周余，吳功平，楊松，徐瑋澤

（1.武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300）

1 前言

線路巡檢是電力系統(tǒng)作業(yè)的重要組成部分。由于野外環(huán)境復(fù)雜，地形多變，人工巡檢的方式需要耗費大量人力物力，采用巡檢機器人[1]進行巡檢工作能夠節(jié)省資源，并且大大降低了巡檢工作的難度與危險性。為了完成長距離的線路巡檢，機器人需要在線上進行能源補給，目前常見的電能補給方法有感應(yīng)取電[2]，太陽能充電等。感應(yīng)取電的方式只能適用于沿導(dǎo)線行走的機器人，而且對機器人抗電磁干擾等性能要求很高。而太陽能充電的方式，為了平衡能耗和充電效率，降低機器人充電裝置的重量，目前多采用太陽能充電基站和機器人配合充電的方案。由于巡檢機器人作業(yè)環(huán)境特殊，需要保證充電流程可靠性，機器人在線路桿塔上的自主充電是個重要課題。

目前國內(nèi)外對自主充電定位及控制開展了廣泛研究，文獻[3]設(shè)計了一種通過光束引導(dǎo)機器人與充電站進行自主對接充電的方法，但該方法只用于室內(nèi)光線較弱的環(huán)境。文獻[4]使用激光測距儀和路標(biāo)引導(dǎo)機器人自動充電對接，但對路標(biāo)安裝位置有嚴(yán)格要求，且測距儀受光線影響嚴(yán)重。文獻[5]采用有源RFID 定位的TOA測距計數(shù)，結(jié)合蟻群算法對機器人進行充電對接導(dǎo)航，該方法需要獲取機器人精確位置，并且依賴于運動環(huán)境中障礙物的電子標(biāo)簽。文獻[6]用激光測距方法對室外機器人進行自主充電導(dǎo)航，運用等腰三角形物體等輔助工具消除干擾，雖然提高了成功率但增加成本并且降低了效率。文獻[7]采用攝像頭視覺伺服控制機器人機械臂，使其定位充電座的方法，但增加了機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，且效率不高。基于穿越型巡檢機器人和安裝在桿塔上的充電基站，制訂了一種充電控制方案，根據(jù)充電基站和機器人的信息交互判斷充電狀態(tài)。充電對接時，依據(jù)線路坡度，采集機器人的傾角數(shù)據(jù)并優(yōu)化分析，結(jié)合機器人展臂距離計算，在機器人充電頭接近桿塔充電座時停止運動，執(zhí)行充電對接動作。對接完成后，由機器人ARM和充電控制箱檢測充電狀態(tài)，防止對接裝置不穩(wěn)定，保障充電過程。

2 巡檢機器人充電系統(tǒng)

2.1 巡檢機器人充電系統(tǒng)

巡檢機器人充電系統(tǒng)包括巡檢機器人本體，如圖1所示。太陽充電基站系統(tǒng)，如圖2所示。以及線上充電座，如圖3所示。巡檢機器人要由機體、控制箱、巡檢載荷（可見光云臺攝像機）組成，如圖1所示。

圖1 巡檢機器人模型圖Fig.1 Inspection Robot Model Diagram

圖2 塔上太陽能充電基站系統(tǒng)Fig.2 Solar Charging Base Station System

其中，控制機箱是機器人的控制核心部分；而機體則是機器人的運動核心部分；巡檢載荷負責(zé)輸電線狀態(tài)信息的采集。機體由兩個臂和一個手臂移動關(guān)節(jié)V，每個臂由一個行走關(guān)節(jié)I、一個有限約束回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)II、一個壓緊關(guān)節(jié)III和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)IV組成。行走關(guān)節(jié)I用于驅(qū)動整個機器人線上行駛及越障；壓緊關(guān)節(jié)III用于增大壓緊輪對輸電線的正壓力，實現(xiàn)機器人在較大坡度上的行駛；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)IV用于調(diào)整機械臂在繞其軸線方向上的自由回轉(zhuǎn)角度，使機器人能夠適應(yīng)不同線路拐角。所述移動關(guān)節(jié)V配合壓緊關(guān)節(jié)III用于實現(xiàn)機器人的蠕動爬坡和蠕動越障。在巡檢機器人奇臂壓緊輪處，安裝有充電頭。充電頭主要包括電極片和霍爾傳感器，充電頭電極片與充電座電極片的之間的有效連接，使得巡檢機器人與太陽能充電基站之間形成閉合回路，產(chǎn)生充電電流；霍爾傳感器與巡檢機器人充電控制系統(tǒng)相連，用于實現(xiàn)充電對接過程中的限位檢測和判斷對接是否成功。有限約束回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)II可實現(xiàn)壓緊關(guān)節(jié)III的均壓運動，壓緊輪的自由轉(zhuǎn)動，可為充電頭與充電座的對接提供自適應(yīng)調(diào)整支持。

塔上太陽能充電基站系統(tǒng)由“大系統(tǒng)”和“小系統(tǒng)”組成。其中“大系統(tǒng)”由數(shù)據(jù)采集單元、充電控制單元、通訊單元組成；“小系統(tǒng)”由ARM 控制板及外圍電路實現(xiàn)，主要用于接收GPRS 控制信號，控制“大系統(tǒng)”的供電，以保證所述塔上太陽能充電基站系統(tǒng)在冬天及光照不充足的時期的正常運行和機器人正常的電源補給。

供電單元為五塊鉛酸電池串聯(lián)組成，用于給整個系統(tǒng)供電，并供給巡檢機器人充電是所需的電能。太陽能板為4塊太陽能板兩兩串并聯(lián)組成，用于給供電單元的電能補給。數(shù)據(jù)采集單元包括電壓電流傳感器、功率傳感器和溫度傳感器等，用于采集基站的電流、電壓等數(shù)據(jù)。通訊單元包括由交換機和網(wǎng)橋組成的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和GPRS形成的公網(wǎng)控制系統(tǒng)，用于與室內(nèi)集控后臺系統(tǒng)、巡檢機器人本體的信息交互，將獲數(shù)據(jù)采集單元獲取的數(shù)據(jù)傳輸至室內(nèi)集控后臺系統(tǒng)，并接收來自巡檢機器人本體及室內(nèi)集控后臺系統(tǒng)的控制指令；充電控制單元包括太陽能充電控制器MPPT，用于實現(xiàn)給機器人高效充電的DC?DC 模塊；以及以ST?MF407為核心的控制板，用于實現(xiàn)給機器人的高效充電和充電電源的接通與斷開。

線上充電座結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示。充電座安裝在C 型線夾上。充電座包括支撐架、插座體、電極片、磁鋼、圓柱螺旋彈簧、滑套、支撐架。插座體可朝任意轉(zhuǎn)動以及垂直方向移動，可在一定程度上適應(yīng)在充電對接過程中的定位偏差，同時充電頭的楔形形狀與充電座的V型結(jié)構(gòu)契合，使得對接簡單高效。插座體滑套的上下移動，為對接過程提供緩沖力，保證平穩(wěn)對接。充電座與充電頭分離后，圓柱彈簧可自動復(fù)位到初始位置。

圖3 線上充電座結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of Online Charging Base

2.2 巡檢機器人充電對接運動規(guī)劃

巡檢機器人沿線巡檢，當(dāng)運動到安裝有太陽能充電基站的桿塔時進行電能補給。巡檢機器人充電對接的運動規(guī)劃，如圖4所示。整個充電對接過程包括以下步驟：

（1）在越過防震錘后，奇臂、偶臂的壓緊輪壓緊且兩臂展開，機器人緩慢前進，奇臂壓緊輪碰檢C 型線夾后停止運動，如圖4（a）所示。

（2）奇臂壓緊輪松開，如圖4（b）所示。

（3）機器人緩慢前進，偶臂壓緊輪碰檢C型線夾后停止運動。如圖4（c）所示。

（4）偶臂保持不動，奇臂緩慢收攏完成充電頭與充電座的定位運動，如圖4（d）所示。

（5）奇臂壓緊輪向上運動，完成充電對接；充電對接完成之后機器人開啟充電，如圖4（e）所示。

圖4 巡檢機器人充電對接運動規(guī)劃Fig.4 Charging Docking Motion Plan for Inspection Robot

3 自主充電定位與對接方法

巡檢機器人自主充電定位包括壓緊輪碰檢C型線夾粗定位以及基于模糊PID的精確定位兩個過程。同時通過充電頭的霍爾傳感器信號變化和充電電流變化反饋機器人自主充電對接的接合狀態(tài)，配合充電座的柔性結(jié)構(gòu)，可保證充電對接過程的全自主運行。巡檢機器人自主充電定位與對接流程圖，如圖5所示。

圖5 自主充電對接流程圖Fig.5 Flowchart for Autonomous Charging

3.1 自主充電定位狀態(tài)分析

3.1.1 粗定位狀態(tài)

機器人運行過程中，在裝有充電頭的機械臂穿過懸垂線夾，且未安裝充電頭的機械臂碰檢到C型線夾，此時機器人的狀態(tài)為自主充電的粗定位狀態(tài)，如圖6所示。此時機器人兩輪之間的水平距離L滿足式（1），式中：D—兩機械臂張開至極限位置時的中心距離；θ—機器人傾角傳感器的讀數(shù)值。

圖6 粗定位狀態(tài)Fig.6 Coarse Positioning Status

3.1.2 精確定位狀態(tài)

粗定位完成后，獲得充電座相對安裝有充電頭機械臂大概位置。當(dāng)充電頭與充電座定位不準(zhǔn)確時：（1）容易產(chǎn)生充電座與充電頭之間的不良沖擊力，損壞充電座與充電頭；（2）容易出現(xiàn)因充電座與充電頭之間的壓力不均勻而產(chǎn)生接觸不良，產(chǎn)生電弧，損壞機器人與太陽充電基站相關(guān)部件。因此自主充電對接需要精確定位，通過獲取機器人傾角傳感器的角度值，確定兩機械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機械臂之間的位置關(guān)系，結(jié)合運動控制算法，實現(xiàn)機械臂手臂過程的運動控制，達到精確定位的目的。精確定位過程中，未安裝有充電頭的機械臂保持靜止，安裝有充電頭的機械臂通過手臂平移關(guān)節(jié)收攏，當(dāng)安裝有充電頭的機械手臂運動充電座正下方，此時為機器人自主充電對接的精確定位狀態(tài)，精確定位狀態(tài)圖，如圖7所示。此時兩機械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機械臂之間的位置關(guān)系滿足式（2）：

圖7 精確定位狀態(tài)Fig.7 Pinpoint Status

兩機械臂間距離L隨著手臂運動而逐漸減小，滿足方程式

式中：Si—機械臂收臂距離，通過電機編碼器反饋的計數(shù)值換算得到；N—電機轉(zhuǎn)動一圈編碼器的反饋值；i—電機減速比；

—傳動比；?Ki—時間差T內(nèi)展臂電機編碼器的反饋值的差值；R—傳動軸半徑。

巡檢機器人精確定位的收臂過程中，兩機械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機械臂之間的位置關(guān)系滿足式（4）時，即為自主充電對接的精確定位點。此時以合適的壓緊力控制壓緊輪向上運動，可實現(xiàn)安全精確的充電對接。

3.2 傾角傳感器數(shù)據(jù)的平滑處理

由式（4）可知，傾角值θ是實現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵參數(shù)，而機器人在穿越障礙物的過程中，地線的振動與機器人自身擺動會對傾角傳感器的讀數(shù)造成一定的干擾。此外，行走輪與柔性線纜接觸面不光滑，導(dǎo)致機器人行走時有微小振動，也會使傾角讀數(shù)產(chǎn)生波動。為了提高定位精度，必須對傾角傳感器采集的數(shù)據(jù)進行平滑處理，降低傳感器測量誤差對定位結(jié)果的影響。機器人在呈曲線的懸鏈線上運動時，由于風(fēng)載和振動等原因，會對測量值產(chǎn)生噪聲。這些噪聲符合高斯分布，存在一定規(guī)律，使用卡爾曼濾波[8]對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)測和估計，可以使處理后的估計值更接近于真實值?？柭鼮V波處理傳感器數(shù)據(jù)時，預(yù)測來自于理論計算，而測量來自于該傳感器數(shù)據(jù)。設(shè)傾角θ為被估計值，根據(jù)機器人傾角傳感器系統(tǒng)的特點，可得其狀態(tài)方程和測量方程分別為：

式中：θk—k時刻系統(tǒng)的狀態(tài)；uk—控制量；wk—符合高斯分布的過程噪聲；zk—k時刻系統(tǒng)的測量值；yk—符合高斯分布的測量噪聲；A—狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B—控制輸入的增益；H—觀測矩陣，代表狀態(tài)變量θk對觀測變量zk的增益。由于系統(tǒng)沒有控制量，則Buk=0，A和H為單位1，卡爾曼濾波迭代方程變成：

在模擬線路上，以機器人前臂壓緊輪碰檢擋板接觸懸垂線夾外側(cè)防震錘的位置為起點，設(shè)置機器人穿越防震錘與懸垂線夾的速度值，傳感器采樣時間間隔0.2s，記錄傳感器的讀數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行平滑處理，得到實驗結(jié)果，如圖8所示。充電對接定位過程中，在充電頭接近充電座時，傾角傳感器記錄值會產(chǎn)生較大的波動，難以確定真實的傾角值，對定位過程中距離的計算產(chǎn)生較大誤差。使用卡爾曼濾波對原始數(shù)據(jù)進行處理后，可以將曲線變得更加平滑，更能真實的反映充電對接定位過程中的傾角變化。

在“學(xué)程總結(jié)”過程中階段性總結(jié)一般有兩種分類標(biāo)準(zhǔn)，一種是按時間段落分類，如每月總結(jié)、期中總結(jié)、期末總結(jié)等，第二是按知識結(jié)構(gòu)分類，如單元總結(jié)(較小范圍內(nèi)的相近知識總結(jié))，專題總結(jié)(較大范圍內(nèi)的相近知識總結(jié))等．本文通過一個案例來談“專題性總結(jié)”．

圖8 傾角值平滑處理對比圖Fig.8 Comparison Chart of Smoothing Inclination Value

3.3 基于模糊PID的精確定位控制

由式（4）分析可知，精確定位為目標(biāo)位置與實際位置的偏差控制問題，這類問題是典型的PID控制問題［9］。以兩機械臂間距離L與充電座與未安裝充電頭機械臂之間的中心距離S的偏差作為輸入，調(diào)整收臂動作的運動速度。機器人在呈曲線的懸鏈線上運動時，運行速度的劇烈變化易產(chǎn)生振動，增加傾角值的噪聲，從而增加定位誤差。為減小定位誤差，實現(xiàn)平穩(wěn)精確控制，引入速度sin曲線，如圖9所示。使機器人在定位過程中速度的變化平緩，減少因運動過程中的速度調(diào)整而產(chǎn)生的傾角測量誤差。因為在定位過程中機器人收臂的速度V和理論位移Sq(t)滿足式（7）和式（8）

圖9 速度sin曲線Fig.9 Sin Speed Curve

則位移偏差為：

式中：Si—系統(tǒng)的實際位移；Sq(t)—系統(tǒng)的理論位移，以位移的偏差作為PID控制器的輸入，得到速度的糾偏：

經(jīng)典PID控制需要通過調(diào)節(jié)Kp、Ki、Kd三個參數(shù)使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，參數(shù)的調(diào)整常采用試湊法和經(jīng)驗法，在此過程中通過觀察目標(biāo)曲線與實際曲線的變化趨勢來進一步調(diào)整參數(shù)位置。模糊PID是在經(jīng)典PID控制中發(fā)展起來的，是一種基于模糊集合、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的控制算法［10］。在控制過程中通過對由輸入論域映射到輸出論域，將輸入變量模糊化，根據(jù)PID參數(shù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗形成規(guī)則控制表，最后通過去模糊化的方法得到自適應(yīng)的PID的三個參數(shù)。在目標(biāo)跟蹤中，由于地線的坡度不同且運動的過程中傾角直時刻變化，因此可以采用模糊PID模仿人工調(diào)參思維決策過程，得到更加有效的調(diào)整。

設(shè)計的模糊PID控制器包括過程包括模糊控制器和PID控制器，其控制框圖，如圖10所示。

圖10 模糊PID控制框圖Fig.10 Block Diagram of Fuzzy PID Control

模糊控制器包括變量模糊化、建立模糊規(guī)則庫、去模糊化三個部分。

（1）變量模糊化。以目標(biāo)位置作為輸入，反饋電機速度的輸出，選擇實際位移與理論位移的偏差e和偏差變化率ec構(gòu)成輸入語言變量，選取PID的?Kp、?Ki、?Kd增益控制量構(gòu)成輸出語言變量。通過實驗確定輸入和輸出的基本論域，根據(jù)量化因子和比例因子分別將輸入和輸出轉(zhuǎn)化到如下論域：

定義輸入和輸出論域模糊量語言值均為：e、ec、?Kp、?Ki、?Kd=｛NB、NM、NS、ZE、PM、PS、PB｝，隸屬度函數(shù)，如圖11所示。

圖11 隸屬度函數(shù)Fig.11 Membership Function

（2）建立模糊規(guī)則庫。模糊推理是模糊控制器的核心，能根據(jù)模糊邏輯中的蘊涵關(guān)系及推理規(guī)則從輸入模糊量推導(dǎo)出輸出模糊量。通過實驗經(jīng)驗總結(jié)出推理規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊PID推理規(guī)則表Tab.1 Fuzzy PID Inference Rule Table

（3）去模糊化。采用“重心法”將輸出模糊量去模糊化，再經(jīng)過輸出比例因子的尺度變換得到最終的實際輸出?Kp、?Ki、?Kd，如式：

式中：fij=ui(e)*uj(ec)；ui(e)—e的隸屬度；uj(ec)—ec的隸屬度；uij的值由模糊規(guī)則表確定；Ku—比例系數(shù)?？刂屏康挠嬎闶秸垍⒄帐剑?0），其中Kp、Ki、Kd由模糊控制器在線整定所得，由下式計算：

式中：Kp0、Ki0、Kd0—PID初始整定值。

4 實驗分析

在模擬線路試驗時，從充電座兩側(cè)兩個方向分別進行20次充電定位對接實驗，如圖12所示。均對接成功。統(tǒng)計每次對接所用時間，得到平均用時52s。在吉林白山松長甲線進行現(xiàn)場實驗，以25#和45#兩個相鄰充電桿塔為起點和目的地，分別進行自主充電實驗。25#充電試驗，如圖13所示。

圖12 模擬線路實驗Fig.12 Analog Circuit Experiment

圖13 現(xiàn)場實驗Fig.13 Field Experiment

兩個充電桿塔充電座附近線路坡度均小于15°，實驗過程中，控制機器人從25#出發(fā)，到達45#之后，執(zhí)行自主充電命令，對接成功，得到充電電流反饋。充電完畢后，機器人返回25#，再次執(zhí)行充電對接命令，同樣對接成功，得到充電電流反饋。該充電控制方法基本滿足機器人充電要求。

5 結(jié)束語

針對線路結(jié)構(gòu)提出了一套壓緊輪碰檢C型線夾粗定位以及基于模糊PID的精確定位、霍爾傳感器及充電電流反饋對接狀態(tài)的自主充電對接控制方法。粗定位確定充電座的大概位置，基于模糊PID的精確定位通過分析兩機械臂之間距離與充電座與未安裝充電頭機械臂之間距離的關(guān)系，得到精確定位目標(biāo)。

為提高定位精度，首先采用卡爾曼濾波算法對傾角值進行平滑處理；其次，為了實現(xiàn)平穩(wěn)運動，提出了sin速度曲線作為展臂電機速度控制的目標(biāo)曲線；以實際位移與理論位移的偏差作為模糊PID系統(tǒng)的輸入，控制展臂電機運動速度的輸出，實現(xiàn)精確定位。實驗表明，該自主充電對接方法效率高、系統(tǒng)復(fù)雜性低，充電對接準(zhǔn)確率好。