基于增量式PID算法的变电站设备巡检机器人控制系统研究.pdf

第4 1卷 第8期2 0 2 3年8月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1 N o.8A u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 0 5 0 7作者简介:黄绪勇(1 9 7 4-),男,湖北大冶人,博士,高级工程师,研究方向为变电站智能机器人巡检技术、输变电设备状态监测及状态评估、电网智能巡检技术及大数据分析;王 欣(1 9 8 2-),男,上海人,硕士,高级工程师,研究方向为变电站巡检机器人技术、设备状态监测及状态评估、电网智能运维技术应用;唐 标(1 9 8 5-),男,云南个旧人,硕士,高级工程师,研究方向为仪表检测、变电站智能机器人巡检技术;林中爱(1 9 8 9-),女,江西南昌人,硕士,工程师,研究方向为电能计量自动化终端自动检测技术、电测计量;许守东(1 9 7 9-),男,云南腾冲人,硕士,高级工程师,研究方向为电力系统及其自动化、安全稳定控制系统。基于增量式P I D算法的变电站设备巡检机器人控制系统研究黄绪勇1,王 欣2,唐 标1,林中爱1,许守东1(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南 昆明 6 5 0 0 1 2;2.云南电网有限责任公司,云南 昆明 6 5 0 0 1 2)摘 要:为了避免巡检机器人巡检过程中发生安全隐患和故障,运行轨迹误差较大,提出了基于增量式P I D算法的变电站设备巡检机器人控制系统。运用R S 4 8 5与T C P/I P转换器保证主程序与机器人之间的联络,以高清摄像头、温湿度传感器采集变电站图像与温湿度。控制微处理器内PWM信号,将脉冲数传输给控制模块,得到实际与预期速度,输入到增量式P I D模型,应用遥控和机器人自身程序相结合,根据传回的变电站图像令机器人运行时可自主控制,实现精准的巡检任务。通过仿真实验,证明所提系统能够使机器人在巡检过程中平稳运行,运动轨迹误差小,控制效果佳。关键词:增量式P I D算法;变电站设备;巡检机器人;控制系统;温湿度传感器;电机驱动中图分类号:T P 2 4 2.6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 8 0 0 2 4 0 5R e s e a r c h o n C o n t r o l S y s t e m o f S u b s t a t i o n E q u i p m e n t I n s p e c t i o n R o b o t B a s e d o nI n c r e m e n t a l P I D A l g o r i t h mH U A N G X u y o n g1,WA N G X i n2,T A N G B i a o1,L I N Z h o n g a i1,X U S h o u d o n g1(1.E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Y u n n a n P o w e r G r i d C o.,L t d.,K u n m i n g 6 5 0 0 1 2,C h i n a;2.Y u n n a n P o w e r G r i d C o.,L t d.,K u n m i n g 6 5 0 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o a v o i d p o t e n t i a l s a f e t y h a z a r d s a n d f a u l t s i n t h e i n s p e c t i o n p r o c e s s o f i n s p e c t i o n r o b o t a n d l a r g e t r a j e c t o r y e r r o r,a c o n t r o l s y s t e m o f s u b s t a t i o n e q u i p m e n t i n s p e c t i o n r o b o t b a s e d o n i n c r e-m e n t a l P I D a l g o r i t h m i s p r o p o s e d.R S 4 8 5 a n d T C P/I P c o n v e r t e r a r e u s e d t o e n s u r e t h e c o mm u n i c a t i o n b e t w e e n t h e m a i n p r o g r a m a n d t h e r o b o t,a n d h i g h d e f i n i t i o n c a m e r a a n d t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y s e n-s o r a r e u s e d t o c o l l e c t s u b s t a t i o n i m a g e s a n d t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y.T h e PWM s i g n a l i n t h e m i c r o p r o-c e s s o r i s c o n t r o l l e d,t h e p u l s e n u m b e r i s t r a n s m i t t e d t o t h e c o n t r o l m o d u l e t o o b t a i n t h e a c t u a l a n d e x p e c-t e d s p e e d,a n d i n p u t t o t h e i n c r e m e n t a l P I D m o d e l.T h e r e m o t e c o n t r o l i s c o m b i n e d w i t h t h e r o b o ts o w n p r o g r a m,m a k i n g t h e r o b o t r u n i n d e p e n d e n t l y a c c o r d i n g t o t h e r e t u r n e d s u b s t a t i o n i m a g e,s o a s t o r e a l i z e t h e a c c u r a t e i n s p e c t i o n t a s k.T h r o u g h s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s,i t i s p r o v e d t h a t t h e p r o p o s e d s y s t e m c a n m a k e t h e r o b o t r u n s m o o t h l y i n t h e i n s p e c t i o n p r o c e s s,w i t h m i n i m a l t r a j e c t o r y e r r o r a n d e x c e l l e n t c o n t r o l e f f e c t.K e y w o r d s:i n c r e m e n t a l P I D a l g o r i t h m;s u b s t a t i o n e q u i p m e n t;i n s p e c t i o n r o b o t;c o n t r o l s y s t e m;t e m p e r-a t u r e a n d h u m i d i t y s e n s o r;m o t o r d r i v e42黄绪勇等:基于增量式P I D算法的变电站设备巡检机器人控制系统研究自动控制与检测0 引言巡检机器人在变电站安全稳定运行过程中,发挥着关键的作用1。为了避免变电站设备出现安全隐患或故障2,需要通过巡检机器人提前实行巡检工作,确保供电系统可以尽快恢复正常运行。且变电站内巡检机器人的研究和应用,为变电站的检测工作问题提供了较佳的解决方案3。巡检机器人的基本组成一般是红外热像仪4、可见光C C D和传感器等,其替换了人工检查,能够独立或直接控制设备开展巡检工作,工作时间可持续2 4 h,能及时察觉变电站设备反常情况,准确提供相关故障风险和诊断分析信息,提升变电站安全运行的可靠性,保障设备能够及时诊断和维修。董诗绘等5利用深度学习算法的奖励值模型,分析神经网络结构对机器人运行轨迹的影响,制定各种结构的神经网络,通过实验找到最合适的控制结果。张申毅等6将S TM 3 2 F 4 0 7 Z G T 6当作处理器,利用A D采样和光耦隔离等模块对机器人传感器信号采取处理,通过速度 位置双模式匹配运行控制方法和模糊控制器增强定位准度和响应速度,同时采用QT框架制定上位机监控画面,能够及时掌握机器人动态和传感器信息。但上述方法都没有考虑到机器人系统出现重启的情况,会影响运行控制,因此,本文提出一种基于增量式P I D算法的变电站设备巡检机器人控制系统。1 控制系统设计方案1.1 系统整体结构本文设计了增量式P I D变电站设备巡检机器人控制系统,系统总体结构如图1所示。?图1 系统总体结构由图1可知,该系统包括供电模块、数据采集模块、通信模块和控制模块。供电模块中使用动力锂离子电池作为电源,为系统内各模块提供动力,数据采集模块通过高清摄像机、局部放电探测器、红外热像仪以及温湿度传感采集器实行数据采集,传递给通信模块,通信模块中微处理器内发生PWM信号7,利用电机驱动系统掌控电机的速度与转轴,当电机启动之后,利用霍尔传感器检测电机脉冲数8,将数据传输给控制模块,通过计算得出电机实际转速,将获得的实际与预设转速全部代入到增量式P I D模型,P I D模型输出全新的PWM信号占空比,使电机转速和预设转速一致。总体控制方式是将角速度和线速度分开处理,先确保巡检机器人没有角速度的前提下,运行时可以直线行走,再加入角速度,确保巡检机器人可以依据指令实行相关操作。1.2 系统主要模块设计1.2.1 数据采集模块在系统信息收集设计中,若要实时地获取变电站各设备情况,那么就需通过D S 2 Z C N 2 0 0 6型高清摄像头采集影像,与此同时还要记录变电柜开关按键、闪烁灯等相关数据。变电站室内及设备的温湿度也是相对重要的,获取红外图像和变电柜温度信息需要利用红外摄像仪;利用专业温湿度传感器对变电站室内环境温湿度实施检测。1.2.2 供电模块对巡检机器人系统电源来说,一般动力锂离子电池9可以确保系统持续运行。在供电模块方面3路供电的对象有所不同:1路是提供电能供给主控芯片,另1路则要先转化为3.3 V电压再为运行控制器供给电能,剩余的1路要经过转化变为1 2 V电压才能为信号收集装置供电。在电源管理规划上,除了安排好各部分电源转化电路规划外,还要保障外接电源可以和锂电池衔接得较为完美,防止系统出现重启情况。另外,还应维护回路计划,在电源电路欠压或过流时确保系统供电平稳。1.2.3 通信模块通信模块中,需要应用R S 4 8 5和T C P/I P转换器才能保证主程序与机器人之间保持联络。在系统主控程序设计中,芯片与系统维持通信,处理输出信号,提供电机驱动信号,控制发动机转速。该芯片的核心是1个具有I/O端口1 0和内部资源的1 6位R I S C处理器。在系统运行操控设计中,因巡检机器人承担的任务较重,需要足够大的力矩和合适速度调整,所以利用直流电机实行驱动。结合多轴操控器对机器人水平机械臂与垂直机械臂实行控制。巡检机器人系统运行控制性能的实现,需利用机械手电522 0 2 3(8)机、电机驱动机、限位保护传感器和编码器等各种装置。本文将限位保护传感器和操控器相结合,运行操控器选用TM S 3 2 0 L F 2 4 0 7,其具有较大的伺服操控模式,能够较好地应用静态C MO S技术,使检测更准确,变电站设备检修效率更快,还能防止机器人在变电站空间内运行过程中对电力装置造成影响。1.2.4 控制模块控制模块中,机械手电机选择步进电机1 1。选用此类电机,能够在系统发生断电情况时,实行刹车功能,增强对机器人安全维护,防止其运行不平衡出现侧翻1 2。水平机械臂只是针对部分放电检测器的巡检,为此可应用Y 0 7 5 9 D 1 3 0 7 4型步进电机,扭矩是1.4 Nm,电机在正常情况下运行电压为2 4 V。由于巡检机器人在运行中发布指令,会使机器人的电机发生运转,产生机械传动,致使机器人路线存在偏差。因此还需要使用操控器对电机速度、转动方向和方位等实行调整,将编码器反应信号和发布指令展开对比,然后利用算法算出电机下一步速度和方位,使方位误差问题获得处理。在巡检机器人运行控制时,以微控制器为主要操控设备,利用增量式P I D算法,提升机器人直线运行的精准度。其基础原理是把闭环系统9得到的实际速度和期望的速度进行对比,通过计算得出两者之间存在的速度差,将该差值作为输入数据传输给P I D控制器,再利用控制器的 比例、微分和 积分1 3计算获得对应的误差补偿值,将已经补偿的控制信号传输给巡检机器人采取控制。增量式P I D算法表达式为u(k)=KPe(k)+KIe(k)+KDe(k)-e(k-1)(1)k为常数;u(k)为第k回控制器的输出;e(k)为第k回输入的误差;KP为比例常数,能够保证在系统产生误差时以最快时间响应;KI为积分常数,可以在出现误差时确保系统稳定;KD为微分常数,可给予调节度,增强系统动态属性1 4。假设 第k回 采 集 机 器 人 的 位 姿1 5形 态 是xR(k),yR(k),R(k)T,其 中,xR(k)、yR(k)分别为平面横纵坐标,R(k)为机器人行进角度。机器人轮子设置速度:左轮为vl、右轮为vr;系统对机器人底轮转速的采样周期1 6为T,采样周期内输出的脉冲数为Nl、Nr。若机器人是直线巡检,那么R(k)=0,l(k)、r(k)为左、右轮移动距离,经过计算,得出左、右轮实际输出速度vl和vr为:vl=l(k)T=Nl16 06 4 T(2)vr=r(k)T=Nr16 06 4 T(3)左、右的实际速度和预期设置速度的误差值为:el(k)=vl-vl(4)er(k)=vr-vr(5)将得出的误差值输入增量式P I D模型,获得下一时间传输给电机的转速,以此能够满足控制前提。通过机器人第k回的位姿形态,能够获得下一时间段的位姿为 xR(k+1),yR(k+1),R(k+1)T,利用微处理器将通信协议传输给上层系统,保障合理规划机器人运行姿态。控制系统基础是选用监控基站人工遥控1 71 8与机器人自身部分相结合的方法,令机器人能够很好解决电力巡检的问题。基站人员经过查看机器人在巡检中传回的现场图像数据,设置相关自动程序使机器人匍匐、越障,让机器人可以更好地收集变电站内的相关数据。1.2.5 控制模块工作流程基于上述增量式P I D算法,得到变电站设备巡检机器人控制模块的工作流程如图2所示。模拟总线运行,收集变电站红外温度传感器的温度。令/C S断开选择芯片,使MO D E导通变为并联形式。通过/WR写时序,选择系统通道,利用/C ONV S T上升时,将通道的A D改变。延时1 0 s变换结束,通过读/A D数据,利用串口将信息传给监控基站,再应用下一个通道采集温度传感器信号数据。/?CONVST/WR?10s/?WR?/?CSMODE?uart0/?RD?10s/?RD?10 sAD/CONVST?AD?10 s?Temp?0?00EINT图2 控制模块工作流程62黄绪勇等:基于增量式P I D算法的变电站设备巡检机器人控制系统研究自动控制与检测如图2所示,主程序是1个循环系统。关于A RM应用开发,首先要运转1段初始代码。其是在C P U还原之后以及输入主函数之前要求履行的1组编辑代码,应用在默认状态的硬件环境,包含基础程序进口地址、系统时间初始化、存储初始化以及中止矢量初始化等。输入主函数后,将串口0变为默认状态,设置串口波特率和运行轨迹。然后启动串口0接收中止和外部中止E I NT 0,最终实行温度收集函数迭代。若是串口0接收中止引发,代表收到监控基站发送的工作命令,那么就需要对系统实行解码,保证电机运行,令机器人在变电站地面自主匍匐、跨障;假如E I NT 0外部中止引发,会导致有限位开关信号的产生,那么操控系统就可以直接读取C P L D。2 仿真实验为了验证本文算法对变电站设备巡检机器人的控制效果,进行仿真实验。利用MA T L A B构建环境,巡检机器人为四轴机器人,角速度为0.6 4 r a d/s,线速度为0.3 2 m/s,机械手负载质量为5 0 k g,同步轮半径为1.5 c m,保持力矩为0.0 5 Nc m,减速比为15,其他实验参数如表1所示。表1 实验参数参数数值环境巡检范围/m3 03 0起始点坐标/m(5,0)终点坐标/m(2 5,3 0)系统设定电机转速/(rm i n-1)1 5 0 0模拟路径长度/m1 5 02.1 机器人运行轨迹分析本文选择1间实验室作为机器人的模拟巡检环境,分析其运行情况。机器人整体运行轨迹和部分运行轨迹如图3和图4所示,设置起始位置为实心圆形,终点为实心正方形,起点到终点为顺时针运行。353025201510500510152025303540X/mY/m图3 变电站设备巡检机器人整体运行轨迹路线30?3030?2530?2030?1530?1030?0530?0029?9529?9029?8529?8029?7529?7029?6529?60.151617181920212223X/mY/m图4 变电站设备巡检机器人部分运行轨迹路线由图3和图4可知,巡检机器人可以精准地抵达预期位置,实行巡检任务。在巡检机器人完成当前巡检点检测时,需要转移到下一点位,此时路程较长时,就会导致机器人运动中偏差较大,出现的原因可能是巡检机器人在移动中会加减速度,其本身的重量会导致产生惯性,从而形成误差。其在运行过程中,在X=1 6时,误差最大值为0.0 7 m;但总体来说,运行误差较小,基本控制在5 c m以内。2.2 避障控制准确率机器人避障准确率是准确避障次数与总次数之比。针对巡检机器人的机器人避障准确率进行分析,利用深度学习算法、双模式匹配运动控制算法以及本文算法进行比较,结果如图5所示。?10095908580757065605550102030405060708090?/?图5 避障控制准确率对比由图5可知,深度学习算法避障控制准确率曲线波动较大,最高避障控制准确率为7 7%,整体避障控制准确率较差,对机器人的控制效果不佳。双模式匹配运动控制算法下避障控制准确率范围保持在6 5%7 0%之间,且当实验次数为5 0次时,最高避障控制准确率为7 0%。稳定性较好,对巡检机器人自动控制效果较差。本文算法避障控制准确率曲线波动较为平稳,722 0 2 3(8)避障控制准确率在9 5%左右,当实验次数为9 0次时,最高避障控制准确率为9 7%,相比其他2种算法,本文算法避障控制准确率较高,这是由于增量式P I D算法对变电站设备巡检机器人的自动控制。虽然避障控制准确率存在些许微小波动,但是相对来说稳定性较佳,总体结果较为平稳。2.3 机器人运行角度误差分析采用本文方法在存在障碍物的情况下对变电站巡检机器人进行控制,测试结果如表2所示。表2 角度误差测试结果迭代次数角度误差/()第1次迭代0.1 3 5第2次迭代0.1 4 5第3次迭代0.1 5 5第4次迭代0.1 5 0第5次迭代0.1 2 9第6次迭代0.1 3 5 由表 1可知,采用本文设计的变电站设备巡检机器人控制系统在存在障碍物情况下对变电站巡检机器人进行控制时,获得的角度误差均在0.2 以内,表明本文设计的变电站设备巡检机器人控制系统的控制精度高。通过上述仿真实验,比较3种算法得知,本文提出的算法对机器人自动控制效果是最佳的,能够满足变电站电力巡检的工作,且具有稳定性。3 结束语本文设计了一种基于增量式P I D算法的变电站设备巡检机器人控制系统,通过数据采集模块收集数据,使用操控器对电机速度、转动方向和方位等实行调整,利用增量式P I D算法,将已经补偿的控制信号传输给巡检机器人并进行控制。经实验验证,该系统能够自动在变电站实行巡检任务,并且可以及时传输检测信息,提升了变电站巡检工作效率,保障巡检的避障控制准确率。参考文献:1 李荣,栾贻青,王海鹏,等.全向四驱变电站巡检机器人运动控 制 系 统 设 计 J.机 床 与 液 压,2 0 2 0,4 8(8):1 1 2 1 1 6.2 王怡爽,苑朝,翟永杰.一种新型架空输电线路巡检机器人的机构设计J.西北工业大学学报,2 0 2 0,3 8(5):1 1 0 5 1 1 1 1.3 邬蓉蓉,黎大健,覃剑,等.变电站室内柔索驱动巡检机器人系统设计与运动学分析J.电力系统保护与控制,2 0 2 1,4 9(1 0):8 9 9 7.4 李小彭,尚东阳,李凡杰,等.输电线巡检机器人位姿变化的柔性关节控制策略J.东北大学学报(自然科学版),2 0 2 0,4 1(1 1):1 5 7 7 1 5 8 3.5 董诗绘,牛彩雯,戴琨.基于深度强化学习的变电站巡检机器人自动化控制方法研究J.高压电器,2 0 2 1,5 7(2):1 7 2 1 7 7.6 张申毅,樊绍胜,程嘉翊,等.基于S TM 3 2的轨道式巡检机器人控制系统的设计J.仪 表技 术 与传 感器,2 0 2 0(9):9 3 9 7,1 1 6.7 郑亚红,于雪庭,马少华,等.变电站故障预警巡检机器人自主运动规划J.沈阳工业大学学报,2 0 2 1,4 3(1):6 1 1.8 姚楚阳,刘爽.一种可升降式变电站室内巡检机器人控制系统设计J.华东理工大学学报(自然科 学版),2 0 2 1,4 7(1):1 1 6 1 2 2.9 徐伟锋.煤矿巡检机器人自主导航轨迹纠偏控制研究J.煤炭技术,2 0 2 1,4 0(5):1 7 0 1 7 3.1 0 马飞越,刘佳豪,赵涛,等.电力巡检机器人运行姿态的终端滑模控制J.西南大学学报(自然科学版),2 0 2 1,4 3(1 2):1 7 2 1 7 9.1 1 马晓阳,米珂,杜巍,等.基于新型积分分离P I D控制算法的无刷直流电机控制系统J.电机与控制应用,2 0 2 0,4 7(4):3 0 3 4.1 2 洪向共,钟地长,赵庆敏.基于多传感器融合的陆空两栖机器人移动控制系统设计J.科学技术与工程,2 0 2 0,2 0(8):3 1 0 3 3 1 0 8.1 3 林显新.基于P I D控制的全向移动机器人运动连接系统仿真 研 究 J.食 品 与 机 械,2 0 2 1,3 7(3):1 0 21 0 4,1 1 1.1 4 黄加俊,卿兆波,张珠耀,等.基于激光S L AM的全方位移动机器人控制系统设计J.科技通报,2 0 2 0,3 6(7):8 1 8 5.1 5 孟彩茹,孙明扬,宋京.智能化坐姿监测机器人控制系统的研 究 J.机 械 设 计 与 制 造,2 0 2 1(1 2):2 7 32 7 6,2 8 1.1 6 段海峰,韩伟,江丽珍,等.基于工业机器人的开关柔性组装自动化系统设计J.制造技术与机床,2 0 2 0(3):1 3 1 6.1 7 郭文军,张卫彬,杨安志,等.燃煤机组尿素热解制氨脱硝系 统 运 行 分 析 及 优 化 J.内 蒙 古 电 力 技 术,2 0 2 1,3 9(2):9 7 1 0 0.1 8 胡春生,修瑞,王德.水泥地面打磨机器人运动控制系统设计J.电子技术应用,2 0 2 0,4 6(2):1 0 3 1 0 8.82