人的期望運(yùn)行軌跡，假定某輸電線路除冰機(jī)器人所能達(dá)到的最大運(yùn)行速度為 vmax= 6m/s;最大加速度為 amax=20m/s2 ;選取 T=0.25s。采用本文提出的 S 形曲線加減速軌跡規(guī)劃控制算法時(shí)，由式(4)可得 jmax=80 m/s3 ;由 v6(T6)=vmax 和 S(T6)=0 可得 p=5/3、jf=34.56m/s3 。將上述參量代入除冰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法中可得特定點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，見(jiàn)表 1。
期望加速度、速度和位移軌跡如圖 5 所示，可以得知：
1)在后退和前進(jìn)過(guò)程中，機(jī)器人運(yùn)行的加速度連續(xù)變化，并無(wú)加速度突變現(xiàn)象，從而使得機(jī)器人的運(yùn)行適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的性能，有效減少?zèng)_擊，避免機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生大幅度震動(dòng)，從而可延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。
2)除冰機(jī)器人的運(yùn)行速度連續(xù)，速度變化平滑，且通過(guò)運(yùn)行軌跡可以看出機(jī)器人的前進(jìn)后退加減速算法具有良好的柔性，終止時(shí)刻達(dá)到最大速度值 vmax，使得除冰機(jī)器人再次到達(dá)覆冰位置時(shí)獲得最大的沖擊慣量，達(dá)到有效除冰的目的。
3)當(dāng)除冰機(jī)器人沿沖擊方向速度達(dá)到最大值 vmax 時(shí)，位移值為零，即機(jī)器人剛好到達(dá)后退起始位置。
4 結(jié)論
本文選用柔性的 S 形曲線對(duì)輸電線路除冰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，并對(duì)傳統(tǒng) 7 段 S 形曲線進(jìn)行了改進(jìn)，采用 4 段后退、2 段前進(jìn)的 S 形曲線加減速算法，提高了機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性，在實(shí)際應(yīng)用中，只要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整最大加速度、最大速度及運(yùn)行時(shí)間，就能快速地得到性能優(yōu)良的 S 形速度給定曲線。——論文作者：郝曉弘 1 ，胡振邦 1 ，朱潔 1 ，秦睿 2
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