基于DPS的高压带电作业机器人控制系统设计.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023文章编号：10 0 7-7 57 X（2 0 2 3)10-0 0 6 8-0 5基金项目基于DPS的高压带电作业机器人控制系统设计微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期姜文东1，汤春俊，梁加凯，傅卓君，秦威南（1.国网浙江省电力有限公司，浙江，杭州310 0 0 0；2.国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江，金华32 10 0 0）摘要：由于高压带电作业机器人控制精度问题会影响作业效率和作业质量，为此设计基于DPS的高压带电作业机器人控制系统。系统采用下位机层、中间通信层、上位机层等3层系统框架。硬件部分以DPS摄像机采集的图像为基础，在DSP芯片控制下，通过电极带动驱动器控制高压带电作业机器人作业。在软件部分设计3个关键程序，即作业目标识别程序、高压带电作业机器人作业规划程序高压带电作业机器人位置控制程序。结果表明，应用所设计系统后，带电作业机器人实际作业路径与预期最佳路径之间的拟合优度基本维持在0.9以上，说明系统对高压带电作业机器人的控制效果好。关键词：DPS；高压带电作业机器人；硬件设计；程序设计；控制系统中图分类号：TP254.8Design of High Voltage Live Working Robot Control System Based on DPSJIANG Wendong,TANG Chunjun,LIANG Jiakai?,FU Zhuojun,QIN Weinan(1,State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.,Hangzhou 3100o0,China;2.Jinhua Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.,Jinhua 3210oo0,China)Abstract:Because control accuracy of the high-voltage live working robot affects the work efficiency and quality,a DPS-basedhigh-voltage live working robot control system is designed.The system is a three-layer framework of the lower computer layer,the intermediate communication layer and the upper computer layer.The hardware part is based on the image collected by theDPS camera,and under the control of the DSP chip,the electrode drives the driver to control the operation of the high-voltagelive working robot.In the software part,three key programs are designed,namely the operation target recognition program,the operation planning program of the high-voltage live working robot,and the position control program of the high-voltage liveworking robot.The results show that under the application of the designed system,the goodness of fit between the actualworking path and the expected optimal path of the live working robot is basically maintained up to 0.9,indicating that the sys-tem has a good control effect on the high-voltage live working robot.Key words:DPS;high voltage live working robot;hardware design;programming;control system0引言高压线是电力系统中配电环节的重要组成设备。在室外环境下，高压线路难免会出现故障问题，而一旦发生故障，不仅影响了供电可靠性，还由于需要维修人员攀爬到高空，在高压环境中进行作业，危险性极高，给维修人员带来生命安全威胁！。在此背景下，为了提升供电可靠性，减少停电带来的损失，同时降低高压线路维修的风险，提高维修作业效率，开发了一种高压带电作业机器人。这种机器人在工作人员的操作下，代替作业人员进行高压电路维修，但这种机器人开发较晚，其控制力并不是很好，容易出现控制偏差，会基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（52 11JH18008A)作者简介：姜文东（197 8 一），男，硕士，高级工程师，研究方向为输电线路运检管理、带电作业技术；汤春俊（197 9一），男，硕士，高级工程师，研究方向为输电线路运检管理、带电作业技术；梁加凯（198 8 一），男，本科，工程师，研究方向为输电线路运检管理、带电作业技术；傅卓君（1995一），男，本科，助理工程师，研究方向为输电线路带电作业技术；秦威南（198 7 一），男，硕士，工程师，研究方向为输电线路运检安全监察管理。文献标志码：A影响作业的效率和质量2。针对上述问题，如何提高高压带电作业机器人控制性能成为研究的重点。关于这一问题，很多专家和学者进行了相关研究，例如：王凯丰等3针对高压电力廊道巡检机器人设计了一种控制系统，在该系统中运用了多种传感器以保证控制效果，但是同时运用多种传感器时，如何进行协调、降低控制系统运行压力成为一大难题；江维等设计了一种双闭环自主定位控制系统，该系统将BP网络和视觉伺服相结合，实现了机械手运行地精准控制，但是双闭环处理影响了作业效率。结合前人研究经验，本文基于DPS设计一种高压带电68.Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023作业机器人控制系统。DPS是一种数字像素处理技术，具有很强的图像捕获和处理性能，在光线落差较大的环境中也能有效识别目标物体。将该技术应用到所设计的控制系统当中，以期提高高压带电作业机器人的控制精度。1基于DPS的高压带电作业机器人控制系统1.1系统整体框架设计基于DPS的高压带电作业机器人控制系统框架设计主要分为3层，即下位机层、中间通信层以及上位机层7。（1）下位机层。下位机层主要负责两部分内容，分别是采集信息和执行命令。（2）中间通信层。中间通信层负责连接下位机层和上位机层，实现二者之间的交互通信。（3）上位机层。上位机层负责机器人整体控制命令生成、输出，对下位机层中的各个物理设备进行协调控制8。1.2系统硬件设计1.2.1DPS摄像机DPS摄像机为控制系统的“眼晴”，主要作用是为控制指令的生成提供可靠的目标数据和障碍数据9。简单地说，DPS摄像机起到了数据信息采集的作用。与一般的摄像机相比，DPS摄像机抗干扰性更强，采集到的图像更加清晰，且适合各种场合。DPS摄像机具体技术参数如表1所示。表1DPS摄像机体技术参数名称技术参数总像素1.4 M 1312(H)X1069(V)扫描方式2:1隔行扫描扫描范围4.8 mm(H)X3.6 mm(V)水平：15.6 2 5kHz扫描频率垂直：50 Hz清晰度水平：6 0 0 线以上垂直：40 0 线以上（中心）信噪比50dB白平衡ATW1/ATW2/AWC光量控制ALC/ALC+/ELC水平：50 0 线以上清晰度垂直：30 0 线以上（中心）0.05LuxF1.2(彩色）最低照度0.005LuxF1.2(黑白)中心管理软件SmartViewer4.0/SSM工作环境温度-10+50工作环境湿度90%以下（无结露）1.2.2DSP控制芯片控制系统的核心是DSP控制芯片，其性能直接影响控制系统的控制效果10 1。本系统中的控制芯片为DSP控制芯基金项目片，该芯片以TMS320F2812为MCU，主频高达150 MHz，具有集成性强、性能强、运算效率高等优点。控制芯片硬件组成框图如图1所示。125k内部Flash20kRAM4K引导ROM时间管理器GPIOSCI-A图1DSP控制芯片硬件组成框图1.2.3电机电机的作用是产生驱动转矩，以驱动机器运动，是动力来源11。本控制系统的电机为雷赛步进电机57 HS22-A,该电机相关参数如表2 所示。表2 雷赛步进电机57 HS22-A参数表名称相数机座保持力矩步距角电感电阻额定电流转子惯量步距精度耐压环境温度1.2.4驱动器驱动器在本系统当中起到的作用是在电机的带动下驱动高压带电作业机器人工作12。本系统中的驱动器为DM542,该驱动器具体功能特点如下：(1）低导通电阻RDS(ON),2.5A峰值电流输出；（2）支持插补细分功能，自动插补到2 56 细分；（3）支持电压衰减，静音工作，圆滑运动；（4）兼容3.3V和5V逻辑电平；（5）过热关断功能；（6）输出过流保护。1.2.5无线通信模块无线通信模块是下位机和上位机连接的载体，实现了数据上传和控制指令下达13。本系统中的无线通信模块为UT-930-ZigBee，它具有通信距离远、抗干扰能力强、组网灵活、收发一体、稳定可靠等优点和特性。模块内置天线，覆盖范围可达30 英尺，支持4Mibit/s高速连传，默认波特率为96 0 0。69.微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期存储中断总线管理32位DPS外设总线金12位ADC看门狗McBSPCAN2.0SCI-BSPI参数5605.0Nm1.51.5 mH0.3025A0.45kg/cm+5%(整步、空载)500VACforoneminute-10+50F2812Microcomputer Applications Vol.39,No.10,20231.3系统运行程序设计本文所设计系统包括3个关键程序，即作业目标识别程序、作业规划程序、位置控制程序14。下面针对这3个程序进行具体分析。1.3.1作业目标识别程序作业目标识别程序是控制系统的首要程序，后续所有程序的运行都是参照该程序识别出的作业目标进行的。作业目标识别程序以DPS摄像机采集到的图像为基础，对图像进行预处理，提取作业目标特征，利用YOLOv3算法进行作业目标分类识别。具体过程如下。步骤1DPS摄像机初始化。步骤2DPS摄像机参数标定。步骤3拍摄图像。步骤4图像上传。步骤5图像预处理：图像灰度化；图像去噪；图像增强。步骤6图像分割。步骤7利用Ratio算法进行目标特征提取，包括纹理特征、几何特征等。步骤8 基于提取的特征，利用YOLOv3算法进行作业目标分类识别。在明确作业目标指标之后，确定图像中目标中心点的坐标，然后将其代人摄像机成像模型当中，计算出该作业目标的三维坐标。1.3.2作业规划程序作业规划程序基于作业目标的三维坐标，规划高压带电作业机器人的最佳运行路径。最佳路径的规划以时间最优为目标，建立数学模型：minY=(max/,/ajmaxs.t.(max/s,/bjmax式中，代表优化变量，n代表高压带电作业机器人机械臂关节数量，ajmax代表高压带电作业机器人第i个关节允许的最大速度，bimax代表高压带电作业机器人第i个关节允许的最大加速度，、代表每个关节在t时刻的实际角速度、角加速度。采用粒子群算法对上述构建的数学模型进行求解，具体求解流程如图2 所示。1.3.3位置控制程序位置控制程序基于作业规划方案，控制带电作业机器人执行命令，进行高压线路修护。控制程序如图3所示。在高压带电作业机器人位置控制程序中，模糊PID控制器是关键，主要作用是不断调整机器人实际运行位置，使得与预期之间的偏差不断减小，以提高机器人运行准确性。如图3所示，利用上文求得的高压带电作业机器人作业方案设置控制指令，规划机器人当前位置，检测其目标位置，利用模糊PID控制器对机器人各关节进行调节，当机器人当前位置与目标位置之间误差为0 时，输出高压带电作业机器人位置控制结果。基金项目机械人各模糊PID关节调节控制器(1)图3高压带电作业机器人位置控制程序2系统实现与测试2.1系统测试环境搭建以一个六自由度带电作业机器人为控制对象，结合地面基站，基于所设计的控制系统，对某处高压线路进行更换作业，如图4所示。图4系统测试环境六自由度带电作业机器人基本技术指标如表3所示。70.微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期开始初始化立随机产生粒子速度和位置立结束计算粒子适应度值是工立找到粒子个体最优是否结束解和全局最优解香更新粒子的速度和位置评估每个粒子的函数适应值更新每个粒子历史最优位置更新全体的全局最优位置图2 粒子群算法求解流程开始读取电机参数高压带电作业机器人作业规划方案运动学模型立发送控制指令机器人当前位姿目标位置检测机器人运行文误差是否为0工是结束Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023表3六自由度带电作业机器人基本技术指标名称控制方式控制距离移动方式移动速度驱动方式回转角度作业半径升降机构2.2控制参数设置高压带电作业机器人控制参数设置如表4所示。表4高压带电作业机器人控制参数名称控制参数初始速度0.20 m/s初始角度0.00运行加速度0.10 m/s运行减速度0.10 m/s机械人末端位置(0,0,0)作业时间10 min基金项目参数地面遥控大于2 0 m挂车式4m/s液压40200500mm双层剪叉式升降机构微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期6543216543/m210图6 六自由度带电作业机器人实际作业路径将图6 与图5进行对比，计算2 条曲线之间的拟合优度，结果如图7 所示。从图7 可以看出，带电作业机器人实际作业路径与预期最佳路径之间的拟合优度基本维持在0.9以上，说明本系统的控制效果较好，使得带电作业机器人运行路径接近预期，控制精度较高。其中，拟合优度取值0 1，越靠近1，说明机器人运行越靠近预期，其控制效果越好。1.00.80.6八起始点点432X/m52.3高压带电作业机器人作业最佳路径粒子群算法参数设置如下：粒子群范围为2 0；粒子学习能力影响因子为2.0；控制因子为5；惯性影响因子为0.5；最大送代次数为50 0 次。利用粒子群算法求解高压带电作业机器人作业预期最佳路径，结果如图5所示。654w/Z32106543X/m21图5高压带电作业机器人作业预期最佳路径由图5可知，高压带电作业机器人作业路径为巡检路径，从起始点开始，经过巡检到达终点。2.4高压带电作业机器人控制精度借助MATLAB中的Simulink工具箱搭建模糊PID控制器，然后在该控制器控制下命令六自由度带电作业机器人按照图5给出的最佳路径进行作业。实际作业路径如图6所示。0.40.203总结高压线路维护是一项复杂且危险的工作，带电作业机器人的开发和应用提高了高压线路维护工作效率，降低了工作起始点危险性。然而，目前带电作业机器人的控制效果较差，经常终点与预期存在偏差。针对上述问题，,本文设计了一种基于DPS的高压带电作业机器人控制系统。该系统基于DPS确定作业目标，然后针对目标设计最佳运行线路，最后在模糊PID4控制器控制下实现机器人高精度控制。通过系统实现与测3Ylm210112时间/min图7拟合优度试，证明了所设计系统的控制精度。然而，本系统仍有一些工作需要继续完善，即操作功能需要进一步扩展、自动化程度有待提高。1彭向阳，金亮，王锐，等.变电站机器人智能巡检技术及应用效果J.高压电器，2 0 19,55（4）：2 2 3-2 32.2 DEKA N,SUBRAMANIAN V.On-chip Fully Inte-grated Field Emission Arrays for High-voltage MEMSApplicationsJJ.IEEE Transactions on Electron De-vices,2020,67(9):3753-3760.71.3参考文献45Microcomputer Applications Vol.39,No.10,20233王凯丰，王忠强，谢丽蓉，等.高压电力廊道巡检机器人控制系统研究J.电子技术应用，2 0 19，45（8)：87-90.江维，周志远，陈伟，等.高压电缆移动作业机器人机械手双闭环自主定位控制J.北京理工大学学报，2019,39(6):589-596.5李稳，邹德华，汪志刚，等.用于特高压带电作业的碳纤维通用闭式卡设计及研制J.电力科学与技术学报,2 0 19,34(1):16 0-16 5.6 J DU L,GUO Y F,ZHANG J,et 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