CN111038509A - 一种巡线机器人打滑辨识与智能自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巡线机器人打滑辨识与智能自适应控制方法,巡线机器人包括行走轮和压紧轮,行走轮在被巡检线材上滚动,压紧轮位于被巡检线材的下方,用于将被巡检线材紧压于行走轮;方法包括以下步骤:(1)巡线机器人在巡检过程中通过对比行走轮和压紧轮两者的角速度实时检测行走轮是否打滑,在检测是否打滑时,压紧轮与被巡检线材相接触;(2)若检测未发现打滑,则继续进行巡检,若检测发现打滑,根据打滑模型判断打滑程度,打滑程度是通过行走轮和压紧轮两者的角速度之间的比值来确定的;(3)根据打滑程度进行自适应打滑控制。本发明控制方法具有较为精准控制打滑状态的特点。
Description
技术领域
本发明涉及巡线机器人技术领域,尤其涉及一种机器人打滑辨识与智能自适应控制方法。
背景技术
传统的输电线路巡检方法主要以人工巡线为主,其巡线效率低,劳动强度大,工人经常野外工作,工作环境恶劣,并且跨越高山,密林,大河的输电线路档段的巡检难度更大。采用直升机巡检效率较高,但是其经济效益差,并且容易忽略输电线路的细微损坏。巡线机器人是一种用于巡检高压输电线路的特种机器人,可用于代替人工巡检,其巡检效率高,成像效果好,是机器人技术与输电线路巡检技术发展相结合的必然趋势。
在巡线机器人的巡线过程中,打滑问题是突出的技术难题。巡线机器人的打滑原因有线材坡度影响、行走轮在线材的附着系数、行走轮对线材的作用力,除这三个因素以外,地线表面锈蚀、灰尘覆盖、湿滑状态,机器人行驶速度、行走轮轮槽表面粗糙程度、行驶过程中的振动、受风载外力的干扰等都会使机器人行驶运动状态发生变化,导致出现打滑现象。
通常的巡线机器人打滑控制为:当检测为打滑状态时,控制压紧轮的压紧力度,增加行走轮对线材的作用力克服打滑状态,现有的打滑控制时仅仅判断巡检机器人处于加速下滑状态还是普通打滑状态,当处于加速下滑状态时,使压紧电机迅速补充压紧力防止下滑,若处于普通打滑状态,则使压紧电机缓慢补充压紧轮的压紧力至停止打滑。这种两种打滑控制很容易出现抱死现象,影响巡线效率,而且,打滑时,压紧电机的压紧力调整不够准备,使得打滑控制过程不够顺畅。
发明内容
本发明的目的在于提出一种机器人打滑辨识与智能自适应控制方法,具有较为精准控制打滑状态的特点。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
一种巡线机器人打滑辨识与智能自适应控制方法,巡线机器人包括行走轮和压紧轮,行走轮在被巡检线材上滚动,压紧轮位于被巡检线材的下方,用于将被巡检线材紧压于行走轮;方法包括以下步骤:
(1)巡线机器人在巡检过程中通过对比行走轮和压紧轮两者的角速度实时检测行走轮是否打滑,在检测是否打滑时,压紧轮与被巡检线材相接触;
(2)若检测未发现打滑,则继续进行巡检,若检测发现打滑,根据打滑模型判断打滑程度,打滑程度是通过行走轮和压紧轮两者的角速度之间的比值来确定的;
(3)根据打滑程度进行自适应打滑控制。
进一步的,当巡检机器人行走时,采用传感器检测压紧轮的旋转圈数,压紧轮的实际角速度计算公式如下:
打滑模型中定义打滑状态S,根据打滑率不同分为五种打滑状态:
进一步的,在步骤(3)中,以二维模糊控制方法进行自适应打滑控制;压紧轮由压紧电机驱动实现对线材在行走轮上的压紧,通过调整压紧电机的行程能够调整压紧轮将线材在行走轮上的压紧程度,当压紧电机的行程越大时线材在行走轮上的压紧程度越大;
进一步的,巡线机器人的滚动行驶的有效坡度范围为∈[-35°,35°],打滑率范围,巡线机器人打滑状态,坡度的论域为{-35,-25,-15,0,15,
25,35},对应的语言变量为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB;打滑率的论域为{-∞,0-,0+,1,+
∞},对应的语言变量为NB,NS,ZO,PS,PB;
选取三角形隶属度函数获得打滑度隶属度函数。
进一步的,确定压紧电机的行程x的变量论域和隶属度函数的方法如下:
确定压紧电机的行程x的论域Ex为{-13.6,-8.4,-4.2,0,4.2,8.4,13.6},对应的语言变量为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB;
模糊控制规则表示为:
模糊控制规则对应的模糊关系为:
进一步的,该方法中,巡线机器人与基站建立通信连接,巡线机器人向基站发送打滑状态,基站向巡线机器人发送遥控指令,该遥控指令包括压紧轮压紧程度调整指令。
本发明的有益效果为:
本发明打滑辨识与智能自适应控制方法在检测发现打滑时,根据打滑模型判断打滑程
度,然后根据打滑程度进行自适应打滑控制。这种判定打滑程度然后进行自适应打滑控制
的方法,能够进行较为精准的打滑控制,本发明建立了合理的和有效消除打滑的自适应控
制方法。本发明将打滑状态分为五种,以二维模糊控制方法进行自适应打滑控制,该二维模
糊控制方法中以线材坡度和打滑率作为模糊控制的输入,以压紧电机的行程x为输出,
首先确定线材坡度和打滑率的变量论域和隶属度函数,然后确定压紧电机的行程x的变
量论域和隶属度函数,这种二维模糊控制方法能根据打滑状态对应输出压紧电机的行程,
对压紧力进行精准控制,有效防止打滑控制过程中的抱死现象,使得打滑控制过程更加顺
畅。
附图说明
图1是巡线机器人线上行走时的受力分析图;
图2是巡线机器人线上行走时的前臂行走轮受力分析图;
图3是巡线机器人线上行走时的行走轮打滑分析示意图;
图4是巡线机器人线上行走时的打滑状态分布示意图;
图5隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供一种巡线机器人打滑辨识与智能自适应控制方法,巡线机器人包括行走轮和压紧轮,行走轮在被巡检线材上滚动,压紧轮位于被巡检线材的下方,用于将被巡检线材紧压于行走轮;方法包括以下步骤:
(1)巡线机器人在巡检过程中通过对比行走轮和压紧轮两者的角速度实时检测行走轮是否打滑,在检测是否打滑时,压紧轮与被巡检线材相接触;
(2)若检测未发现打滑,则继续进行巡检,若检测发现打滑,根据打滑模型判断打滑程度,打滑程度是通过行走轮和压紧轮两者的角速度之间的比值来确定的;
(3)根据打滑程度进行自适应打滑控制。
巡线机器人行走轮作用在地线上并滚动行驶,其受力情况如图 1中所示。假定机
器人双臂行走轮同时受到电机提供力矩MR的驱动,在坡度为的地线上匀速沿x方向行驶。
其中Fx和分别为两个行走轮与地线间的切向力,沿x方向;FR和为滚动阻力,沿x反方
向;FZ和为地线对机器人的作用力,沿z方向;G为机器人所受重力。R和r分别为行走轮和
压紧轮的半径;l为双臂间的距离。巡检机器人的重心位于机器人控制箱的中心。
平衡方程如下:
巡线机器人行走轮采用“V”型槽回转结构设计,槽的外表面覆有一定厚度的牛皮材料,使行走轮与地线接触时具有高弹性和高摩擦系数,既增加与地路的之间摩擦力,又保护了地线。
行走轮与地线的接触可以近似看作汽车轮胎与硬地面之间的作用,是一种附着连接,它所传递的切向力是有限的,可采用下式计算,其中 uh为最大附着系数。
行走轮在地线(线材)上运动时,滚动阻力FR总是很小,可以忽略不计。由式(1)和式(2)可知,机器人满足式(3)时,机器人会出现打滑现象。
进一步的,建立打滑检测模型,机器人双臂的压紧机构装配有打滑检测传感器,传
感器安装在其中一个压紧轮上。由于压紧轮没有驱动单元,处于自由状态,为了检测打滑现
象,压紧机构控制压紧轮与地线处于接触状态,如图3所示,此时施加压紧力非常小,忽略不
计。当行走轮以一定的角速度沿地线行驶时,压紧轮由于与地线的接触会产生转动,转
动角速度记为。
在压紧轮旋转时,传感器产生脉冲信号,控制***采集脉冲跳变次数来计算压紧轮旋转圈数,进而计算压紧轮的转动速度,压紧轮的实际角速度采用下式进行计算。
当巡检机器人的行走轮不打滑时,行走轮和压紧轮会同步转动,它们在某一时间段内
行走的距离相同,由此可知,行走轮线速度与压紧轮线速度相同,即,由于有和,其中,表示压紧轮理论角速度。当行走轮不打滑时,将存在关系式,表示行走轮的角速度;
打滑模型中定义打滑状态S,根据打滑率不同分为五种打滑状态,如图4所示:
本发明的压紧调节机制如下:
巡线机器人压紧轮的压紧力主要依赖压紧机构驱动电机使压紧轮压紧地线,但压紧力
大小很难靠电机的电流进行准确计算。如果压紧力加大后,由于地线直径的变化,容易导致
行走电机抱死。因此,压紧机构采用压紧缓冲装置连接压紧轮,以便适应地线直径的变化。
压紧缓冲装置主要是在压紧轮的连接部分加上了拉伸弹簧。由 胡克定律可知,弹簧的受力
与形变量成正比,计算公式如下:,式中FS为弹簧所受到的力,单位为牛,x为弹簧的
形变量(单位为米),k为弹簧系数(单位为牛/米),其计算方法为式,式中Gs为线材
的刚性模数,d为线径(单位为毫米),Nc为有效圈数,Dm为中心径(单位为毫米)。
压紧电机需要压缩弹簧产生的形变量为:
根据对式(4)的分析,机器人打滑与有关。在实际运行中,打滑的原因
更为复杂,地线表面锈蚀、灰尘覆盖、湿滑状态,机器人行驶速度、行走轮轮槽表面粗糙程
度,行驶过程中的振动,受风载外力的干扰等都会使机器人行驶运动状态发生变化,导致出
现打滑现象。因此,设计了一种二维模糊控制。
进一步的,在步骤(3)中,以二维模糊控制方法进行自适应打滑控制;该方法中,巡线机器人与基站建立通信连接,巡线机器人向基站发送打滑状态,基站向巡线机器人发送遥控指令,该遥控指令包括压紧轮压紧程度调整指令。
压紧轮由压紧电机驱动实现对线材在行走轮上的压紧,通过调整压紧电机的行程能够调整压紧轮将线材在行走轮上的压紧程度,当压紧电机的行程越大时线材在行走轮上的压紧程度越大;
巡线机器人装配有倾角传感器,倾角传感器用于测量线材的坡度。以线材坡度和
打滑率作为模糊控制的输入,以压紧电机的行程x为输出,首先确定线材坡度和打滑率的变量论域和隶属度函数,然后确定压紧电机的行程x的变量论域和隶属度函数。
进一步的,巡线机器人的滚动行驶的有效坡度范围为∈[-35°,35°],打滑率范围,巡线机器人打滑状态,坡度的论域为{-35,-25,-15,0,15,
25,35},对应的语言变量为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB;打滑率的论域为{-∞,0-,0+,1,+
∞},对应的语言变量为NB,NS,ZO,PS,PB;
选取三角形隶属度函数获得打滑度隶属度函数。
巡检机器人变量论域对应关系如下表所示:
进一步的,确定压紧电机的行程x的变量论域和隶属度函数的方法如下:
确定压紧电机的行程x的论域Ex为{-13.6,-8.4,-4.2,0,4.2,8.4,13.6},对应的语言变量为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB;
模糊控制规则表示为:
模糊控制规则对应的模糊关系为:
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种巡线机器人打滑辨识与智能自适应控制方法,其特征在于,所述巡线机器人包括行走轮和压紧轮,所述行走轮在被巡检线材上滚动,所述压紧轮位于被巡检线材的下方,用于将被巡检线材紧压于行走轮;所述方法包括以下步骤:
(1)巡线机器人在巡检过程中通过对比行走轮和压紧轮两者的角速度实时检测行走轮是否打滑,在检测是否打滑时,压紧轮与被巡检线材相接触;
(2)若检测未发现打滑,则继续进行巡检,若检测发现打滑,根据打滑模型判断打滑程度,所述打滑程度是通过行走轮和压紧轮两者的角速度之间的比值来确定的;
(3)根据打滑程度进行自适应打滑控制。
2.根据权利要求1所述的巡线机器人打滑辨识与智能自适应控制方法,其特征在于,当巡检机器人行走时,采用传感器检测压紧轮的旋转圈数,压紧轮的实际角速度计算公式如下:
9.根据权利要求1所述的巡线机器人打滑辨识与智能自适应控制方法,其特征在于,该方法中,所述巡线机器人与基站建立通信连接,所述巡线机器人向基站发送打滑状态,所述基站向巡线机器人发送遥控指令,该遥控指令包括压紧轮压紧程度调整指令。
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