CN110222460B - 一种用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属风载荷计算技术领域，尤其涉及一种用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法。该方法包括如下步骤：A1、建立巡检机器人所受风载荷模型，将巡检机器人所受风载荷分为横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y和升力F_z；A2、根据双参数威布尔分布，建立随机风速模型，得到风速时程；A3、针对巡检机器人处于不同的越障阶段，结合巡检机器人所受风载荷模型和随机风速模型，建立对应越障阶段下的风载荷等效拟合模型，得到风载荷等效计算方法。本发明提供的方法不同于已有的风载荷等效方法，将巡检机器人的运动过程考虑在内，建立了更符合实际的风载荷等效计算方法。

Description

一种用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法

技术领域

本发明属风载荷计算技术领域，尤其涉及一种用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法。

背景技术

输电线巡检机器人是目前的研究热点，巡检机器人在替代输电线路人工进行巡检工作时，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，并承受风载荷等外激励影响。

在风载荷的作用下，巡检机器人会在横向以及输电线方向产生摆动，当摆角以及摆动频率达到一定程度时，会使得用于拍摄巡检图像的摄像机模糊，产生无效照片导致巡检作业失败，严重时还会使得巡检机器人的行走轮脱轨，造成更严重的后果。

目前，针对受风载荷的等效计算有一些技术方案，中国专利CN109359359A提供了一种考虑风载荷时空分布特性的输电线路风速场模拟方法，中国专利CN105738143B提供了一种用于水泥电杆等效风载荷实验方法，中国专利CN109117584A提供了一种用于计算低速飞机突风载荷系数计算方法。但是，还没有一种考虑巡检机器人实际越障过程的风载荷等效计算方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法。

(二)技术方案

本发明提供一种用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法，所述巡检机器人设置有前臂和后臂，包括如下步骤：

A1、建立巡检机器人所受风载荷模型，将巡检机器人所受风载荷分为横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y和升力F_z；

A2、根据双参数威布尔分布，建立随机风速模型，得到风速时程；

A3、针对巡检机器人处于不同的越障阶段，结合巡检机器人所受风载荷模型和随机风速模型，建立对应越障阶段下的风载荷等效拟合模型，得到风载荷等效计算方法。

进一步地，所述步骤A2包括：

A21、根据双参数威布尔分布函数，获得风速均值和风速方差；

A22、通过风速均值和风速方差得到双参数威布尔分布的形状参数和尺度参数；

A23、根据形状参数和尺度参数，调用威布尔分布的随机数生成器wvlrnd来生成随机数据，进而得到相应的风速时程。

进一步地，所述步骤A21具体如下：

双参数威布尔分布的函数表达式如下式(1)所示：

式中，k为形状参数，无因次量；c为尺度参数，m/s；v为风速，m/s；

由式(1)得到风速均值的表达式，如下式(2)所示：

式中，E(v)为风速均值；

结合式(1)、式(2)得到风速方差的表达式，如下式(3)所示：

式中，D(v)为风速方差。

进一步地，所述步骤A22具体如下：

结合式(2)、式(3)得到风速均值与风速方差之间的关系，如式(4)所示：

形状参数的表达式如式(5)所示：

将式(5)代入式(2)得到尺寸参数的表达式，如式(6)所示：

进一步地，所述越障阶段包括：巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段和巡检机器人越障阶段。

进一步地，在巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段，根据准静态理论，巡检机器人所受横向风载荷F_x为：

F_x＝ραKK_bAv²/2 (7)

式中，ρ为空气密度，α为风速不均匀系数，K为空气动力系数，K_b为高空风速增大系数，A为迎风侧投影等效面积；

巡检机器人所受沿输电线方向的风载荷F_y为：

F_y＝ραKK_bA₀v²/2 (8)

式中，A₀为沿输电线方向投影等效面积；

将得到的横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y进行矢量相加，得到巡检机器人在此阶段中所受风载荷，风载荷的大小以及方向如下式(9)、(10)所示：

式中，F_f为巡检机器人所受风载荷；

式中，θ为巡检机器人所受风载荷的方向。

进一步地，在巡检机器人越障阶段包括：巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人前臂的作用下旋转180°和巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人后臂的作用下升降。

进一步地，在巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人前臂的作用下旋转180°阶段，巡检机器人所受横向风载荷F_x为：

式中，ω为巡检机器人的前臂作用下的旋转角度，t为旋转时间，T为旋转周期；

巡检机器人所受沿输电线方向的风载荷F_y为：

F_y＝ραKK_bAv²/2·sin(ωt)+|ραKK_bA₀v²/2·cos(ωt)|0≤ωt≤T/2 (14)。

进一步地，在巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人后臂的作用下升降阶段，与巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段时，巡检机器人所受横向风载荷F_x和所受沿输电线方向的风载荷F_y相同。

(三)有益效果

不同于已有的风载荷等效方法，本发明将巡检机器人的运动过程考虑在内，建立了更符合实际的风载荷等效计算方法。同时，本发明提供的方法不仅适用输电线巡检机器人旋转模式越障的风载荷，还可以应用于包含旋转运动的机器人风载荷等效计算。

本发明提供的巡检机器人风载荷等效方法，编程实现较为便利，利于进行数值仿真，为后续实现对于风载荷的相关控制提供理论依据。

附图说明

图1为本发明实施例中巡检机器人所受风载荷模型的示意图；

图2为本发明实施例中随机风速模型的风速时程图；

图3为本发明实施例中巡检机器人越障阶段的俯视简图；

图4(a)为本发明实施例中巡检机器人越障阶段中A—B的横向风载荷等效拟合示意图；

图4(b)为本发明实施例中巡检机器人越障阶段中B—C的横向风载荷等效拟合示意图；

图5为本发明实施例中巡检机器人越障阶段中A—C的沿输电线方向的风载荷等效拟合示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本实施例提供一种用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法，其中所用巡检机器人为专利申请CN109193452A中的输电线巡检机器人，具体包括如下步骤：

A1、建立巡检机器人所受风载荷模型，具体地，如图1所示，将巡检机器人所受风载荷分为横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y和升力F_z。

A2、根据双参数威布尔分布，建立随机风速模型，得到风速时程。

A21、双参数威布尔分布是一种单峰的正偏态分布函数曲线，其函数表达式如下式(1)所示：

式中，k为形状参数，无因次量；c为尺度参数，m/s；v为风速，m/s。

由式(1)可以得到风速均值E(v)，如下式(2)所示：

除风速均值E(v)外，风速方差D(v)也是用于描述风速分布情况的重要数学特征，衡量的是风速v与风速均值E(v)的偏离程度，风速方差D(v)的表达式如下式(3)所示：

A22、结合式(2)、(3)得到式(4)：

由式(4)可知，

仅仅是形状参数k的函数，因此通过风速的均值E(v)和风速方差D(v)就可得到双参数威布尔分布的形状参数k，进而得到尺度参数c。

形状参数k的估算表达式，如式(5)所示：

将式(5)代入式(2)得到尺度参数c的表达式，如式(6)所示：

A23、根据形状参数k和尺度参数c，通过调用威布尔分布的随机数生成器wvlrnd来生成随机数据，进而得到相应的风速时程。

在本实施例中，取风场参数：风速均值为12m/s，风速方差为9m²/s²，得到如图2所示的100s内的风速时程图。

A3、针对不同越障阶段，结合巡检机器人所受风载荷模型和随机风速模型，建立对应越障阶段下的风载荷等效拟合模型，得到风载荷等效计算方法。

其中，将越障阶段分为巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段和巡检机器人越障阶段。在不考虑输电线舞动情况和非极端风速下，由风载荷造成的升力F_z会远远小于巡检机器人本体的重力，对巡检及越障姿态的影响较小。

(1)巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段

巡检机器人本体结构与输电线平行时，考虑巡检机器人运动过程中摆动幅度较小，结构部件与风向的方向角几乎不变，因而可以认为所受风载荷几乎不变，以横向风力F_x为巡检机器人影响作业之最。

根据准静态理论，横向风载荷F_x为：

F_x＝ραKK_bAv²/2 (7)

式中，ρ为空气密度，α为风速不均匀系数，K为空气动力系数，K_b为高空风速增大系数，A为迎风侧投影等效面积。

沿输电线方向的风载荷F_y为：

F_y＝ραKK_bA₀v²/2 (8)

式中，A₀为沿输电线方向投影等效面积。

将得到的横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y进行矢量相加，即得到巡检机器人在此过程中所受风载荷，风载荷的大小以及方向如下式(9)、(10)所示：

式中，F_f为巡检机器人所受风载荷；

式中，θ为巡检机器人所受风载荷的方向。

在本实施例中，取距离地面60m的野外环境，ρ＝1.226kg/m³，α＝0.85，K＝1.5,K_b＝1.71，将横向风力F_x化简为：

F_x＝1.336Av² (11)

将沿输电线方向的风载荷F_y化简为：

F_y＝1.336A₀v² (12)。

(2)巡检机器人越障阶段

在本实施例中以障碍物为垂直夹线为例，进行说明。巡检机器人在跨越垂直夹线阶段分为两大主要姿态：(A)、巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人前臂的作用下旋转180°；(B)、巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人后臂的作用下升降。

(A)如图3所示，为巡检机器人越障阶段的俯视简图。巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人前臂的作用下旋转180°，巡检机器人绕前臂旋转轨迹呈正弦曲线。

由图可知，巡检机器人处于B位置时，巡检机器人与输电线呈垂直关系，风载横截面最大，此时巡检机器人所受沿输电线方向的横向风载荷F_x最小，所受沿输电线方向的风载荷F_y最小；相对应地，在越障初始位置A以及结束位置C时，所受横向风载荷F_x最大，所受沿输电线方向的风载荷F_y最大。因此，如图4(a)、图4(b)、图5所示，将风载荷进行简化，A、C位置所受沿输电线方向风载荷F_y最小，B位置所受横向风载荷F_x最小，旋转过程中，轨迹变化符合正弦与余弦曲线叠加的规律，因此巡检机器人在这一阶段风载荷变化规律按照大小将其简化为正弦曲线与余弦曲线叠加，从A—B以及B—C，分别取时间区间从零开始的四分之一个周期，相比较于将风载荷考虑为恒定载荷加随机激励，更能体现出巡检机器人实际越障过程。

横向风载荷F_x为：

沿输电线方向的风载荷F_y为：

F_y＝ραKK_bAv²/2·sin(ωt)+|ραKK_bA₀v²/2·cos(ωt)|0≤ωt≤T/2 (14)

将得到的横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y进行矢量相加，即得到巡检机器人在此过程中所受风载荷，风载荷的大小以及方向如下式(15)、(16)所示：

式中，F_f为巡检机器人所受风载荷；

式中，θ为巡检机器人所受风载荷的方向。

在本实施例中，取距离地面60m的野外环境，ρ＝1.226kg/m³，α＝0.85，K＝1.5,K_b＝1.71，将横向风力F_x化简为：

式中，ω为巡检机器人的前臂作用下的旋转角度，t为旋转时间，T为旋转周期；

将沿输电线方向的风载荷F_y化简为：

F_y＝1.336Av²sin(ωt)+|1.336A₀v²cos(ωt)|0≤ωt≤T/2 (18)。

(B)巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人后臂的作用下升降，这一过程中，除后臂旋转关节以及升降关节，巡检机器人的其余结构受风载荷不变，考虑旋转关节的迎风面积不改变，因此其所受风载荷取为定值，升降关节其对应的位移较小，风载荷相应的参数基本不变，因此在巡检机器人后臂旋转及升降的过程中，所受风载荷保持不变，等效为准静态风载荷。

根据准静态理论，横向风载荷F_x为：

F_x＝ραKK_bAv²/2 (19)

沿输电线方向的风载荷F_y为：

F_y＝ραKK_bA₀v²/2 (20)

将得到的横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y进行矢量相加，即得到巡检机器人在此过程中所受风载荷，风载荷的大小以及方向如下式(21)、(22)所示：

式中，F_f为巡检机器人所受风载荷；

式中，θ为巡检机器人所受风载荷的方向。

在本实施例中，取距离地面60m的野外环境，ρ＝1.226kg/m³，α＝0.85，K＝1.5,K_b＝1.71，将横向风力F_x化简为：

F_x＝1.336Av² (23)

将沿输电线方向的风载荷F_y化简为：

F_y＝1.336A₀v² (24)。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于巡检机器人旋转越障模式的风载荷等效计算方法，所述巡检机器人设置有前臂和后臂，其特征在于，包括如下步骤：

A1、建立巡检机器人所受风载荷模型，将巡检机器人所受风载荷分为横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y和升力F_z；

A2、根据双参数威布尔分布，建立随机风速模型，得到风速时程；

A3、针对巡检机器人处于不同的越障阶段，结合巡检机器人所受风载荷模型和随机风速模型，建立对应越障阶段下的风载荷等效拟合模型，得到风载荷等效计算方法；

所述越障阶段包括：巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段和巡检机器人越障阶段；

在巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段，根据准静态理论，巡检机器人所受横向风载荷F_x为：

F_x＝ραKK_bAv²/2 (7)

式中，ρ为空气密度，α为风速不均匀系数，K为空气动力系数，K_b为高空风速增大系数，A为迎风侧投影等效面积；

巡检机器人所受沿输电线方向的风载荷F_y为：

F_y＝ραKK_bA₀v²/2 (8)

式中，A₀为沿输电线方向投影等效面积；

将得到的横向风载荷F_x、沿输电线方向的风载荷F_y进行矢量相加，得到巡检机器人在此阶段中所受风载荷，风载荷的大小以及方向如下式(9)、(10)所示：

式中，F_f为巡检机器人所受风载荷；

式中，θ为巡检机器人所受风载荷的方向。

2.根据权利要求1所述的风载荷等效计算方法，其特征在于，所述步骤A2包括：

A21、根据双参数威布尔分布函数，获得风速均值和风速方差；

A22、通过风速均值和风速方差得到双参数威布尔分布的形状参数和尺度参数；

A23、根据形状参数和尺度参数，调用威布尔分布的随机数生成器wvlrnd来生成随机数据，进而得到相应的风速时程。

3.根据权利要求2所述的风载荷等效计算方法，其特征在于，所述步骤A21具体如下：

双参数威布尔分布的函数表达式如下式(1)所示：

式中，k为形状参数，无因次量；c为尺度参数，m/s；v为风速，m/s；

由式(1)得到风速均值的表达式，如下式(2)所示：

式中，E(v)为风速均值；

结合式(1)、式(2)得到风速方差的表达式，如下式(3)所示：

式中，D(v)为风速方差。

4.根据权利要求3所述的风载荷等效计算方法，其特征在于，所述步骤A22具体如下：

结合式(2)、式(3)得到风速均值与风速方差之间的关系，如式(4)所示：

形状参数的表达式如式(5)所示：

将式(5)代入式(2)得到尺寸参数的表达式，如式(6)所示：

5.根据权利要求1所述的风载荷等效计算方法，其特征在于，在巡检机器人越障阶段包括：巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人前臂的作用下旋转180°和巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人后臂的作用下升降。

6.根据权利要求5所述的风载荷等效计算方法，其特征在于，在巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人前臂的作用下旋转180°阶段，巡检机器人所受横向风载荷F_x为：

式中，ω为巡检机器人的前臂作用下的旋转角度，t为旋转时间，T为旋转周期；

巡检机器人所受沿输电线方向的风载荷F_y为：

F_y＝ραKK_bAv²/2·sin(ωt)+|ραKK_bA₀v²/2·cos(ωt)|0≤ωt≤T/2 (14)。

7.根据权利要求6所述的风载荷等效计算方法，其特征在于，在巡检机器人跨越垂直线夹时在巡检机器人后臂的作用下升降阶段，与巡检机器人本体结构与输电线方向一致阶段时，巡检机器人所受横向风载荷F_x和所受沿输电线方向的风载荷F_y相同。

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