巡检机器人控制系统设计与研究

巡检机器人控制系统设计与研究

袁东至 郑金城 刘利明 刘涛

国电建投内蒙古能源有限公司 017000

摘要：巡检作业是超高压输电线路管理工作中重要的组成部分，在工作中会使用到巡检机器人，提高巡检机器人的巡检能力，需要基于控制系统设计巡检机器人，在设计中构建有限状态机模型，可以通过遥感以及自主控制等方式操控巡检机器人。本文围绕巡检机器人控制系统设计与研究展开讨论，为控制系统的设计与研究提供参考依据。

关键词：巡检机器人；控制系统；设计研究

引言：

由于超高压输电线路运行过程中会产生较大负荷，在负荷的作用下，会引发输电线路出现问题。为避免输电线路出现问题，电力企业采用人工巡视的方式，检查输电线路存在的问题，但是巡检工作危险系数较高，极易引发安全事故。许多电力企业使用机器人进行巡检工作。根据输电线路的运行特点，根据特点设计巡检机器人的控制系统，使巡检机器人符合巡检标准，保证巡检工作顺利的进行。

1. 机器人结构及运动学

巡检机器人应具备跨越塔杆障碍功能，该功能可以提升巡检机器人的巡检能力。巡检机器人主要的组成结构，包括机器人和地面便携式控制器，机器人是由两个机构组成，一个是轮臂复合机构，另一个是巡检作业箱体，轮臂复合机构，可以使机器人做出跨越塔杆的动作。轮臂复合机构是由多个构件组成，包括行走轮、夹持手爪以及手臂，行走轮和手爪同时控制机器人的关节，将关节固定在导轨上，使机器人可以在导轨上滑动。在机器人滑动过程中，箱体的重心与机器人抓线重心相同，提高机器人运行的稳定性。在箱体内会配置不同的设备，包括云摄像头、机器人主控制器以及电机驱动器等。

使机器人具备自主跨越障碍的功能，设计人员应基于运动学原理，设定运动学方程，根据方程构建运动学模型，公式为x=jq，其中x代表找线手爪末端速度，q代表机器人关节速度。

2. 控制系统设计

巡检机器人在运行过程中，与地面的距离超过几十米，地面人员很难观察到机器人的操作状态。在巡检高压输电线路过程中，保证机器人精准的开展巡检工作，需要在机器人内部配置控制系统，利用控制系统在远程操作过程中，可以使机器人自行完成巡检工作。

在设计机器人的控制系统时，需要配置不同的设备，包括云台摄像机、微波发射机、传感器、模拟传感器、行走电机、旋转电机、伸缩电机以及手爪电机，每种设备需要根据巡检要求进行工作，例如机器人的计算机系统，会将运行信号传输至模拟传感器，再经云台摄像机、微波发射机后，将信号传输至微波接收机，接收机会实时调整运行状态，以便完成巡检任务。

此外在机器人本体控制系统中，会配置不同构件，包括PC104总线、核心模块、通讯模块、运动控制模块以及转换模块等，上述构件可以为工作人员建立远程操作平台，在平台内工作人员根据传输的画面，调整机器人的运行方式。在传输图像过程中，会使用到无线传输系统、微波传输系统等，每个系统均由独立的设备提供运行环境。控制系统的核心为地面远端控制系统，该系统具备多种功能，包括无线通讯功能、机器人本体控制信息传输功能以及检测图像接收和存储功能等，上述功能是由多个构件提供，包括主控计算机IPC6008、微波接收机以及无线数据传输系统等。

在设计控制系统时，应遵循巡检作业要求，需要对遥控与局部自主控制模式、具备自主障碍控制进行深入的分析，通过分析掌握巡检机器人的工作特点，基于特点构建有限状态机模型，使自主控制模式融入到模型，提高机器人自动障碍能力。

3. 基于有限状态机模型的软件设计

   1. 巡检机器人有限状态机模型

巡检机器人在巡检作业期间，会保持在某一状态，每种状态均受到有限状态机模型的控制。有限状态机模型是由不同的结构组成，可表示成公式M=(K，∑，δ，s，F)，在公式中K代表允许的状态集，∑代表每个状态的释放者，δ代表输入状态转换函数的映射，s代表初始状态，F代表最终状态集。现阶段巡检机器人的工作状态分为六种，分别为等待状态、行走状态、障碍状态、越障状态、下线状态以及出错状态。以初始状态为例，巡检机器人放置在输电线路上，等待远端控制平台发送运行命令。远程控制平台发送命令后，机器人进入到行走状态，在行走过程中，远程平台通过摄像头获得机器人的运行状态，通过调整运行状态，保证机器人按照既定的线路进行巡检工作。在巡检过程中发现线路存在问题，机器人进入到检测状态，机器人会检测出问题的相关信息，远程控制平台根据信息，向机器人发出解除故障的指令，机器人即可开展巡检工作，快速有效的消除限量存在的问题。若机器人在巡检过程中出现问题，机器人会进入到下线状态和出错状态。

1. 2. 有限现状机模型的输入与状态转换

巡检机器人在巡检工作中，需要实时调整有限状态机模型输入方式和运行状态。加强输入与状态转换之间的管理，使二值之间的关系更加紧密，有助于提高检修机器人的运行效率。机器人进入到初始状态后，接收远程控制信息，机器人开始进行巡检作业。在巡检作业过程中，若机器人发现线路存在问题，会由巡检状态进入到检测状态，通过巡检收集相关信息。在完成检测工作后，机器人进入到行走状态。所以以行走状态和检测状态输入与状态转换为例，行走状态切换到检测状态，完成检测工作后，会返回到行走状态。

4. 自主越障控制

巡检机器人在巡检过程中，通过自主越障控制，可以在线路上高效的开展巡检工作。在设计自主越障控制系统时，会采用预编程序结合传感器定位的方法，提高自主越障控制能力。机器人的自主越障控制系统，可以控制机械手臂，一方面是手臂固定在输电线路上，另一方面手臂每次移动过程中，可以准确抓住线路。在机器人的手臂上，都会安装激光传感器，通过传感器获取抓取信息，使手臂可以自主并且精准的抓住线路。自主越障控制系统可以旋转手臂，使手臂准确抓住线路。

结语：

综上所述，在巡检机器人控制系统设计过程中，根据巡检作业的要求，提升机器人的控制系统和自主越障控制系统的运行能力，保证机器人的状态自由的进行转换，一方面提高巡检作业的效率，及时发现问题进行处理；另一方面减少人工巡检作业的强度，降低发生安全事故的概率，从而使输电线路处于安全稳定的运行状态。

参考文献：

[1]柳长安,李国栋,刘春阳.差动驱动式移动机器人的运动规划[J].哈尔滨工业大学学报,2003,(9):22.

[2]李庆中,顾伟康,叶秀清.移动机器人模糊控制方法研究[J].仪器仪表学报,2002,(5)：786.