基于DPS的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜文東, 湯春俊, 梁加凱, 傅卓君, 秦威南

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司,浙江,杭州 310000;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司,浙江,金華 321000)

0 引言

高壓線是電力系統(tǒng)中配電環(huán)節(jié)的重要組成設(shè)備。在室外環(huán)境下,高壓線路難免會(huì)出現(xiàn)故障問(wèn)題,而一旦發(fā)生故障,不僅影響了供電可靠性,還由于需要維修人員攀爬到高空,在高壓環(huán)境中進(jìn)行作業(yè),危險(xiǎn)性極高,給維修人員帶來(lái)生命安全威脅[1]。在此背景下,為了提升供電可靠性,減少停電帶來(lái)的損失,同時(shí)降低高壓線路維修的風(fēng)險(xiǎn),提高維修作業(yè)效率,開(kāi)發(fā)了一種高壓帶電作業(yè)機(jī)器人。這種機(jī)器人在工作人員的操作下,代替作業(yè)人員進(jìn)行高壓電路維修,但這種機(jī)器人開(kāi)發(fā)較晚,其控制力并不是很好,容易出現(xiàn)控制偏差,會(huì)影響作業(yè)的效率和質(zhì)量[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題,如何提高高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制性能成為研究的重點(diǎn)。關(guān)于這一問(wèn)題,很多專(zhuān)家和學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,例如:王凱豐等[3]針對(duì)高壓電力廊道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種控制系統(tǒng),在該系統(tǒng)中運(yùn)用了多種傳感器以保證控制效果,但是同時(shí)運(yùn)用多種傳感器時(shí),如何進(jìn)行協(xié)調(diào)、降低控制系統(tǒng)運(yùn)行壓力成為一大難題;江維等[4]設(shè)計(jì)了一種雙閉環(huán)自主定位控制系統(tǒng),該系統(tǒng)將BP網(wǎng)絡(luò)和視覺(jué)伺服相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手運(yùn)行地精準(zhǔn)控制,但是雙閉環(huán)處理影響了作業(yè)效率。

結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn),本文基于DPS設(shè)計(jì)一種高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。DPS是一種數(shù)字像素處理技術(shù),具有很強(qiáng)的圖像捕獲和處理性能,在光線落差較大的環(huán)境中也能有效識(shí)別目標(biāo)物體。將該技術(shù)應(yīng)用到所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)當(dāng)中,以期提高高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的控制精度。

1 基于DPS的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

基于DPS的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)主要分為3層,即下位機(jī)層、中間通信層以及上位機(jī)層[7]。

(1) 下位機(jī)層。下位機(jī)層主要負(fù)責(zé)兩部分內(nèi)容,分別是采集信息和執(zhí)行命令。

(2) 中間通信層。中間通信層負(fù)責(zé)連接下位機(jī)層和上位機(jī)層,實(shí)現(xiàn)二者之間的交互通信。

(3) 上位機(jī)層。上位機(jī)層負(fù)責(zé)機(jī)器人整體控制命令生成、輸出,對(duì)下位機(jī)層中的各個(gè)物理設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[8]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 DPS攝像機(jī)

DPS攝像機(jī)為控制系統(tǒng)的“眼睛”,主要作用是為控制指令的生成提供可靠的目標(biāo)數(shù)據(jù)和障礙數(shù)據(jù)[9]。簡(jiǎn)單地說(shuō),DPS攝像機(jī)起到了數(shù)據(jù)信息采集的作用。與一般的攝像機(jī)相比,DPS攝像機(jī)抗干擾性更強(qiáng),采集到的圖像更加清晰,且適合各種場(chǎng)合。DPS攝像機(jī)具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2.2 DSP控制芯片

控制系統(tǒng)的核心是DSP控制芯片,其性能直接影響控制系統(tǒng)的控制效果[10]。本系統(tǒng)中的控制芯片為DSP控制芯片,該芯片以TMS320F2812 為MCU,主頻高達(dá)150 MHz,具有集成性強(qiáng)、性能強(qiáng)、運(yùn)算效率高等優(yōu)點(diǎn)?？刂菩酒布M成框圖如圖1所示。

1.2.3 電機(jī)

電機(jī)的作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,以驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng),是動(dòng)力來(lái)源[11]。本控制系統(tǒng)的電機(jī)為雷賽步進(jìn)電機(jī) 57HS22-A,該電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 雷賽步進(jìn)電機(jī) 57HS22-A參數(shù)表

1.2.4 驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器在本系統(tǒng)當(dāng)中起到的作用是在電機(jī)的帶動(dòng)下驅(qū)動(dòng)高壓帶電作業(yè)機(jī)器人工作[12]。本系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器為DM542,該驅(qū)動(dòng)器具體功能特點(diǎn)如下:

(1) 低導(dǎo)通電阻RDS(ON),2.5 A峰值電流輸出;

(2) 支持插補(bǔ)細(xì)分功能,自動(dòng)插補(bǔ)到256細(xì)分;

(3) 支持電壓衰減,靜音工作,圓滑運(yùn)動(dòng);

(4) 兼容3.3 V和5 V邏輯電平;

(5) 過(guò)熱關(guān)斷功能;

(6) 輸出過(guò)流保護(hù)。

1.2.5 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊是下位機(jī)和上位機(jī)連接的載體,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳和控制指令下達(dá)[13]。本系統(tǒng)中的無(wú)線通信模塊為UT-930-ZigBee,它具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、收發(fā)一體、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)和特性。模塊內(nèi)置天線,覆蓋范圍可達(dá)30英尺,支持4 Mibit/s高速連傳,默認(rèn)波特率為9600。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括3個(gè)關(guān)鍵程序,即作業(yè)目標(biāo)識(shí)別程序、作業(yè)規(guī)劃程序、位置控制程序[14]。下面針對(duì)這3個(gè)程序進(jìn)行具體分析。

1.3.1 作業(yè)目標(biāo)識(shí)別程序

作業(yè)目標(biāo)識(shí)別程序是控制系統(tǒng)的首要程序,后續(xù)所有程序的運(yùn)行都是參照該程序識(shí)別出的作業(yè)目標(biāo)進(jìn)行的。作業(yè)目標(biāo)識(shí)別程序以DPS攝像機(jī)采集到的圖像為基礎(chǔ),對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,提取作業(yè)目標(biāo)特征,利用YOLOv3算法進(jìn)行作業(yè)目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別。具體過(guò)程如下。

步驟1 DPS攝像機(jī)初始化。

步驟2 DPS攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定。

步驟3 拍攝圖像。

步驟4 圖像上傳。

步驟5 圖像預(yù)處理:①圖像灰度化;②圖像去噪;③圖像增強(qiáng)。

步驟6 圖像分割。

步驟7 利用Ratio算法進(jìn)行目標(biāo)特征提取,包括紋理特征、幾何特征等。

步驟8 基于提取的特征,利用YOLOv3算法進(jìn)行作業(yè)目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別。

在明確作業(yè)目標(biāo)指標(biāo)之后,確定圖像中目標(biāo)中心點(diǎn)的坐標(biāo),然后將其代入攝像機(jī)成像模型當(dāng)中,計(jì)算出該作業(yè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)。

1.3.2 作業(yè)規(guī)劃程序

作業(yè)規(guī)劃程序基于作業(yè)目標(biāo)的三維坐標(biāo),規(guī)劃高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的最佳運(yùn)行路徑。最佳路徑的規(guī)劃以時(shí)間最優(yōu)為目標(biāo),建立數(shù)學(xué)模型:

(1)

采用粒子群算法對(duì)上述構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,具體求解流程如圖2所示。

圖2 粒子群算法求解流程

1.3.3 位置控制程序

位置控制程序基于作業(yè)規(guī)劃方案,控制帶電作業(yè)機(jī)器人執(zhí)行命令,進(jìn)行高壓線路修護(hù)?？刂瞥绦蛉鐖D3所示。在高壓帶電作業(yè)機(jī)器人位置控制程序中,模糊PID控制器是關(guān)鍵,主要作用是不斷調(diào)整機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行位置,使得與預(yù)期之間的偏差不斷減小,以提高機(jī)器人運(yùn)行準(zhǔn)確性。

圖3 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人位置控制程序

如圖3所示,利用上文求得的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)方案設(shè)置控制指令,規(guī)劃?rùn)C(jī)器人當(dāng)前位置,檢測(cè)其目標(biāo)位置,利用模糊PID控制器對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)機(jī)器人當(dāng)前位置與目標(biāo)位置之間誤差為0時(shí),輸出高壓帶電作業(yè)機(jī)器人位置控制結(jié)果。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

2.1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建

以一個(gè)六自由度帶電作業(yè)機(jī)器人為控制對(duì)象,結(jié)合地面基站,基于所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),對(duì)某處高壓線路進(jìn)行更換作業(yè),如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

六自由度帶電作業(yè)機(jī)器人基本技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 六自由度帶電作業(yè)機(jī)器人基本技術(shù)指標(biāo)

2.2 控制參數(shù)設(shè)置

高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制參數(shù)

2.3 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)最佳路徑

粒子群算法參數(shù)設(shè)置如下:粒子群范圍為20;粒子學(xué)習(xí)能力影響因子為2.0;控制因子為5;慣性影響因子為0.5;最大迭代次數(shù)為500次。利用粒子群算法求解高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)預(yù)期最佳路徑,結(jié)果如圖5所示。

圖5 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)預(yù)期最佳路徑

由圖5可知,高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)路徑為巡檢路徑,從起始點(diǎn)開(kāi)始,經(jīng)過(guò)巡檢到達(dá)終點(diǎn)。

2.4 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制精度

借助MATLAB中的Simulink 工具箱搭建模糊PID控制器,然后在該控制器控制下命令六自由度帶電作業(yè)機(jī)器人按照?qǐng)D5給出的最佳路徑進(jìn)行作業(yè)。實(shí)際作業(yè)路徑如圖6所示。

圖6 六自由度帶電作業(yè)機(jī)器人實(shí)際作業(yè)路徑

將圖6與圖5進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算2條曲線之間的擬合優(yōu)度,結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,帶電作業(yè)機(jī)器人實(shí)際作業(yè)路徑與預(yù)期最佳路徑之間的擬合優(yōu)度基本維持在0.9以上,說(shuō)明本系統(tǒng)的控制效果較好,使得帶電作業(yè)機(jī)器人運(yùn)行路徑接近預(yù)期,控制精度較高。其中,擬合優(yōu)度取值0～1,越靠近1,說(shuō)明機(jī)器人運(yùn)行越靠近預(yù)期,其控制效果越好。

圖7 擬合優(yōu)度

3 總結(jié)

高壓線路維護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜且危險(xiǎn)的工作,帶電作業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提高了高壓線路維護(hù)工作效率,降低了工作危險(xiǎn)性。然而,目前帶電作業(yè)機(jī)器人的控制效果較差,經(jīng)常與預(yù)期存在偏差。針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種基于DPS的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于DPS確定作業(yè)目標(biāo),然后針對(duì)目標(biāo)設(shè)計(jì)最佳運(yùn)行線路,最后在模糊PID控制器控制下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度控制。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試,證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制精度。然而,本系統(tǒng)仍有一些工作需要繼續(xù)完善,即操作功能需要進(jìn)一步擴(kuò)展、自動(dòng)化程度有待提高。