输电线巡检机器人跨越悬垂线夹运动控制研究

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随着智能电网的高速发展和机器人的广泛应用,输电线路巡检机器人已经成为全球机器人研究的一个热点。机器人在线路巡检过程中不仅需要跨越或避让杆塔、防振锤、悬垂线夹和引流跳线等各种障碍物,还要承受风载荷,机器人作业工况变得愈加复杂,同时任务变得愈加精细。因此,巡检机器人的运动控制成为了巡检机器人领域的重要研究方向之一。依托于国家自然基金项目,并结合国内外研究现状,本文以课题组自主设计的输电线巡检机器人为研究对象,依次进行了巡检机器人的越障运动规划、越障巡检机器人动力学模型的建立,考虑风载荷的机器人运动控制器的设计、控制平台搭建及样机越障实验等。论文的具体工作内容如下:(1)对巡检机器人跨越悬垂线夹过程进行越障规划及仿真。将巡检机器人跨越悬垂线夹划分为几个关键位姿和关键行为,并建立D-H运动学模型,为动力学建模提供依据;通过Stateflow建立巡检机器人的有限状态机模型,结合Simulink模型,进行巡检机器人的运动序列的规划,完成巡检机器人的越障运动的仿真。(2)建立了巡检机器人跨越悬垂线夹的越障臂动力学模型,为运动控制器的设计提供动力学基础。巡检机器人的所受风载荷模型,结合实际的越障过程进行风载荷具体参数的简化辨识,在整体动力学模型的基础上得到考虑风载荷的动力学模型,同时针对巡检机器人的分段控制策略,得到巡检机器人的两个关节双轴联动的动力学模型。(3)设计了考虑风载荷的巡检机器人运动控制器。在动力学方程的基础上通过传统的PID控制进行仿真控制,验证其摆动性;基于输入输出稳定性的滑模控制搭建巡检机器人的关节控制器,经仿真实验验证控制器的有效可行性,最后通过参数的优化调整实现其动力学的稳定性;提出了一种关节运动参数的优化方法,并针对具体的关节进行参数优化设计。(4)完成了巡检机器人运动控制系统的软硬件设计,并进行了巡检机器人跨越悬垂线夹的越障实验。基于STM32单片机,对直流电机的调速系统包括转向控制、速度控制、按键输入进行设计说明;结合PWM的生成设计了速度、电流双闭环控制系统;结合3D打印完成巡检机器人的样机制作,针对巡检机器人的越障运动控制进行了关节驱动电机的控制实验,验证了巡检机器人的结构设计以及越障运动规划的合理性。通过研究,实现了输电线巡检机器人跨越悬垂线夹的越障运动规划、越障臂的动力学建模以及考虑越障过程的风载荷简化、跨越悬垂线夹的运动控制器及其理论仿真等方面内容,并搭建巡检机器人的运动控制平台进行跨越悬垂线夹越障实验,验证了旋转越障模式的运动规划的合理性。
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