输电线路巡检机器人样机的越障控制研究与实现

发布时间：2017-09-01 07:01

  本文关键词：输电线路巡检机器人样机的越障控制研究与实现

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【摘要】：我国远距离输电线网络分布较广,需要经过条件恶劣的荒郊野外,易受到自然环境、人畜破坏和自身损耗的影响,需要对线路定期巡检。传统巡检方式主要以人工巡检和航空巡检为主,存在劳动强度大、精度低、效率不高且费用高昂等问题。随着近年来机器人技术的发展,以巡检机器人代替传统巡检方式,可以减轻巡检工作负担,提高输电线路管理和维护的自动化水平。本文中巡检机器人样机的研制工作以重庆电科院项目研发为背景,主要目的是结合国外优点,在第一代样机的经验上进行优化改进,使之可以跨越所有大型障碍物、提高越障效率,并保持越障稳定性。本文的工作重点也将从这三个方面入手。本文设计的重点主要分为三大部分,首先在分析研究机器人越障过程中影响机器人稳定与各种扰动因素的基础上,完成了机器人平衡系统的设计:通过对机器人越障单元(夹持机构)的受力分析及机器人本体越障过程中的摆动分析,得到相关扰动参数,然后使用传感器对扰动参数进行数据采集和模数转换,把转换完成的数据通过多传感器融合及卡尔曼滤波等信息处理技术进行预处理,再通过扰动平衡控制器及时对扰动变量进行补偿,控制夹持机构气动系统,获得较好的平衡效果。其次,机器人的控制系统总体框架搭建采用分层控制结构,由地面控制单元和线上机器人车载控制系统两大部分组成。其硬件主要组成部分包括工控机、数传模块、图传模块、单片机、伺服驱动系统和各类传感器。其软件系统主要分为地面人机交互系统和线上车载控制程序。人机交互系统实现对机器人参数监控与操作,线上控制程序主要由机器人巡检越障主程序、伺服控制程序、传感器检测程序及通讯程序等组成。最后,对巡检机器人先后进行了室内与室外测试。室内实验以机器人功能性测试与控制系统性能测试为主,主要有越障测试、夹持机构压力测试和平衡系统稳定性测试等。室内测试实验可以及时修正机器人许多设计错误,并对控制系统进行了大量的调试,最终得以达到样机需求标准。在室外测试过程中主要是了模拟真实场景下的机器人越障能力及是否会遇到设计以外的突发状况,为后续的最终上线工作做好准备。试验结果表明:机器人线上越障能力优秀,速度平稳,各个系统控制良好,满足设计要求。
【关键词】：输电线路 巡检机器人 控制系统 平衡系统
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 课题研究目的和意义9-10
• 1.2 国内外巡线机器人研究现状10-13
• 1.3 国内外机器人发展综述13-14
• 1.4 本文的主要研究内容14-15
• 1.5 本章小节15-16
• 2 巡检机器人技术方案16-22
• 2.1 巡检机器人工作环境16-18
• 2.1.1 直线杆塔16-17
• 2.1.2 输送电线17
• 2.1.3 金具17-18
• 2.1.4 环境影响18
• 2.2 巡线机器人样机总体设计方案18-21
• 2.2.1 机器人样机主体设计方案19
• 2.2.2 机器人材料选型19-20
• 2.2.3 高压巡检机器人技术参数20-21
• 2.3 本章小结21-22
• 3 巡检机器人机械结构、越障策略22-28
• 3.1 巡检机器人样机机械结构设计22-26
• 3.1.1 行走单元22-23
• 3.1.2 开合单元23-24
• 3.1.3 旋转单元24-25
• 3.1.4 云台相机25-26
• 3.1.5 其他组件26
• 3.2 巡检机器人样机越障步骤26-27
• 3.3 本章小结27-28
• 4 巡检机器人样机越障平衡系统28-36
• 4.1 夹持机构气动比例压力控制系统28-30
• 4.1.1 气缸比例压力控制系统原理28-30
• 4.1.2 气动比例压力系统数学模型30
• 4.2 巡检机器人越障平衡扰动参数分析30-32
• 4.2.1 夹持机构受力分析30-31
• 4.2.2 机器人越障摆动参数分析31-32
• 4.3 机器人扰动参数处理及平衡控制器设计32-35
• 4.3.1 扰动参数采集32-33
• 4.3.2 多传感器融合技术33-34
• 4.3.3 联合卡尔曼滤波34-35
• 4.3.4 巡检机器人越障扰动平衡控制器设计35
• 4.4 本章小结35-36
• 5 巡检机器人样机控制系统36-51
• 5.1 巡检机器人控制系统总体框架36-37
• 5.2 巡检机器人软件设计37-40
• 5.2.1 机器人地面操作系统38-39
• 5.2.2 机器人车载控制系统39-40
• 5.3 巡检机器人样机硬件组件40-43
• 5.4 机器人伺服系统设计43-50
• 5.4.1 滑轮与电力线间摩擦力测试43
• 5.4.2 电机选型43-44
• 5.4.3 机器人伺服系统44-45
• 5.4.4 电机数学模型45-47
• 5.4.5 伺服系统设计与实现47-50
• 5.5 本章小结50-51
• 6 高压巡检机器人测试平台搭建及实验测试51-57
• 6.1 样机研制51
• 6.2 室内测试平台搭建与测试51-54
• 6.2.1 测试平台搭建51-52
• 6.2.2 障碍物跨越测试52-53
• 6.2.3 夹持机构压力控制系统测试53
• 6.2.4 越障平衡控制系统测试53-54
• 6.2.5 结论54
• 6.3 室外实验54-56
• 6.3.1 实验环境54-55
• 6.3.2 行走越障测验55-56
• 6.4 本章小结56-57
• 7 结论与展望57-59
• 7.1 总结57
• 7.2 展望57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 附录63
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及专利63
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目63
• C. 作者在攻读硕士学位期间获得的荣誉63

【参考文献】

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本文编号：770601