输电线巡检机器人控制与实验研究

近年来，机器人的应用越来越广泛和深入，输电线巡检机器人是当前特种作业机器人的研究热点之一，具有广泛的应用前景和实用价值。本文的研究内容是围绕国家“863”计划支持项目“500KV超高压输电线巡检机器人的研究”展开的。本研究工作针对巡检机器人的关键控制问题，主要由三部分组成：设计了巡检机器人的体系结构，并应用离散事件理论对机器人的任务、行为和动作建模；对巡检机器人双轮同步驱动控制进行了分析，并应用奇异摄动理论设计了控制器；研究了基于单目视觉的输电线立体定位方法及通过视觉伺服完成机器人自主抓线控制。 第一，介绍了巡检机器人的作业环境，重点探讨了机器人机械系统和控制系统的设计与实现。在机械子系统中，详细介绍了巡检机器人的机构实现与越障方法。在控制系统中详细阐述了基于分层递阶的机器人控制系统硬件组成。另外介绍了供电系统、无线传输系统、传感系统的设计与实现。分析了输电线路周围的电磁环境，及其对机器人的影响，并根据分析结果完成了对机器人的电磁防护设计。 第二，开展了输电线巡检机器人体系结构及人机交互系统研究，针对巡检机器人工作特点设计了基于规划和感知行为的混合式体系结构。针对巡检机器人工作环境设计了以机器人为中心的人机交互方式。参考前人建立的离散事件动力系统的层次结构和并行结构，提出了顺序结构并证明了其无阻塞性、可控性和监控器存在性，并结合以上三种结构建立了巡检机器人作业行为的离散动力学模型，分别获得了任务层、行为层和动作层的监控器。 第三，进行了巡检机器人双轮驱动控制研究。巡检机器人双轮行走机构为过驱动系统，对双轮行走系统进行了运动学和动力学建模，将一行走轮设为主动轮另一行走轮设为从动轮。针对两行走轮之间弹性关节导致的控制中的振荡问题，采用奇异摄动理论将系统分为快慢两个子系统；针对巡检机器人系统参数的时变性采用PD自适应算法设计了慢系统控制器；应用最优控制理论设计了快系统控制器。仿真结果验证了该方法的有效性。 第四，进行了输电线视觉定位和视觉伺服抓线问题的研究。输电线巡检机器人的自主越障控制是实现机器人实用化的关键问题。为实现巡检机器人自主越障，采用视觉伺服控制机械手臂自动抓线。为提取输电线图像特征点，针对输电线投影图像特征改进了边缘提取算法，应用聚类算法提取了输电线上的像素点。提出在机械手运动过程中采用EKF（扩展卡尔曼滤波）来实现对输电线的立体定位。在分析了当前基于图像的视觉伺服研究现状，建立了基于图像雅克比矩阵的输电线视觉伺服抓线模型。针对非标定状况下图像雅可比矩阵中的不确定参数，应用I&I(Immersion Invariant)自适应算法来实现无标定图像视觉伺服。针对机器人的动力学不确定性，设计了模糊自适应控制器，并证明了稳定性。仿真验证该方法的有效性，实验验证了基于视觉伺服的抓线控制的有效性。