（控制科学与工程专业论文）输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究.pdf

硕上学位论文于两斐一输电线路上的覆冰会引起线路跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故，会给国家经济造成巨大损失。人工除冰不仅效率低下，而且会威胁电力工人的生命安全。因此研究开发输电线除冰机器人代替传统的人工除冰具有迫切的现实意义和重要的研究价值。精确稳定的轨迹跟踪是保证除冰机器人在电力线上自主完成行走、越障和除冰工作的前提条件，本文将针对除冰机器人工作任务的特殊性和工作环境的复杂性，对除冰机器人的轨迹跟踪控制方法进行研究，得到相应的解决方案。在介绍了所设计的除冰机器人及其运动控制系统的结构，对机器人的轨迹跟踪问题进行了分析的基础上，论文首先对除冰机器人进行了建模，由于除冰机器人结构和工作环境的特殊性，机器人手臂和输电线之间，以及机器人手臂和本体仓之间都存在着非线性强耦合作用。因而除冰机器人的建模问题被分为除冰机器人运动学问题的分析和动力学问题的分析，以及除冰机器人混合模型的分析等问题进行研究。得到了除冰机器人的速度和加速度计算方程，方便了除冰机器人的轨迹跟踪控制。在对除冰机器人建立了精确的建模之后，论文研究了多种除冰机器人的轨迹跟踪控制方法，即p i d 轨迹跟踪控制、自适应轨迹跟踪控制、基于b p 神经网络的p i d 轨迹跟踪控制、基于b p 神经网络的自适应轨迹跟踪控制、基于粒子群优化神经网络的p i d 轨迹跟踪控制和基于粒子群优化神经网络的自适应轨迹跟踪控制等方法。最后通过仿真实验对所建立的除冰机器人混合模型和各类轨迹跟踪控制方法的有效性进行了分析和验证。关键词：输电线除冰机器人；轨迹跟踪；自适应控制；神经网络；粒子群优化na b s t r a c t；t h ei c i n gd i s a s t e r so ft r a n s m i s s i o nl i n es u c ha sl i n et r i p ，b r e a kl i n e ，p o l ec o l l a p s e ，i n s u l a t o rf l a s h o v e ta n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o nh a v er e s u l t e di nh u g 色e c o n o m i c l o s eo fn a t i o n t h et r a d i t i o n a lm a n u a ld e i c i n gi sn o to n l yi n e f f i c i e n tb u ta l s ot h r e a t e n st ot h es a f e t yo fe l e c t r i c a lw o r k e r s t h e r e f o r e ，i th a si m m e d i a t ep r a c t i c a ls i g n i 矗c a n c ea n di m p o r t a n tv a l u ei nd e v e l o p m e n to ft r a n s m i s s i o nl i n ed e i c i n gr o b o ti n s t e a do ft r a d i t i o n a lm a n u a ld e i c i n g m o r e o v e r ，t h ep r e c i s ea n ds t a | b l et r a j e c t o r yt r a c k i n gi st h eg u a r a n t e eo fd e i c i n gr o b o tw a l k i n g ，c r o s s i n go b s t a c l e sa n dd e i c i n go nt h ee l e c t r i c p o w e rl i n ea u t o n o m o u s l y a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lt a s ka n dc o m p l i c a t e dw o r ke n v i r o n m e n to fd e i c i n gr o b o t ，as e r i e so fm e t h o d sf o rt r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o la r ep u tf o r w a r di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，舢c hr e s e a r c hi sd o n eo nm o d e l i n gf o rd e i c i n gr o b o tb a s e do nt h es t n l c t u r eo fi t sm o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n da n a l y s i so ft h et r a j e c t o r yt r a c k i n g d u et ot h es p e c i a l t yo fr o b o ts t n l c t u r ea n dw o r ke n v i r o n m e n t ，t h e r ei st h en o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n gn o to n l yb e t w e e nt h er o b o ta r ma n dt r a n s m i s s i o nb u ta l s ob e t w e e nt h er o b o ta ma n dt h eb o d yp o s i t i o n s t h e r e f o r e ，t h em o d e l i n gp r o b i e mo ft h ed e i c i n gr o b o ti sd i v i d e di n t ot h ek i n e m a t i c ，d y n a m i ca n dt h eh y b r i dm o d e l t h i si sc o n v e n i e n tt oo b t a i nt h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fr o b o ta n df o b o tt r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o i a f t e rt h ea c c u r a t em o d e l i n go ft h ed e i c i n gr o b o t ，s e v e r a lm e t h o d si nt r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o la r es t u d i e d ，s u c ha st h ep i dt r a c k i n gc o n t r o l ，a d a p t i v et r a c k l n gc o n t r 0 1 ，t h ep i dt r a c k i n gc o n t r o lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k ，t h ea d a p “v et r a c k i n gc o n t r o lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k ，n l ep i dt r a c k i n gc o n t r o lb a s e do np a r t i c l es w a n no p t i m i z a t i o nn e u r a ln e t w o r ka n dt h ea d a p t i v e t r a c k i n gc o n t r 0 1b a s e do np a r t i c l es w a m lo p t i m i z a t i o nn e u r a ln e t w o r k f i n a l l y ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so fe s t a b “s h e dd e i c i n gr o b o th ) ，b r i dm o d e la n da b o v e m e n t i o n e dt r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d s k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n ed e i c i n gr o b o t ；t r a j e c t o r yt r a c k i n g ；a d a p t i v ec o n t r o l ；n e u r a ln e t w o r k ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ni i i硕士学位论文1 1 研究背景与目的第1 章绪论近年来，由于输电线路上的覆冰和积雪，常引起线路跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故。俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛和我国等都曾因输电线路覆冰引发安全事故，给诸多国家带来巨大的经济损失。冰雪带来的电力灾害已成为全世界面临的共同问题。2 0 0 8 年初，发生在我国南方的冰雪灾害还带走了数名电力工人的生命。因而，研究输电线路除冰机器人替代传统的人工除冰对于保护电网的安全运行和电力工人的生命安全都具有极其迫切的现实意义。输电线路除冰机器人是机械、电子、计算机、通信、自动化等多学科交叉的产物，需要工作在野外恶劣气象条件、强电磁干扰、高电压以及非结构化的运行环境中。输电线路在线除冰机器人( 如图1 1 ) 要实现在柔性架空线上的平稳爬行、要求具有爬坡、下坡和制动能力、防滑能力和足够的负载能力，可避越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍，并在越障时保证机器人姿态平稳以及保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距，其技术的实现难度较大。而针对输电线路除冰机器人的工作环境和任务，对除冰机器人进行精确的数学建模和轨迹跟踪控制方法研究，是除冰机器人精确运动控制的前提条件。图1 12 2 0 k v 输电线路及除冰机器人系统简图本文在国家科技支撑计划重点项目( 2 0 0 8 b a f 3 6 8 0 1 ) 的支持下，重点对输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法进行研究，在充分考虑机器人工作任务和工作环境的特殊性和不确定性的前提下，通过建立机器人的模型和研究自适应性强、智能化高的控制方法，来得到稳定精确的输电线除冰机器人轨迹跟踪控制方案。输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究1 2 国内外研究现状1 2 1 机器人轨迹跟踪控制一般来说，机器人动态控制的目的有两个，一个是如何实现闭环误差系统的稳定，使轨迹跟踪误差尽快趋于零；另一个是如何抑制干扰，尽可能地减小干扰信号对跟踪精度的影响。在机器人技术三十多年的成长过程中，现代控制理论所能提供的几乎所有的设计方法都在机器人上做过应用的尝试。其中应用最普遍的是p i d 或p d 控制器。p d 控制器结构简单，根据位置跟踪误差和速度跟踪误差乘以相应的静态增益来确定控制量。除此之外，针对数学模型的不确定性，采用现代控制理论的机器人控制技术可分为三大类，即自适应控制、变结构控制、鲁棒控制。自适应控制假设机器人的动态特性可以用一组未知参数的线性关系来表示，通过采用自适应算法来在线估计未知参数，并根据其估计值随时修改控制策略，使得实际的闭环控制系统满足性能要求。在以往的研究中n 2 1 ，应用于机器人动态控制的a c ( 自适应控制器) 主要由一个p d 调节器和一个基于模型的前馈补偿器组成。变结构控制的基本思想3 是在误差系统的状态空间中，找到一个超平面，使得超平面内的所有状态轨迹都收敛于零。然后，通过不断切换控制器的结构，使得误差系统的状态能够到达该平面，进而沿该平面滑向原点。鲁棒控制h 1 基于不确定性的描述参数和标称系统的数学模型来设计控制器，它能以固定的控制器，保证在不确定性破坏最严重的情况下系统的稳定性。该控制方法无须自适应算法，无须冗长的计算，运算速度快，实时性好。但是鲁棒控制器的暂态性能不是很好，而且在设计鲁棒控制器时，系统的不确定性必须属于一个可描述集，比如增益有界，且上界已知等等。这使得鲁棒控制的应用受到了限制，假如不确定性超出了假设范围，系统将发散。此外，由于经典控制方法和现代控制方法在控制机器人这种复杂系统时存在的种种不足，近年来，越来越多的学者开始将智能控制方法引入机器人的控制。模糊控制是智能控制的较早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，利用人类专家的控制经验来控制对象。模糊控制不需要数学模型，是解决不确定系统控制的一条有效途径。，从控制的观点来看，神经网络( n n ) 可以被看作是一个多输入多输出的非线性动力学系统，并通过一组状态方程和一组学习方程加以描述。状态方程描述每个神经元的兴奋或抑制水平与它的输入及输入通道上的连接强度间的函数关系，而学习方程描述通道的连接强度应该怎样修正。神经网络通过修正这些连接强度来进行学习，从而调整整个神经网络的输入输出关系。2硕士学位论文1 2 2 除冰机器人轨迹跟踪控制输电线路除冰机器人具有以下的特点：首先由于除冰机器人要求悬挂在输电线路上，除冰机器人的投送就是除冰机器人研制所需考虑的首要问题。同时，除冰机器人在完成除冰任务的同时，不会因为自身的重量对输电线路造成损害，这就要求除冰机器人保证小型化，即体积小、质量少。其次，具有高度的人工智能，这是因为除冰机器人在远离地面的高空中执行任务，并且人类的干预又受到通信延迟和各种空间条件的限制，因此除冰机器人比一般的地面机器人具有更高的自主性能。如何利用机器人自身模型，自动实现除冰机器人的轨迹跟踪控制是使除冰机器人安全、可靠和高效完成空间作业的基本条件；第三，具有移动、越障、避障功能，为了适应复杂的高辐射、悬空底座和冰雪环境，除冰机器人在输电线路上爬行并完成除冰任务，除冰机器人可以代替传统的人工除冰，将电力工人从危险的作业环境中解放出来，并为电力系统的正常运行提供保障。第四，除冰机器人具有运动学和动力学耦合的问题。机器人本身是一个多刚体动力学系统，而高压输电线路相邻两塔间的档距大到几百甚至上千米、弧垂可达几十米，是大垂度柔索结构，具有柔性大且结构阻尼小的特点。输电线路自身在风载等环境激励作用下会产生多种形式的振动，线路的振动将通过机器人与导线之间的边界耦合传递到机器人本体；同时，机器人在实现直线越障和变向运动时，由于姿态调整引起重心不稳定，并通过夹紧臂传给导线一个反作用力，这样除冰机器人与作业环境间就构成了一个耦合系统。如果不考虑这种影响，而采用地面固定基座机器人的控制技术，除冰机器人将不但无法完成输电线路上的爬行运动，而且由于姿态变化将会破坏输电线路的正常工作。为了克服这个问题，必须找到能够考虑这种相互作用的运动学动力学耦合建模方法和控制算法。第五、在机器人工作环境及工作目标的性质和特征在过程中随时间发生变化时，控制系统的特性会由己知和确定变为未知和不确定。除冰机器人根据期望的速度指令实现精确的运动控制是顺利完成破冰任务的保障。在线除冰机器人在运动过程中受到的摩擦力以及在越障、爬坡、下坡、破冰时受到的阻力构成了机器人动力学控制中的不确定因素，增加了其精确运动控制的难度。这些未知因素和不确定性就将降低控制系统的性能。在这种情况下，就需要应用智能控制方法。针对除冰机器人这些特殊性，要实现除冰机器人的轨迹跟踪控制，借鉴国内外科研成果发现，没有密切相近的研究成果。但也有部分可借鉴的。比如说考虑除冰机器人基座不稳，在外力作用下，系统的质心位置发生改变。目前，该类模型的路径规划与轨迹跟踪控制发展现状和研究状况如下：仿袋鼠柔性跳跃机器人的研究晦1 ，袋鼠在腾空阶段，其肢体完全脱离地面，虽腿部运动姿态变化较大，故袋鼠的腾空运动是在重力场下随其质心运动的惯性运动。采用d h 法建立了仿袋鼠跳跃机器人腾空阶段的运动学分析模型，基于拉输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究格朗日方法推导了其腾空阶段的动力学方程。结合运动学和动力学模型，对仿袋鼠柔性跳跃机器人路径进行规划。仿人型双腿跑步机器人对脚和髋关节轨迹进行规划来实现跑步动作一般在规划机器人跑步时假设其质心固定在上身一点h 81 但在跑步过程中，身体的质心不会固定在身体某一定点，因此s o n y 公司研制的双腿跑步机器人q r i o 阳1 通过近似求解稳定性方程、规划机器人质心运动来实现跑步动作s h u u j i 等人研究的跑步机器人h r p 一2 l r 阳3 ，根据机器人的动量和动量矩来规划机器人质心的轨迹，以实现跑步动作多节臂举升机器人n 们，在欧美和日本，它取代了传统的人字梯，用来修缮房屋，完成4 m 左右高度的空中作业等美国和日本的研究人员采用离心加速度和哥氏加速度分别测控的技术作为智能控制中心的数学比较模型，对其进行路径规划与轨迹跟踪。第二、考虑了机器人的运动学和动力学问存在耦合。目前，这种模型轨迹跟踪控制发展现状和研究状况如下：e v a n g e l o sp a p a d o p o u l o s 和s t e v e nd u b o w s 研究了空间机器人系统操作臂和载体的协调控制n ，根据对载体的位置和姿态以及对操作臂的要求，设计了带有惯性反馈的转置雅可比型控制器，通过惯性反馈协调了机械臂和外界载体之间的耦合作用，实现机器人的控制。r a n j a nm u k h e r j e e 和y o s h i h i k on a k m u r a 提出了具有广义外力情况下的空间机器人系统的逆动力学控制方法n 铂。在考虑外力作用的情况下，通过逆动力学的求解，实现机器人运动控制。0 l a ve g e l a n d 和j a nr i c h a r ds a g l i t 提出了用扩展任务空间的方法，通过对载体( 卫星) 选择适当的广义速度将末端夹持器运动与载体运动解耦，基于运动学和动力学的递归计算，采用线性反馈的控制方案实现空间机器人操作臂和载体系统的协调运动n3 l 。m i t s u s h i g e0 d a 研究了动量前馈的控制方法，用载体的姿态控制系统补偿机器人操作臂的反作用实现载体姿态和操作臂的协调控制，并用机器人的控制系统控制操作臂的运动，使其不对载体产生过大的反作用n 钔。中国科学院沈阳自动化研究所研究的巡线机器人n5 1 ，越障动作中的定位过程包括从激光传感器触发辨识到高压线信号开始，再到手爪上线为止。这一过程是机一器人目标搜索辨识、数学模型还原( 精确定位解算) 和操作臂协调控制的过程j 是一一种在线的路径规划方式。山东大学通过对巡线机器人系统的力学分析，得到了机器人运动的约束条件，在此约束条件下，再采用基于循环坐标下降法( c y c l i c c o o r d i n a t ed e s c e n t ，c c d )的迭代算法对巡线机器人的逆运动学进行分析，以实现寻线机器人的运动4控制h 引。此外，基于模型运用了一系列算法对其进行控制。只是大多都是基于一些非智能的算法。只有少数的进行了在线的模糊控制。还有一些运用遗传算法进行了离线的控制分析。具体来说为了解决复杂机器人系统的轨迹跟踪控制问题，已经有一些可借鉴的成果，譬如说p n e n c h e v n 提出了基于固定姿态限制雅克比矩阵的姿态控制方法，通过数值积分计算生成一条轨迹，控制机械手的末端沿某一轨迹运动，同时使得机器人的姿态按要求的方式改变，或者使姿态改变最小，由于这种方法在求广义雅克比矩阵的伪逆时，考虑了机械手惯性矩阵空间影响，并在规划过程中引入李雅诺夫函数，能保证控制机械手运动的同时，控制机器人本体的姿态。它能避开机械手的奇异点，但是计算量较大；k y o s h i d a u8 1 9 1 等人提出保持机器人的本体姿态不变，但是改变机械手的姿态。通过利用一臂的运动来补偿另一臂的运动调节机器人本体姿态产生的影响，采用这种姿态控制方法时，一个臂根据指定的路径运行，通过另一个臂的运动保持本体姿态的稳定，并优化整个系统的操作力矩；s a m p e i 瞳们等人运用控制理论，通过建立基于时间状态控制表( t i m e s t a t ec o n t r 0 1f o r m ) ，对姿态进行控制。任何一个非完整系统可以模型化为m 个输入，n 个状态的非线性系统，该系统包括两个状态方程：一个是状态控制方程，另一个是时间控制表，它控制第一个方程的时间流。对除冰机器人来说，可以把本体的角速度和线速度作为系统的输入变量，而将各关节角作为系统状态，用坐标变换和输入变换可以将机器人的状态方程变成一个时间状态控制表，增加或者是减少时间控制表中的时间标尺，系统的状态输出也随之改变，然后再将线性静态状态反馈增益作为新的输入，如此逐渐逼近所期望的状态。1 3 论文的主要研究内容及结构安排第一章介绍了除冰机器人的研究背景与目的，分析了除冰机器人研制的必要性，之后重点讲解了除冰机器人的特殊性以及国内外的轨迹跟踪控制研究现状。第二章从机器人本体出发，就除冰机器人系统各结构和相应功能进行了简单的描述。着重讲解了除冰机器人在运动控制系统硬件结构，并深入讲解了除冰机器人运动控制系统结构，以及各部分的功能。第三章考虑了除冰机器人的特殊性，对除冰机器人进行建模。除冰机器人的建模问题主要分为除冰机器人运动学问题、除冰机器人动力学问题以及除冰机器人的混合模型建立等问题。除冰机器人的运动学问题的分析主要是分析除冰机器人各连杆坐标之间以及各连杆坐标和末端位置坐标之间的几何矢量转换。除冰机器人动力学问题分析主要是通过对除冰机器人进行受力分析，计算机器人的动能和势能，运用拉格朗日分析法得到各重力项系数、哥氏力系数、惯性力系数之间的关系。除冰机器人的混合模型，就是结合除冰机器人运动学问题分析的结果和5输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究除冰机器人动力学问题分析的结果，考虑除冰机器人的耦合作用，得到除冰机器人动量变化情况下的混合模型。除冰机器人是应社会发展需求所成的，它的应用是前无史例的。机器人与柔性作业环境间的非线性动力学耦合特性以及机械臂和关节弹性效应的机械臂刚一柔耦合动力学特性，这是除冰机器人的重要特殊性，也是目前地面机器人不需要考虑的问题。针对这一特殊性，本文创新性的在从除冰机器人运动学问题进行了分析的同时，还从对机器人的力学分析开始，研究了除冰机器人的动力学问题，并且将两者综合考虑，构建了考虑动量变化的除冰机器人混合模型。第四章从理论上讲解了几种轨迹跟踪控制方法，即独立p i d 轨迹跟踪控制、独立自适应轨迹跟踪控制、基于b p 神经网络的p i d 轨迹跟踪控制、基于b p 神经网络的自适应轨迹跟踪控制、基于粒子群优化神经网络的p i d 轨迹跟踪控制和基于粒子群优化神经网络的自适应轨迹跟踪控制。之后基于除冰机器人的混合模型，将这些轨迹跟踪控制方法运用到除冰机器人上，对除冰机器人进行轨迹跟踪控制。粒子群优化算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 是一种进化计算技术，由e b e r h a r t 博士和k e n n e d y 博士乜k2 2 1 于1 9 9 5 年提出。但是除冰机器人轨迹跟踪控制本身就是一个新的研究领域，而粒子群算法在机器人领域的研究也极为鲜少。本文通过对粒子群算法的详细研究，扬长避短，将其创新性的应用得到了除冰机器人的轨迹跟踪控制中。用m a t l a b 进行仿真，分别得到各类轨迹跟踪控制曲线以及误差等等结果。仿真证明了，除冰机器人混合模型的可行性和各类轨迹跟踪控制方法的有效性。最后，将本文的研究成果进行了总结，并给出了进一步的研究方向，对今后机器人运动控制的研究做了展望。6硕：上学位论文第2 章输电线除冰机器人简介输电线路在线除冰机器人是机械、电子、计算机、通信、自动化等多学科交叉的产物。它需要具备有可靠的运动机构保证机器人正常工作；野外大范围长时间工作的持续动力供给；机器人在快速高效除冰的同时，不能损伤电力线路以及绝缘子等；复杂非结构化环境下的机器人的自主行为控制与导航；远距离强电磁干扰条件下的机器人远程通讯、监测和遥操作：恶劣工作环境中的本体特殊保护机制等功能。2 1 输电线除冰机器人简介工作在野外恶劣气象条件、强电磁干扰、高电压以及非结构化的运行环境中，除冰机器人的研制面临这样一些难点。第一，复杂结构柔性输电线缆上的高可靠性运动机构，可靠的运动机构是保证机器人正常工作的基础。第二、野外大范围长时间工作的持续动力供给，这是在线除冰机器人在野外大范围内长时间工作的保证。第三、无损伤高效除冰机构的研制。第四、复杂非结构化环境下的机器人的自主行为控制与导航。第五、远距离强电磁干扰条件下的机器人远程通讯、监测和遥操作。第六、恶劣工作环境中的本体特殊保护机制。为了解决以上的难点，借鉴国内外除冰机器人以及巡线机器人研究的成果，湖南大学研制的除冰机器人系统其基本结构( 见图2 1 和图2 2 ) 和功能如下：图2 ，1 除冰机器人系统正面图7输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究区e 匿蕴( a ) 除冰机器人侧面剖析图譬黍皴) 行走税搀( 被动轭) ? 骤)匝西田水平关节蠹直关节( b ) 除冰机器人单臂结构图图2 2 除冰机器人细节图三臂结构，其中中间臂为可伸缩臂，左右两臂为3 关节3 自由度的刚性机械臂，保障除冰机器人在输电线路上的稳定性与越障过程中的灵活性。末端夹持器都安装有主驱动轮和从动轮，用来驱动和保持机器人平衡，并配备有除冰机构和抱死机构，以保证除冰、行进、夹持电缆、防滑等功能。硕士学位论文3 、在本体舱上配置有监控仪器，能够对除冰机器人当前运行状态进行实时监控、并保存当前数据，进行初始化处理，返回状态信息。4 、在本体舱内的动力箱为机器人提供稳定工作的动力，保证野外大范围长时间工作的持续动力供给，使用的动力为混合动力( 小型汽油机+蓄电池) 。5 、本体舱内还有控制箱，控制箱主要由工控机和众多的外围设备等构成，对机器人运行状态进行实时控制，实现机器人的在线自动行走、避障和破冰，大大提高机器人的智能化和自动化水平，是机器人自主行为控制与导航、越障的核心控制部件。6 、相应机载和基站的软、硬件系统。通过地面基站实时监控来自机器人的视频图像、探测传感器数据、机器人位姿状态等信息，并在必要的时候可以对机器人发出各种遥操作控制命令，指导机器人的运动，诊断和排除故障。2 2 输电线除冰机器人运动控制系统运动控制就是控制机器人按照规定的轨迹运动，控制器的好坏对机器人的性能有着直接的影响。除冰机器人的运动控制系统主要通过控制器应对除冰机器人的所有运动环节进行有效的控制操作，如驱动轮上的有刷直流电机和关节上的无刷直流电机的启动、停止和转动方向，保证关节的位置和角度控制具有一定的精度和灵敏度等。具体来说，除冰机器人的运动控制就是对除冰机器人各电机的控制，明确电机的各种状态，如电机的开关状态、电机转过的角度、转动速度、加速度，以及电机转动的绝对位置等等。除冰机器人的运动控制系统从硬件上讲主要包括除冰运动、行走机构、刹车装置、伸缩机构以及竖直面转动关节与水平面转动关节。除冰运动主要是通过上半部分冰的切削运动，下半部分冰的敲击运动来实现。行走机构包括驱动电机与行走轮，通过驱动电机驱动行走轮运转，实现除冰机器人行走。刹车装置要由刹车片、刹车片安装块、伸缩杆、连接部件、直线步进电机、电机固定部件组成，避免除冰机器人在输电线路上行走除冰时的打滑现象。伸缩机构由大伸缩杆、小伸缩杆与手臂架等三部分组成，大伸缩杆与小伸缩杆的固定端分别固定安装在手臂架上，大伸缩杆活动部件与行走机构、除冰装置的切削运动机构连接，小伸缩一杆活动部件与刹车装置、除冰装置的敲击运动机构连接，通过伸缩臂调整除冰机器人姿态保障机器人的平衡。竖直面转动关节与水平面转动关节分别用于机器人在越障时手臂竖直面姿态、水平面姿态的调整，保障机器人在运动过程中的灵活性与稳定性。其中伸缩机构和竖直面转动关节与水平面转动关节都具有自锁能力，便于对机器人的姿态调整。9输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究综上所述，除冰机器人的运动控制不仅包括对运动机构的控制，也包括对除冰执行机构的控制。因此，可以采用分层控制系统结构，采用如图2 3 所示结构，实现除冰机器人运动机构和除冰执行机构的控制。图2 2 除冰机器人的运动控制系统图上位机是一个多任务实时处理系统，主要负责对机器人当前运动状态的识别，接收外部遥控指令，进行局部路径规划和避障，对机器人运动机构和执行机构的各轴系进行调度控制，完成对各路传感器信号的传输和( 预) 处理，如对可见光图像和红外图像的切换，对图像信号的传输控制，对地面信号的处理，对电源系统的管理等。运动( 执行) 机构伺服控制系统是下位机系统，它主要负责对电机的速度、位置或力矩的闭环伺服控制，对运行故障的处理。上位机和各单轴伺服系统采用现场总线方式进行通信。2 3 本章小结本章首先分析了除冰机器人研制的难点，以解决这些难点为目标，借鉴国内外相关研究成果，以机器人本体为起点，对除冰机器人系统进行了简单的描述，介绍了除冰机器人系统各部件的功能。之后重点讲解了除冰机器人的运动控制系统，从运动结构和除冰机构两部分就其运动控制部分详细进行了讲解，全面分析了除冰机器人的运动控制过程。l o硕士学位论文第3 章输电线除冰机器人建模机器人运动学和动力学特性的准确建模是实现机器人轨迹跟踪的前提。机器人本身是一个多刚体动力学系统，而高压输电线路相邻两塔间的档距大到几百甚至上千米、弧垂可达几十米，是大垂度柔索结构，具有柔性大且结构阻尼小的特点。输电线路自身在风载等环境激励作用下会产生多种形式的振动，线路的振动将通过机器人与导线之间的边界耦合传递到机器人本体：同时，机器人在实现直线越障和变向运动时，由于姿态调整引起重心不稳定，并通过夹紧臂传给导线一个反作用力，这样，除冰机器人与作业环境间就构成了一个耦合系统。除冰机器人的建模问题，分为了除冰机器人运动学问题的分析、除冰机器人动力学问题的分析，以及除冰机器人混合模型的分析。除冰机器人的运动学问题的分析主要是分析除冰机器人各连杆坐标之间以及各连杆坐标和末端位置坐标之间的几何矢量转换。除冰机器人动力学问题分析主要是通过对除冰机器人进行受力分析，计算机器人的动能和势能，运用拉格朗日分析法得到各重力项系数、哥氏力系数、惯性力系数之间的关系。除冰机器人的混合模型，就是结合除冰机器人运动学问题分析的结果和除冰机器人动力学问题分析的结果，考虑除冰机器人的耦合作用，得到除冰机器人动量变化情况下的混合模型。在本章最后求解得到了除冰机器人运动过程中速度和加速度方程。在建立除冰机器人模型之前，先做如下约定：( 1 ) 除冰机器人左右臂关节均为转动关节；( 2 ) 假设机械手在运动过程中严格遵守动量守恒定律、力平衡和动量平衡定律；( 3 ) 系统全部由刚性构成；( 4 ) 三臂结构，左右两机械臂都为3 自由度，其中间臂为可伸缩臂。其中符号约定如下：图3 1 除冰机器人系统坐标图输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究，：惯性坐标系；0 ：本体坐标系；：第j f 个机械臂的第f 个连杆的质量，其中卢1 ，2 ，3 ，j f = ，- ( 分别表示左臂和右臂) ；肌。：本体舱质量；：第，个机械臂的第f 个连杆的质心在惯性坐标系中的位置向量；t ，：第，个机械臂的第f 个连杆的质心在惯性坐标系中的速度向量；，0 ：从惯性坐标系原点指向本体坐标系原点的位置向量；矗：本体质心在惯性坐标系下的速度向量；珐，：机械臂末端效应器在惯性坐标系中的位置向量；口机械臂连杆坐标系中，从关节f 指向连杆f 质心的位置向量；匆，：机械臂连杆坐标系f 中，从关节f 质心指向关节f + 1 的位置向量；，：机械臂连杆坐标系f 中，从关节f 指向关节f + 1 的位置向量；正，：在机械臂连杆坐标系中，连杆f 相对其质心的惯性矩阵，它为一个常数矩阵；厶：本体惯性矩阵，为一常数；砍，：第，个机械臂的第f 个连杆的旋转角。3 1 输电线路除冰机器人运动学问题3 1 1 机器人运动方程的数学表示机器人运动学描述的是机器人关节和组成机器人各刚体之间的运动关系乜引。描述机械手的方向主要由三个单位矢量，即接近矢量口、方向矢量d 和法向矢量刀表示。接近矢量a 表示的是在z 向矢量处于夹手进入物体的方向上；方向矢量d 表示的是y 向矢量从一个指尖指向另外一个指尖，处于规定夹角方向上；法向矢量疗是与接近矢量口和方向矢量口构成的右手矢量集合，并由矢量的交乘所规定胛：d 口。把所描述的坐标系的原点置于夹手之间的中心，此原点由矢量p 表示。从图3 2 可以清楚的看到机械手的运动方向表示。图3 2 机械手的运动方向表示因而，机械手的坐标变换t 具有下列元素1 2硕士学位论文丁=拧dxx杯dyy拧0zz0on xpxqypyn ，p ，二二01( 3 1 )机器人机械手的运动姿态可以通过两种方式来确定。第一种由一个绕轴x ，y和z 的旋转序列( 欧拉角) 来规定。一般绕z 轴旋转用矿来表示，再绕新的y 轴( y ) 旋转口角，最后绕新的z 轴( z 。) 旋转驴角。力矿) ，叙文| j伊、式l图3 3 欧拉角的定义其对应的欧拉变换励切( 办臼，咖由三个旋转矩阵求得，即点kp，”96，7，9二下荸2：琴萼15拿c 枷0 c 9 一s 秘9s 如& 9 + c 如9一s 良口o雕霉一s 伊uui苫? 3l2 ，oo1；j另外一种表示方法是用旋转集合，通过横滚、俯仰和偏转三旋转组合变换。换句话说，先绕x 轴旋转矿角，在绕y 轴旋转口角，最后绕z 轴旋转伊角。叩叩oo妒妒抬oi；iiiijijiiii；icso0ol输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究y仰图3 4 用横滚、俯仰、偏转表示机械手运动姿势与其对应的旋转变换计算如下：j p 】，( 矽，秒，缈) =尺9 f ( z ，) 尺d ，c 审一s 牵s 牵c 夺0000m 占善【y ，) k d f 【x ，妒)c 如8 c 秘侥9 一s 如9s 牵s es 秘铙9 + c 如9一s 9c 铙p003 1 2 操作手的运动学问题 c 如8 c 9 + s 秘9s 秘a c 9 一c 秘9c 9 c 9o机器人是由一系列通过活动关节连接在一起的连杆组成的，要用数学方式表示机器人就必须知道机器人各关节连杆变换矩阵。相邻连杆一般通过转动关节或者是移动关节相连，如图3 5 所示。图3 5 通用关节一连杆组合的d h 表示1 4硕士学位论文( 1 ) 、连杆长度口“：轴线i 与i + 1 之间公垂线的长度：( 2 ) 、连杆扭蹰口h ：以轴线i 指向轴线i + 1 的公垂线为法线，经过该线在轴线i 的垂足做一平面，将轴线i 按相对于公垂线的右手规则转向轴线i + 1 ，在该平面上的投影，这样形成的转豁就是口“。( 3 ) 、连杆间距d ，从? ? 在轴线i 上的垂足沿轴线i 指向口，在轴线i 上的垂足的长度。( 4 ) 、关节转角够：把口，平移到与口f - i 的延长线相交的位置上，这两条公垂线的夹角就是。转动关节连杆变换矩阵即坐标系 j j 到坐标系i j _ l j 的转动变换，一般可以通过这样四个步骤。首先，绕爿轴转啦角；其次，沿爿h 轴移动口；再次绕zr 轴旋转够角；最后，沿z t 轴移动d t 。按照“从左到右 的原则，用数学表达为如下：一：r 。f ( t l ，气) m 挖s ( 1 1 ，一1 ) 尺d f ( z f ，g 鼍砌凇( z f ，哆) c 秒fs 秒c 口jl ls 9 。so 【1z l0一s 9 1c p c 口zl lc 口s 口zz l0oq 一1c 一lo同理可以得到移动关节连接变换如下：气一1一d s 口zj ld c 口zz l1( 3 4 )。一2 & 他以x ，口f l ，口f 一1 ) & 州z ，哆，名)( 3 5 式中，坨似q ，孝) 为旋量，表示沿q 轴平移r 并绕q 轴移动善的变换。对于具有n 个连杆的机械手，运动学方程是要确定与末端坐标系 n ) 固联的手爪相对于基座 o ) 的变换。根据齐次变换矩阵的乘法规则可得：o 卜2 z ，z 一1 丁( 3 6 )3 1 3 除冰机器人运动学问题在野外恶劣气象条件、强电磁干扰、高电压以及非结构化的运行环境中，除冰机器人不仅仅要完成除冰的功能，还需要避越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍，因而通过控制各关节转角来调整机器人的姿态是运动控制过程中必不可少的。机器人运动学问题可归纳为如下两部分，第一部分通过相邻连一杆之间的旋转和平移的关系，求解机器人末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态；另外一部分在已知机器人杆件的几何尺寸条件下，根据机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态，研究机器人末端能否到达这个位置。根据除冰机器人的机械几何关系和计算的方便，设定除冰机器人的基坐标为手爪末端，建立除冰机器人单臂的各关节坐标如下：输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究图3 6 除冰机器人单臂坐标位置图设除冰机器人三关节机械臂初始条件如下：表3 1 除冰机器人三关节机械臂初始数据表利用欧拉角表示机械手的运动姿态，可以求得各连杆相对于前一连杆的坐标变换矩阵如下：0 1 =1 瓦=2 五=lo0o010o0 o1以lo o01c 2一s 200llj 2一c 2000oc 3一j 30o11一j 3一c 3oo0o口1101口2一，2ol则求得连杆坐标系相对于基坐标系的坐标变换矩阵：1 6( 3 7 )硕士学位论文设五=n xo xa xp xn y0 yq yp yn zozn ：p zo0o1甩j2c 2 c 3刀j ，2j 3拧：2 一s 2 c 30口l1一z 10d l0l，则：d j2 一c 2 c 3d j ，5c 3d ：2s 2 s 3s 20c 203 2 输电线除冰机器人动力学模型( 3 8 )口j = s 2，p z = 口l 一，2 s 2 + c 2 口2口y = 0，p y = - f l口= = 乞，p ：= d l 一，2 c 2 一s 2 口2 ，3 2 1 机械手的动力学问题机械手动力学主要研究的就是机械手的运动与产生这种运动的力和力矩之间的关系。常用的机器人多刚体动力学建模方法心卜2 钉( l a g r a n g e ) 方程，牛顿运动定律、动量矩定律、哈密尔顿( h a m i l t o n ) 原理，牛顿欧拉( n e w t o n e u l e r ) 方程，高斯最小约束，阿培尔( a p p e l ) 方程和凯恩( k a n e ) 方程等。用l a g r a n g e 方法建立机器人结构的动力学方程是一种比较方便而有效的方法，它比较适合于计算机计算，而且有可能直接表示为系统控制输入的函数。对于n 连杆机械臂乜73 来说，若令玩为系统总动能，e p 为系统总势能，则l a n g r a n g e 函数为：三= 最一b( 3 9 )机械臂的动能为：一，。一，。耻磐= 净搿咭m 科嘉砉烈割讹df _ 1i = lf = lj - li ：l 吁，y i 其中，既= 告，。酽表示所有关节的传动装置总动能，e ，为机器人第f 关节的1 71，-100矾1o01o010o1000l| |互砭l 。孔fs+一是。岛，乞乞一一嘶吐c3吲巳即os1co； q一。1o屯邓。乞0吖o，i。l，3瓦蛩l2五z=疋己动能，厶为传动装置广义等效惯量，乃为连杆坐标系相对于基坐标系的坐标变换矩阵，q ，为关节处的广义位移；以为关节成的广义速度。求连杆i 的势能：只= 卜理= 一j f c 哲r 互咖= 一g r zn 锄( 3 1 1 )连# h连杆f连；f = 一所，季7 z 巧式中，蚕r = k ，g y ，1 】，则n 连杆机械臂的势能为e ，：宇只一根据构造的l a n g r a n g e 函数，有：孝2 三喜嘉舰p ( 象篆弘。+ 三喜喜叫象篆卜籼坼叫，2 骞嘉叫嚣篆卜扣考2 三骞喜砉砌p 去篆b+ 溪骞p 磊鼍弦扣r 争吣2 言喜骞砌p 击l 斟a + 和，根据l a n g r a n g e 函数的定义，求系统的l a n g r a n g e 方程，即系统的动力学方程为：f i ( a f 、a t。2i l 瓦厂瓦3 1 4 )= 乏岛虿+ l 牵。+ 芝主d 驰口香。+ 4j = i，= l 七= l舯，d r 三，酬象鼍愀量项系数驴点瓶岛等m 恸和哥氏力系数d j ：壹一聊。季r 罢毫为重力项括lc 婶i 从以上推导，可以总结机器人数学模型的特点如下：( 1 ) 动力学方程包含的项数越多就越复杂。随着机器人关节数的增加，方捍硕士学位论文中包含的项数呈几何级数增加，可达数百项；( 2 ) 高度非线性。方程的每一项都含有c o s ，s i n 等非线性因素；( 3 ) 高度耦合如关节数增加，则要考虑所有关节间的耦合；由于模型的不确定性，当机器人搬运物体时，所持物件不同，负载会发生变化，同时，关节的摩擦系数也会随时间发生变化。以两连杆机械手为例，求其动力学方程。若该两连杆机械手各关节均为转动关节，规定该两连杆机械手坐标如下图3 7 所示：图3 7 两连杆机械手的坐标系表3 2 两连杆机械手连杆参数lc lj lod l c liic 2一j 2od 2 c 2l么。= 。正= 10名7 d 了i彳：= 1 疋= l 台台? d 苫zilo00ll10oo1l肾愕c 吾：? 吐毛l【ooo1j1 9输电线除冰机器人的轨迹跟踪控制方法研究q l= 砉所，弘二七二】+ 防p 歹，b= ，2 ( p 之+ p 0 ) + 聊：( p 乏+ p 毛)= ( ，纷l + m 2 ) d ? + m 2 d ；+ 2 聊2 d l d 2 c 22= d 1 2朋，k 七知】+ 防，芦p b2+ p 毛) = 朋：d ；所p p 西，如b ：历：( ：吐：如)p = m a x l ，2= 掰2 ( c l 而+ d 2 ) d 2 = 聊2 0 l 矾d 2 + 畋2 )再计算重力项，由于卜1 9 = 【_ g dg 疗oo 】，则有：g = 【gooo 】。g = ogoo 】1 9 = k 苫。伊。oo 】根据质心的求解，也可以得到各连杆质心和系统质心如下：珏圈。五+ c l c 2 d 2+ s 1 j 2 d 2o1则根据式( 3 11 ) ，可以求得重力项。= 聊lo g o 亏+ 册2o g o 五= 聊l g 苫l d l + 聊2 9 ( s l