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输电线路除冰机器人越障规划与跟踪方法研究

陈彦杰  
【摘要】:近些年来,冬季恶劣的天气条件会导致输电线路上积雪和覆冰,严重时引起线路跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故,给国家经济造成了巨大的损失,也给人民生活带来了极大的不便。因此,研究和开发输电线路除冰机器人具有迫切的需求和极大的意义。本论文针对除冰机器人的特殊工作环境,对除冰机器人越障规划策略和轨迹跟踪方法进行研究。全文主要工作包括以下几个方面。 论文首先系统介绍了除冰机器人的研究背景和意义,综述了国内外除冰机器人的研究发展现状,并详细分析了除冰机器人自主越障的研究难点和关键技术。在第二部分,论文详细介绍了自主研制的三臂式除冰机器人的机械结构、控制系统组成及其硬件选择和软件设计,并利用MATLAB建立了主要研究对象除冰机器人机械臂的运动学和动力学模型。 除冰机器人机械臂动作时除了具有一定工作负载外,还受到自重的影响,重力的非线性影响对机械臂控制产生了一定的困扰。传统的固定值重力补偿和近似值重力补偿具有补偿不精确、实时性差的缺陷,难以满足机械臂控制性能要求。本文基于空间几何学和理论力学原理,提出了一种精确的在线重力补偿策略,将其与PD控制律结合,设计了一种具有在线精确重力补偿的PD控制律,并利用李雅普若夫定理证明其稳定性,最后通过仿真验证其有效性和优越性。 在除冰机器人机械臂稳定控制和良好跟踪性能的基础上,针对除冰机器人上线工作时的遇障问题,结合模糊逻辑思想,提出了基于模糊逻辑的除冰机器人机械臂越障规划策略。该方法通过激光雷达获得周围工作环境信息,将机械臂的末端坐标误差和遇障判断信息作为模糊规划器输入,把除冰机器人的工作状态分为安全模式和危险模式,不同工作模式输出不同的关节规划角。仿真结果表明,该规划策略在两种模式下均能保证除冰机器人机械臂的有效动作,而且危险模式下具有较好的越障性能。 另外,考虑到模糊规划路径的冗余度问题,将粒子群算法引入用于优化模糊规划参数,设计了基于粒子群和模糊逻辑的除冰机器人越障规划策略。利用粒子群算法的优化性能,通过设置路径最短和目标点吸引的适应度函数,对模糊规划的关节角度进行实时优化,以降低规划轨迹的冗余度。通过仿真实验对比验证了该思路的有效性,经过粒子群优化后的轨迹冗余度更低,更有利于除冰机器人在线长期工作。


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