CN113334373B - 变电站室内自动巡检机器人系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，包括以下步骤：获取动平台现在的坐标位置；设定动平台的目标位置；根据机器人现在的坐标位置和目标位置，计算动平台移动到目标位置所需的绳索长度；根据计算的绳索长度，控制传动机构工作，使绳索调整到计算的长度。本发明通过增加柔索的方式能够改善双臂式巡检机器人手臂关节的受力状态，提高其承担重力载荷的能力。利用运动控制系统、伺服驱动系统和柔索对巡检机器人进行定位，实现了长时间悬停和垂直高度移动的精准控制。

Description

变电站室内自动巡检机器人系统控制方法

技术领域

本发明涉及变电站室内巡检技术领域，特别涉及变电站室内自动巡检机器人系统控制方法。

背景技术

目前，变电站室内开关柜设备和二次设备等室内设备主要依靠人工巡视，存在巡视周期长、效率较低、信号容易漏检等问题，而且也存在无法及时反馈巡检数据的问题。为了提高巡检效率，巡检机器人应运而生。巡检机器人成为了对设备实施正常巡检、全面巡检、熄灯巡检和特殊巡检等的关键设施，是变电站实现无人值守的有效手段。巡检机器人需对变电站室内设备，如变换器、断路器、真空开关及电力线等实施监控，对设备运行情况和数据读取是否正常等进行检测。开发和研制变电站巡检机器人，是时下电力部门和科研院校的研究热点，但仍然存在系统功能不完善、运动系统误差大、巡检点位覆盖范围窄、无法长时间悬停实现定点巡检等问题。

近几年针对室内巡检机器人的研究中，地面式巡检机器人和固定轨道悬挂机器人取得了一定的效果，但二者调节垂直高度相对困难，仍然无法完全替代人工巡检。

发明内容

本发明的目的是提供变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，基于固定轨道悬挂机器人进行改进，可以解决现有技术中巡检机器人无法长时间悬停以及调节垂直高度相对困难的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取动平台现在的坐标位置；

步骤S2、设定动平台的目标位置；

步骤S3、根据机器人现在的坐标位置和目标位置，计算动平台移动到目标位置所需的绳索长度；

步骤S4、根据计算的绳索长度，控制传动机构工作，使绳索调整到计算的长度。

进一步的，所述动平台随着绳索长度的变化进行水平或垂直运动。

进一步的，所述绳索为4根，其一端固定在动平台上，另一端缠绕在传动机构上，长度随传动机构的转动而变化。

进一步的，所述计算动平台移动到目标位置所需的绳索长度的公式为：

其中：L₁、L₂、L₃、L₄表示4根绳索的长度；

a₁、b₁表示L₁两个端点的位置矢量；

a₂、b₂表示L₂两个端点的位置矢量；

a₃、b₃表示L₃两个端点的位置矢量；

a₄、b₄表示L₄两个端点的位置矢量；

c表示动平台质心的位置矢量，c_x、c_y、c_z表示动平台质心的坐标；

l为坐标原点O到A₁A₂中心点或A₃A₄中心点的距离，n为A₃A₄距离的一半，k为A₁A₂距离的一半，h为动平台质心至动平台上表面的距离，其中A₁、A₂、A₃、A₄为4根绳索一端端点。

进一步的，所述获取动平台现在的坐标位置是通过机器视觉单元获取的，所述机器视觉单元包括双目相机和红外LED点阵光源。

本发明的变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，在双臂巡检机器人关节型手臂机构中，通过增加柔索的方式能够改善双臂式巡检机器人手臂关节的受力状态，提高其承担重力载荷的能力。利用运动控制系统、伺服驱动系统和柔索对巡检机器人进行定位，实现了长时间悬停和垂直高度移动的精准控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为变电站室内自动巡检机器人系统的组成框架图；

图2为本发明的传动机构和动平台的连接结构示意图；

图3为本发明的绳索结构的投影图；

图4为动平台垂直移动的示意图；

图5为动平台水平移动的示意图；

图6为本发明的变电站室内自动巡检机器人系统控制方法步骤图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明的变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，是基于图1所示的变电站室内自动巡检机器人系统来实现的，系统包括运动控制单元1、伺服驱动单元2、传动机构3、动平台4和机器视觉单元5，机器视觉单元用于动平台的位置测量，将位置测量信息发送给上位机。上位机根据动平台的现在位置和目标位置，发送运动控制命令给运动控制单元。运动控制单元接收上位机发送的运动控制命令，处理后形成控制信号并发送给伺服驱动单元；伺服驱动单元根据控制信号控制传动机构，由传动机构带动动平台进行运动。动平台用于检测变电站室内设备。

本发明的变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取动平台现在的坐标位置。

通过机器视觉单元获取动平台的坐标位置，机器视觉单元包括双目相机和红外LED点阵光源。

双目立体视觉，通过图像处理获取空间场景深度信息，精度较高。双目视觉实施位置测量时，首先要在动平台表面粘贴编码标志点，通过测量其位置信息实现动平台位置的解算。通过图像处理算法精确获取编码标志点中心在相机投影图像的二维像素坐标，再将像素坐标与编码标志点的三维坐标正确匹配，此时提取的二维像素坐标点的精确程度与位置解算精度正相关。

动平台悬挂的传动机构上，传动机构包括运动装置和两组绳索，两组绳索的一端连接在运动装置上，另一端连接在动平台上。运动装置根据伺服驱动单元的驱动而运动，两组绳索的长度随着运动装置的运动而缩短或变长，动平台随着绳索长度的变化进行水平或垂直运动。

进一步的，运动装置为控制绳索伸长或缩短的装置。包括但不限于两组滚筒、两组滑轮或者一组滚筒和一组滑轮的组合。

以一组滚筒和一组滑轮的组合为例进行说明，第一组绳索的一端固定在滚筒上，随着滚筒的滚动缠绕在滚筒上或从滚筒上解缠绕，第二组绳索的一端固定在滑轮上，随着滑轮的滚动缠绕在滑轮上或从滑轮上解缠绕。两组绳索的另一端固定在动平台上，两组绳索随着缠绕或解缠绕进行缩短或伸长。绳索的缩短或伸长会带动动平台移动。

如图3所示，为绳索结构的投影图，图中的L1、L2、L3和L4为四根绳索，其中L1和L2为一组，L3和L4为一组。C为动平台的中心点。

步骤S2、设定动平台的目标位置。

动平台用于检测变电站室内设备，在检测过程中，由于不同室内设备的摆放位置不同，所以动平台需要水平或垂直运动，以满足不同设备的检测位置需求。如图2所示，为绳索控制动平台悬停的示意图，C为动平台的中心位置，视为动平台现在的位置。如图4所示，假设动平台需从C垂直移动到C′，那C′就是目标位置。假设动平台需从C垂直移动到C″，那C″就是目标位置。

步骤S3、根据机器人现在的坐标位置和目标位置，计算动平台移动到目标位置所需的绳索长度。

动平台由4根柔性绳索悬挂，如图2所示，柔性绳索一端端点A_i(i＝1,2,3,4)固定于坐标系OXYZ中，另一端端点B_i(i＝1,2,3,4)与动平台固连，动平台质心坐标为C(c_x,c_y,c_z)。设向量a_i＝A_i-O、b_i＝B_i-C、c＝C-O，第i根绳索的长度可表示为L_i＝a_i-c-b_i。知道绳索的长度即可求得绳索的方向矢量为u_i＝a_i-c-b_i/L_i。巡检机器人动平台运动位置的改变需同时控制4根柔性绳索改变长度来实现。因此，||a₁-a₂||＝||b₁-b₂||、||a₃-a₄||＝||b₃-b₄||。

图3为柔性承载机构的平面投影视图。为简化计算，设平面A₁A₂A₃A₄与XY平面重合，且OX轴与线A₁A₂重合并指向右侧。相对于坐标系OXYZ，A_i点的位置矢量为：a₁＝[l+k 0 0]^T、a₂＝[l-k 0 0]^T、a₃＝[-l -n 0]^T和a₄＝[-l n 0]^T，l为坐标原点O到A₁A₂中心点或A₃A₄中心点的距离，n为A₃A₄距离的一半，k为A₁A₂距离的一半。动平台质心C的位置矢量为c＝[c_x c_yc_z]^T。相对于坐标系Cxyz，B_i点的位置矢量为：b₁＝[k 0 -h]^T、b₂＝[-k 0 -h]^T、b₃＝[b_x -n -h]^T和b₄＝[b_x n -h]^T，其中b_x为B₃在Cxyz坐标系中沿x方向的给定值。根据上述求得绳索长度矢量：

其中，h为动平台质心C至动平台上表面的距离。

步骤S4、根据计算的绳索长度，控制传动机构工作，使绳索调整到计算的长度。

上位机发送运动控制命令给运动控制单元。运动控制单元接收上位机发送的运动控制命令，处理后形成控制信号并发送给伺服驱动单元；伺服驱动单元根据控制信号控制传动机构动作，传动机构动作产生绳索的长度变化。

实时调节4根绳索的长度。在图4中，动平台沿竖直向上方向定点停车，即动平台由初始位置C向上运动到位置C′，相应绳长由L_i变为L_i′；动平台沿竖直向下方向定点停车，即动平台由初始位置C向下运动到位置C″，相应绳长由L_i变为L_i″。动平台完成水平方向定点停车，可分为水平向左和水平向右两个方向的定点运动。在图5中，动平台沿水平向左方向定点停车，即动平台由初始位置C向左运动到位置C′，相应绳长由L_i变为L_i′；动平台沿水平向右方向定点停车，即动平台由初始位置C向右运动到位置C″，相应绳长由L_i变为L_i″。动平台竖直向上运动，即图4中动平台由位置C运动到位置C′时，绳索L1和绳索L2、绳索L3和绳索L4的长度变化趋势保持一致，均逐渐变短，但绳索L1和绳索L2的长度始终小于绳索L3和绳索L4的长度。动平台水平向左运动，即图5中动平台由位置C运动到位置C′时，绳索L1和绳索L2、绳索L3和绳索L4的长度变化趋势相反，绳索L1和绳索L2的长度变长，绳索L3和绳索L4的长度变短。

运动控制单元包括控制器、运动控制卡和运动接口卡，运动控制卡分别与控制器和运动接口卡电连接，运动控制卡接收上位机发送的运动控制命令，并将运动控制命令发送给控制器11，控制器11经过处理后输出控制信号，控制信号通过运动控制卡12发送给运动接口卡13，运动接口卡13的输出端输出控制信号控制伺服驱动单元2。

本申请的运动控制单元的工作原理为：

控制器11是一款PXI Express嵌入式控制器，其处理器内核为2.53GHz IntelCore 2Duo T9400双核处理器，内存容量为1GB，最大配置为4GB单通道800MHz DDR2内存和6M的L2超高速缓存。运动控制卡12是一款具备双处理器能实现嵌入式实时控制，并能提供完全可编程运动控制，最多可同时实现8轴独立控制的高性能运动控制卡。运动接口卡13为通用运动接口卡，与运动控制卡配合使用，可同时实现4轴独立控制，满足4柔索驱动巡检机器人的使用要求。运动接口卡13作为运动控制卡12和伺服驱动单元2的转接板，主要功能是接收控制信号，如上限位、下限位、左限位、右限位、原点信号等，控制伺服驱动单元。运动控制卡是运动控制系统的控制核心，运动控制命令的执行情况，很大程度上取决于运动控制卡的处理性能和控制卡参数设定的优劣，它接收上位机发送的运动控制命令，经控制器处理并传递到伺服系统。

进一步的，在本申请的一种优选实施方式中，伺服驱动单元2包括伺服电机和伺服驱动器，伺服驱动器根据控制信号控制伺服电机进行相应的动作。伺服驱动器至少包括位置控制器、速度控制器和电流控制器。

本申请中，伺服电机采用交流伺服电机作为执行电动机。与步进电机相比，伺服电机的性能具有控制精度高、过载能力强、运行性能可靠、速度响应性能优良等优点。由于交流伺服电机本身结构简单、坚固耐用、体积小、质量轻，无机械换向，维护少等优点，所以选用交流伺服电机作为伺服电机。

本申请中，与伺服电机相匹配的伺服驱动器可采用三环控制方式，即电流控制模式、速度控制模式和位置控制模式，分别为三个PID闭环反馈调节系统。当系统需要较高的位置精度时，采用速度控制模式或位置控制模式，通过伺服电机的旋转编码器检测速度或位置信号构成位置负反馈，通过PID调节实际转速或实际位置，减小和指令位置间的误差值。

进一步的，伺服驱动单元还包括供电系统，包括变压器T、滤波器Z、自动空气断路器Q和开关KM。变压器原边连接三相交流电压，副边连接滤波器Z的输入端，滤波器Z的输出端经开关KM后连接自动空气断路器Q的一端，自动空气断路器Q的另一端为伺服驱动单元供电。

伺服驱动器的工作电压为220V的三相交流电。为使伺服驱动单元正常运行，需要设计安全可靠稳定的供电系统。设计的电气系统中，空气断路器Q选用施耐德C65N微型断路器，容量为32A，配备施耐德Vigi C65 ELE型漏电保护器。伺服变压器T选用SANO IST-C-050型三相智能伺服变压器，容量为5.0kw。伺服滤波器Z选用SANO4-030A3803伺服专用军品滤波器，容量为30A，该滤波器能够有效地抑制连接线与连接线之间以及连接线与地之间的电磁干扰，提高伺服驱动系统的工作稳定性。以上元器件的选型只是为了说明方便，不能用于限定本发明。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、获取动平台现在的坐标位置；

步骤S2、设定动平台的目标位置；

步骤S3、根据机器人现在的坐标位置和目标位置，计算动平台移动到目标位置所需的绳索长度；

步骤S4、根据计算的绳索长度，控制传动机构工作，使绳索调整到计算的长度；

所述计算动平台移动到目标位置所需的绳索长度的公式为：

其中：L₁、L₂、L₃、L₄表示4根绳索的长度；

a₁、b₁表示L₁两个端点的位置矢量；

a₂、b₂表示L₂两个端点的位置矢量；

a₃、b₃表示L₃两个端点的位置矢量；

a₄、b₄表示L₄两个端点的位置矢量；

c表示动平台质心的位置矢量，c_x、c_y、c_z表示动平台质心的坐标；

l为坐标原点O到A₁A₂中心点或A₃A₄中心点的距离，n为A₃A₄距离的一半，k为A₁A₂距离的一半，h为动平台质心至动平台上表面的距离，其中A₁、A₂、A₃、A₄为4根绳索一端端点。

2.根据权利要求1所述的变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，其特征在于，所述动平台随着绳索长度的变化进行水平或垂直运动。

3.根据权利要求2所述的变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，其特征在于，所述绳索为4根，其一端固定在动平台上，另一端缠绕在传动机构上，长度随传动机构的转动而变化。

4.根据权利要求1所述的变电站室内自动巡检机器人系统控制方法，其特征在于，所述获取动平台现在的坐标位置是通过机器视觉单元获取的，所述机器视觉单元包括双目相机和红外LED点阵光源。

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