CN108832533A - 基于反射型激光清除异物装置的模糊pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射型激光清除异物装置的模糊PID控制方法，首先确定位置偏差和偏差变化率；然后利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定PID控制参数的变化量；最后根据控制参数变化量调整PID控制参数，对转台位置进行PID控制，使控制转台跟踪线缆。本发明根据系统的误差和误差变化情况及时调整PID的控制参数，能够实现自动线缆跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。

Description

基于反射型激光清除异物装置的模糊PID控制方法

技术领域

本发明涉及输电线缆异物清除跟踪领域，具体涉及一种基于反射型激光清除异物装置的模糊PID控制方法。

背景技术

架空输电线路点多面广、跨度大、线路长，沿线环境复杂，风筝和风筝线、农用塑料布、广告布、遮阳网等漂浮性异物经常缠挂在输电线路上，可造成相间短路、单相 接地，导致线路跳闸停电或线路损毁，垂落的异物或烧断损毁的导线还可造成人畜伤 亡，给电力系统和社会造成了极大的经济损失。

带电清除异物是带电作业中安全风险最高的项目。目前，对于输电线路进行异物清 除的主要方法有两种，一种是工作人员上塔清除，包括停电后电工上线摘除以及等电位带电作业摘除。这种方法耗时耗力、危险性高，且不适用于复杂地形处的架空线 路。同时由于异物种类、缠绕方式多种多样，依靠带电作业过程中作业工人“随机应 变”来处理异物，有些操作危险性较高，只能停电处理，直接降低了供电的可靠性， 造成社会经济损失。具有需攀爬杆塔、走线、高电压高空作业、难度高、风险大、耗 时长、需停电作业等缺点，耗费了大量人力物力，给电力系统线路巡检工作造成沉重 的压力。另外一种使用较多的方法是无人机搭载喷火装置或者利用其他机械式遥控装 置除异物，该方法对设备的可操纵性要求较高，其中一些方法也会对电缆造成损害， 没有能够大面积推广使用。

工作人员在清除异物的过程中，往往需要耗费大量的体力劳动，而且效率不高，目前的有关高压线缆清除异物设备在实际工作过程中仍然需要工作人员进行复杂的控 制，不能做到真正的智能化与自动化。

同时，传统方法的难以兼顾系统的动态性能和稳态能，对于高精度要求和高耦合度的系统，固定参数的PID控制无法达到控制要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反射型激光清除异物装置的模糊PID控制方法，能够实现自动线缆跟踪，稳定性强、鲁棒性好。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于反射型激光清除异物装置的模糊PID控制方法，包括如下步骤：

步骤1、确定位置偏差和偏差变化率；

步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定PID控制参数的变化量；

步骤3、根据控制参数变化量调整PID控制参数，对转台位置进行PID控制，使 控制转台跟踪线缆。

使用上述方法的反射型激光清除异物装置，包括转台、防尘部件、激光部件、固 定架、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器；其中，转台包括方位部件 和俯仰部件，激光部件包括激光发射头、反射镜部件一、反射镜部件二；

方位部件安装在固定架上方，俯仰部件安装在方位部件上方，防尘部件套在俯仰部件外侧，激光发射头安装在方位部件中，反射镜部件一、反射镜部件二安装在俯仰 部件中，视觉传感器安装在俯仰部件中；

控制系统与视觉传感器连接，调整视觉传感器参数；视觉传感器用于捕获异物点，将图像传给控制系统进行图像识别；控制系统分别与方位部件、俯仰部件相连， 控制系统对图像识别的结果进行处理，驱动方位部件、俯仰部件进行方位和俯仰两自 由度的转动，从而带动视觉传感器和激光部件转动；

电源系统为控制系统、视觉传感器、方位部件、俯仰部件、激光部件供电；

输入输出装置与控制系统连接，用于显示控制系统的控制界面和输入操作信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明根据系统的误差和误差变化情况及 时调整PID的控制参数，能够实现自动线缆跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境 变化的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的反射型激光清除异物装置的总装结构示意图。

图2是本发明的反射型激光清除异物装置的方位部件和俯仰部件的侧视图。

图3是本发明的反射型激光清除异物装置的转台的剖面图和侧视图。

图4是本发明的反射型激光清除异物装置的方位部件的俯视图和剖面图。

图5是本发明的反射型激光清除异物装置的俯仰部件的正视图和侧视图。

图6是本发明的反射型激光清除异物装置的控制系统工作示意图。

图7是本发明模糊PID控制的原理图。

图8是本发明模糊PID控制的隶属度函数曲线图，其中(a)是输入量的隶属度函数、(b)是输出量的隶属度函数。

图9是本发明模糊PID控制的MATLAB模糊推理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，本发明反射型激光清除异物装置包括转台22、防尘部件3、激光部 件4、固定架5(优选三脚架)、电源系统、输入输出装置、控制系统、通信模块、视 觉传感器10(优选高清工业相机)；其中，转台22包括方位部件1、俯仰部件2。方 位部件1安装在三脚架5上方；俯仰部件2安装在方位部件1上方；防尘部件3中的 防尘罩17套在俯仰部件2外，防尘镜31安装在方位部件1中；激光部件4包括激光 发射头19、反射镜部件一20、反射镜部件二21，激光发射头19安装在方位部件1 中，反射镜部件一20、反射镜部件二21安装在俯仰部件2中，通过这种捷联式结构， 光路可以通过反射镜部件一20和反射镜部件二21的相继反射后，平行于视觉传感器 光轴发出，因此只需要调整反射镜的角度，而无需使激光发射头19跟随转台22转 动；视觉传感器10安装在俯仰部件2中。

控制系统中，工控机35与视觉传感器10连接，调整视觉传感器参数，使视野清 晰；视觉传感器10和工控机35连接，捕获异物点后，将图像传给工控机35进行图像 识别；工控机35通过控制驱动部件38和方位部件1、俯仰部件2相连，可以进行方位 和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件4和视觉传感器10转动；工控机35将图 像识别的结果处理后，传给控制驱动部件38，调整方位部件1和俯仰部件2进行跟 踪，并带动激光部件4对异物进行切割；控制系统和通信模块9连接用于获取远程控 制信息；电源系统为控制系统、视觉传感器10、方位部件1、俯仰部件2、激光部件 4、通信模块9供电。

如图2～5所示，方位部件1包括方位力矩电机11、方位角度测量装置(旋变发送 机或者电子编码器)12、方位限位锁零部件23、激光安装对接部件24、底座25和方 位支架26。其中，底座25固定在三脚架5上方；方位支架26安装在底座25上，和俯 仰部件2连接。激光安装对接部件24嵌于底座25中央的圆孔中，用于连接激光部件 4，并使激光通过；方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)12置于底座25 内部，由它得到实际方位转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件38；方位力矩 电机11位于方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)12上方，可实现方位部 件1在方位上的-180～180度转动；方位限位锁零部件23位于方位支架26边缘上，通 过控制驱动部件38的命令使其落入底座25边缘的一个圆孔中，用于锁定方位，固定 方位支架26。

俯仰部件2包括轴承座一13、轴承座二14、俯仰力矩电机15、俯仰轴一27、联 接部件28、俯仰轴二29、俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16、俯仰 限位锁零部件30。其中，轴承座一13和轴承座二14固定安装在方位部件1的方位支 架26上，轴承座一13和轴承座二14相互平行，跟随方位部件1转动；俯仰力矩电机 15位于轴承座一13中，可实现0～90度俯仰旋转。俯仰轴一27位于轴承座一13中， 连接俯仰力矩电机15，作为俯仰力矩电机15的传动结构；联接部件28横架在俯仰轴 一27和俯仰轴二29中间，与俯仰轴一27相连，作为传动结构，并与视觉传感器10 相连，一起转动；俯仰轴二29位于轴承座二14中，连接联接部件28，作为从动结 构；俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16置于轴承座二14中，俯仰角 度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16能够检测俯仰轴二29转动的角度，通过 电信号发送给控制驱动部件38，进一步传送给控制系统8；俯仰限位锁零部件30位于 俯仰轴二29的外侧，用于机械限定俯仰力矩电机15的俯仰角度。方位支架26固定在底座25上，用于连接俯仰部件2，带动其在方位上转动。

防尘部件3包括防尘罩17、激光工作窗口18、防尘镜31。防尘罩17盖在俯仰部 件2外，用于内部防尘；激光工作窗口18嵌于防尘罩17中，用于激光工作时通过防 尘罩17；防尘镜31位于方位部件1下方，在激光安装对接部件24连接的圆孔处，防 止杂质进入。

激光部件4包括激光发射头19、反射镜部件一20、反射镜部件二21、激光控制箱32。其中，激光发射头19通过光纤与激光控制箱32连接，发射激光，是激光光源 处；激光发射头19与激光安装对接部件24相连，一起嵌于方位部件1的底座25中央 的圆孔中，使激光发射头19竖直向上，激光通过发射头发出后竖直向上；反射镜部件 二21与激光安装对接部件24相连，位于激光发射头19正上方，激光通过发射头发出 后竖直向上，在反射镜部件二21上通过45°反射照射在反射镜部件一20上；反射镜 部件一20安装在俯仰部件2的俯仰轴二29的内侧，激光在反射镜部件一20上反射出 去后，光束与视觉传感器光轴平行，并且，反射镜部件一20随俯仰轴二29与视觉传 感器10一起转动，可以将激光反射到视觉传感器观测区域中的所需位置，而不需要转 动重量较大的激光发射头，从而减轻了电机的负担，提高了电机旋转的精度。

电源系统包括激光蓄电池33和直流电源34。直流电源34主要用于给整个电机负载、输入输出装置及视觉传感器10供电。激光蓄电池33主要用于给激光部件4中的 激光控制箱32供电。

输入输出装置包括显示器36和输入装置37。显示器36通过HDMI接口接收工控 机35信号，显示控制系统8控制界面；输入装置37用于输入操作人员的操作信息， 发送给工控机35。

如图6所示，控制系统包括工控机35和控制驱动部件38。工控机35通过RS485 串口发送命令给视觉传感器10，用于实现焦距、广角窄角、预置位图像参数改变；工 控机35通过同轴电缆接收视觉传感器10图像及信息，识别线路和异物，得到异物位 置信息反馈给控制驱动部件38；工控机35通过RS422串口与控制驱动部件38连接实 现转台22转动切割；工控机35与输入输出装置连接实现人机交互；控制驱动部件38 位于方位部件1中的底座25中，通过方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码 器)12、俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16分别接收方位部件1和 俯仰部件2的角度信息，并通过RS422串口传给工控机35，同时接收工控机35信 息，控制方位部件1和俯仰部件2，进行两自由度运动。

通信模块包括无线发射模块和无线接收模块，主要用于实现工控机35无线监控功能；通信模块具有无线唤醒功能和组网功能。

视觉传感器10固定安装在俯仰部件2的联接部件28下方，跟随其一起转动，并 实时采集前方图像信息通过同轴电缆传送给控制系统8，并接收工控机35信号指令。

三脚架5位于装置的最底部，通过改变三个脚的长度调节装置高度，提供稳定合适的拍摄状态。

如图7所示，基于上述反射型激光清除异物装置的模糊PID控制方法，包括如下 步骤：

步骤1、确定位置偏差e和偏差变化率ec。

步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定PID控制参数的变化量。

如图7所示，以位置偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，通过模糊规 则和模糊推理算出PID控制器三个参数的变化量ΔK_p、ΔK_I、ΔK_D与e、ec的模糊关 系，具体实现如下：

步骤2.1、选择论域：输入量和输出量的论域是由传感器采集到的值决定的，若转台方位轴旋转角度范围是-90°～90°，设置输入偏差e和偏差变化率ec的基本论域为 [-90,90]，PID控制器三个参数的变化量ΔK_p、ΔK_I、ΔK_D的基本论域为[-5,5]。为了 使转台的控制精度更高，设置五个变量的量化等级为7级，即[-3，-2，-1，0，1， 2，3]，则e和ec的量化因子为：

K＝90/3

PID调节参数变化量的比例因子为：

K_u＝5/3

对应的模糊子集为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，子集中元素分别表示负 大、负中、负小、0、正小、正中、正大；

步骤2.2、设置输入和输出的隶属度函数，建立模糊规则。

作为一种具体实施方式，系统中模糊变量的隶属度函数均采用线性三角形函数，如图8、9所示。确定了模糊变量的隶属度函数后，开始建立控制规则。

模糊的控制规则是由输入输出量以及相应的模糊推理构成的，控制规则的数量决定了系统的输出量的控制精度。根据PID控制特性可知，当误差e较大时，为了提高 系统的响应速度，需要较大的控制信号并防止微分溢出，应该选择大的比例系数修正 量ΔK_p和小的微分系数修正量ΔK_D，同时为了防止系统在运行过程中出现大的超调， ΔK_I应该取0。当偏差e较小时，为了提高系统的稳态性能，可以适当增大ΔK_p和 ΔK_I，考虑到系统的抗干扰能力，此时如果ec较小，适当增大ΔK_D。当e的值适中 时，为了减小系统超调，加快系统响应速度，应该选取小的ΔK_p。基于以上控制经验 可以建立模糊控制规则表，由于输入变量分别有7个模糊语言值，对应于每个输出量 可以生成49条控制规则，模糊控制规则见表1、2、3。

表1 ΔK_p的模糊控制规则表

表2 ΔK_I的模糊控制规则表

表3 ΔK_D的模糊控制规则表

步骤2.3、根据位置偏差、偏差变化率和模糊规则进行模糊推理，得到与PID控制参数变化量对应的模糊值。

作为一种具体实施方式，在MATLAB中设置好输入量以及相应的规则表，再采用Mamdani推理法进行推理，推理结构如图5所示。该推理法根据输入量的模糊程度， 通过以上建立的49条规则，对输入量采用相应的算法计算可以得到模糊控制器的输出 量。

步骤2.4、对模糊值进行解模糊，确定PID控制参数。

常用的解模糊方法有三种：最大隶属度、中位数和重心法(COG)。最大隶属度 法参考因素有局限，准确率较低，中位数法计算时间长，影响系统的实时性，所以作 为一种具体实施方式，本发明采用使用最为广泛的重心法，得出输出论域上的实际参 数变量值。重心法计算公式如下所示。

其中，u为PID控制参数的变化量，μ为输出量对子集的隶属度，μ_N(u)为与PID控制参数变化量对应的模糊值。

步骤3、根据控制参数变化量调整PID控制参数，对转台位置进行PID控制，使 控制转台跟踪线缆。

本发明根据系统的误差和误差变化情况及时调整PID的控制参数，能够实现自动线缆跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。

Claims (5)

1.一种基于反射型激光清除异物装置的模糊PID控制方法，其特征在于：该方法基于反射型激光清除异物装置，该装置包括转台(22)、防尘部件(3)、激光部件(4)、固定架(5)、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器(10)；其中，转台(22)包括方位部件(1)和俯仰部件(2)，激光部件(4)包括激光发射头(19)、反射镜部件一(20)、反射镜部件二(21)；

方位部件(1)安装在固定架(5)上方，俯仰部件(2)安装在方位部件(1)上方，防尘部件(3)套在俯仰部件(2)外侧，激光发射头(19)安装在方位部件(1)中，反射镜部件一(20)、反射镜部件二(21)安装在俯仰部件(2)中，视觉传感器(10)安装在俯仰部件(2)中；

控制系统与视觉传感器(10)连接，调整视觉传感器参数；视觉传感器(10)用于捕获异物点，将图像传给控制系统进行图像识别；控制系统分别与方位部件(1)、俯仰部件(2)相连，控制系统对图像识别的结果进行处理，驱动方位部件(1)、俯仰部件(2)进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动视觉传感器(10)和激光部件(4)转动；

电源系统为控制系统、视觉传感器(10)、方位部件(1)、俯仰部件(2)、激光部件(4)供电；

输入输出装置与控制系统连接，用于显示控制系统的控制界面和输入操作信息；

该方法包括如下步骤：

步骤1、确定位置偏差和偏差变化率；

步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定PID控制参数的变化量；

步骤3、根据控制参数变化量调整PID控制参数，对转台位置进行PID控制，使控制转台跟踪线缆。

2.根据权利要求1所述的模糊PID控制方法，其特征在于，所述步骤2进行模糊推算的具体方法为：

步骤2.1、选择论域：设置输入偏差e和偏差变化率ec的基本论域为[-X,X]，[-X,X]为转台方位轴旋转角度范围，PID控制器三个参数的变化量ΔK_p、ΔK_I、ΔK_D的基本论域为[-5,5]，设置五个变量的量化等级为[-3，-2，-1，0，1，2，3]，对应的模糊子集为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，子集中元素分别表示负大、负中、负小、0、正小、正中、正大；

步骤2.2、设置输入和输出的隶属度函数，建立模糊规则，如表1、2、3所示：

表1 ΔK_p的模糊控制规则表

表2 ΔK_I的模糊控制规则表

表3 ΔK_D的模糊控制规则表

步骤2.3、根据位置偏差、偏差变化率和模糊规则进行模糊推理，得到与PID控制参数变化量对应的模糊值；

步骤2.4、对模糊值进行解模糊，确定PID控制参数的变化量。

3.根据权利要求2所述的模糊PID控制方法，其特征在于，步骤2.2中输入输出的隶属度函数为线性三角形函数。

4.根据权利要求2所述的模糊PID控制方法，其特征在于，步骤2.2采用Mamdani推理法进行模糊推理。

5.根据权利要求2所述的模糊PID控制方法，其特征在于，所述步骤2.4采用重心法进行解模糊，公式如下：

其中，u为PID控制参数的变化量，μ为输出量对子集的隶属度，μ_N(u)为与PID控制参数变化量对应的模糊值。