输电线路巡检机器人运动规划与控制研究

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题名	输电线路巡检机器人运动规划与控制研究
作者	郭伟斌
学位类别	博士
答辩日期	2012-05-14
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	中国科学院沈阳自动化研究所
导师	王洪光
关键词	输电线巡检机器人人机交互自主规划自动抓线视觉伺服
其他题名	Research on Motion Planning and Control for a Power Transmission Line Inspection Robot
学位专业	机械电子工程
中文摘要	输电线路巡检机器人是一种在野外现场环境下对超高压输电设施进行带电巡检作业的特种机器人。本文主要围绕863计划项目“超高压输电线路巡检机器人技术与系统”开展研究工作，其目的是为了提高机器人的自主行走与越障能力，解决操作员与机器人交互困难的问题，增强机器人的可操作性、安全性和实用性。首先综述了巡检机器人的研究发展现状，重点总结了越障规划与控制技术研究。在介绍了本文研制的机器人系统构成与运动学模型的基础上，重点开展了三方面的研究工作：(1)针对越障过程的复杂性和不确定性，提出了一种基于离散事件动态系统(Discrete Event Dynamic Systems, DEDS)理论的越障规划方法，研究并建立了越障运动的有限状态机模型。(2)针对轮臂复合式巡检机器人自动越障中行走轮可靠抓线的问题，提出了一种无需标定的基于图像的视觉伺服自动抓线控制方法。(3)针对巡检机器人遥控与局部自主相结合的控制特点，提出了一种具有多层交互能力的人机交互(Human Robot Interaction, HRI)方法。最后，进行了机器人系统实验对上述所提出的方法进行验证。输电线路巡检机器人系统由机器人本体和地面基站构成，操作员通过与地面基站的人机交互实现对巡检机器人的监控。人机交互系统是研究巡检机器人人机交互的基础。建立了环境模型和机器人的运动模型，并进行仿真分析，为巡检机器人运动规划与自动抓线控制打下了基础。开展了巡检机器人自动越障规划研究。针对越障过程的复杂性，提出了一种基于离散事件动态系统理论(DEDS)的事件反馈运动规划方法。该方法通过将巡检机器人越障运动过程划分为若干关键位姿，将关键位姿描述为越障过程中的若干状态，将传感器反馈、机器人运动和操作者监控等描述为离散事件，通过控制受控事件使越障过程满足预定的目标。分别针对机器人的几种越障模式建立了相应的越障运动有限状态机(Finite State Machine, FSM)模型，并讨论了不同辅助导轨型式对机构和控制产生的影响。该方法运用形式化的表达方式，对于研究类似机构特点的机器人运动规划问题具有一定的通用性。开展了巡检机器人自动抓线控制研究。为了保证轮臂复合式巡检机器人自动越障时行走轮能够可靠抓线，提出了一种无需标定的基于图像的视觉伺服抓线控制方法。该方法通过在图像空间定义输电线的偏距和偏角来表征图像特征的变化，利用模糊方法将图像空间的特征偏差映射到机器人关节空间的控制变量。该方法综合考虑了行走轮的位置和姿态对抓线控制的影响，有效地解决了单轮在柔性输电线支撑受扰动时抓线运动学模型失效的问题，不要求对摄像机或运动模型进行标定，采用模糊方法能够回避视觉雅可比奇异的问题，方法简单，可靠性好。开展了巡检机器人人机交互研究。针对高空带电环境下越障的复杂性和不确定性，结合离散事件动态系统理论，提出了一种适合于巡检机器人遥控与局部自主工作模式的人机交互(HRI)方法。该方法将机器人控制系统划分为任务规划层、运动功能层和硬件I/O层，根据提出的越障运动有限状态机模型，操作员可以通过地面基站的人机交互系统利用越障规划导航的人机交互界面与机器人在上述三个层次上进行多层次的交互，对机器人的自动规划进行监控，并最终完成巡检机器人操控任务。该方法能充分发挥机器人的自主规划和感知-运动能力，并且允许操作员能进行直接的硬件级的操控与信息查询。设计的人机交互系统考虑了人的认知因素，进行了迭代优化设计，摆脱了先前操作员越障操作极其复杂的难题，界面友好，操作方便。针对新型AApe-B3型巡检机器人实验样机，搭建了实验室模拟线路，进行了大角度行走实验和侧接导轨辅助越障实验，验证了样机系统各项功能的有效性。在现场环境下，进行了耐张塔和直线塔的越障实验验证，结果表明，本文提出的越障规划和人机交互方法是有效的，该机器人样机系统是可靠的和实用的，机器人具有跨越耐张塔和直线塔的能力。进行了数十次的现场巡检作业任务，结果表明，该样机具备了在500kV超高压输电线路巡检作业的能力，经受住了实际巡检作业任务的考验。
索取号	TP242/G96/2012
语种	中文
公开日期	2012-07-27
分类号	TP242
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/9251]
专题	沈阳自动化研究所_空间自动化技术研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	郭伟斌. 输电线路巡检机器人运动规划与控制研究[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2012.