巡線機器人穩定成像控制系統設計

（內蒙古民族大學 機械工程學院，通遼 028000）

巡線機器人是一種高智能化的機器人設備，專門用于高壓線路的巡檢工作，雖然現在對于這種機器人的研究僅停留在人工操控的基礎上，但已經可以滿足巡線工作的基本要求。巡線機器人運動平臺上需要安裝各種檢驗檢測裝置，用于檢測線路故障[1]。如何獲得高清圖像、紅外圖像、高清視頻，是巡線機器人非常關鍵的技術。能夠把機器人技術與穩定跟瞄技術有機地結合在一起，是未來機器人巡線要考慮的重要問題。

1 巡線機器人平臺穩定方法

穩定平臺采用光電陀螺穩定技術，該技術最早應用于軍事[3]。利用陀螺系統構成的陀螺穩定器，實現對整個光學系統的穩定，如圖1所示。

圖1 穩定平臺系統原理圖Fig.1 Principle of stable platform system

內框架的方位俯仰電機都與裝載在內框架的陀螺儀相連，這樣內框架的方位俯仰電機就與陀螺儀形成了一個閉環的穩定回路。當存在內環平臺傾斜或者擾動時，陀螺儀會得到相應的偏差值，這個偏差值會傳遞給內框架的方位俯仰電機伺服系統，此時內框架伺服系統會根據偏差量，對內框架進行適當調整，最終實現內環的相對穩定。為內環裝載的光學設備提供良好穩定的工作環境[4]。

2 控制系統總體設計

本方案受啟發于經緯儀精密訓練儀器，根據方位角和俯仰角的精確變化，實現了人為操縱相機方向以及根據圖像識別自動凝視目標的功能；除了應用于機器人以外，此項技術還可應用于各種自動監視系統。圖2是巡線機器人穩定成像系統組成框圖。

圖2 巡線機器人穩定成像系統組成框圖Fig.2 Block diagram of line tracking robot stable imaging system

如圖2所示，整個系統由數字信號處理器（DSP）做整體的協調。系統執行力矩電機、陀螺儀和DSP組成了反饋控制系統，作為巡線機器人成像系統的穩定環節。驅動板上集成了PWM電機驅動器和電流反饋調節器。成像系統的圖像采集由裝載在轉臺上的光電成像設備完成。計算機通過采集來的信號和圖像，對信息進行處理并同DSP進行實時通信，完成計算機對整個系統控制。旋轉變壓器用于調節整個視場的方位和俯仰角度，從而在各個方向上進行圖像采集工作。

3 系統硬件設計

本系統主要針對系統的巡線機器人作業過程中的各種擾動，進行穩定性控制，從而達到拍攝高清圖像的目的，為后續的分析修理提供更加確切的依據。具體框圖如圖3所示。

圖3 穩定伺服系統控制框圖Fig.3 Block diagram of servo system control

實際上整個系統仍然是閉環伺服控制系統，主動防御振動及擾動的檢測器件主要是陀螺系統角速度傳感器以及電流采樣傳感器。陀螺傳感器最主要的作用是將平臺擾動傳遞給系統的反饋環節，系統通過陀螺的信號，對內環電機的控制量進行調整，主要是提供反向力矩使系統處于穩定狀態。

提供的反向力矩并不能確保非常穩定，這是由電機驅動器的性能與電機的工作特點共同決定的，所以，采用電流環的設計，來對電流特性進行平滑，實現對電機轉矩的高品質控制。

電流反饋環節調整電路能對系統輸出的電流進行矯正，調整系統輸出轉矩。這種方法可以提高系統伺服帶寬，實際上是一個比例-積分調節器，調節器的傳遞函數為

速度反饋環節的信號采集工作由陀螺系統完成，通過安裝在轉臺內環上的陀螺系統，采集轉臺的瞬時速度，速度信號通過DSP系統，進行運算處理，得出合理的控制量，用于對力矩電機的控制。控制量的產生由PID算法來實現。常規PID數學模型為[5]

式中：Kp、Ki、Kd為PID控制器比例、積分、微分項系數；u（t）為PID算法得到的控制輸出量；e（t）為給定輸入與實際輸出之間的差值。

離散化，數字化后的PID控制規律為

式中：K為離散后的時間點；T為采樣周期。最后可化簡為

可以看出，只要通過速度反饋環節采集到系統速度，并且通過DSP進行PID算法的計算，就可以得到系統的理想控制量。

4 系統仿真

機器人巡線的穩定成像系統主要由陀螺穩定系統組成。本文采用了陀螺穩定系統內部嵌入電流反饋環節的方案。利用仿真軟件，對內環陀螺速度反饋環節做頻域仿真分析，得到結果如圖4所示。

圖4 沒有電流反饋的控制系統幅相頻特性曲線Fig.4 Amplitude and phasefrequency characteristic curve of no current feedback control system

經分析得未加入電流反饋環節的控制系統相位裕度為-49.4°，判斷系統并不穩定。

圖5為增加電流反饋環節的穩定系統，頻域內開環相位裕度為46.9°，判斷系統穩定。可以看出，增加了電流反饋環節的控制系統，增強了系統的穩定性，并且提高了系統的伺服帶寬。

5 結語

圖5 增加電流反饋環節的控制系統幅相頻特性曲線Fig.5 Amplitude and phasefrequency characteristic curve of increase the current feedback control system

本論文從工程應用的角度，對機器人巡線的工作環境做了深入探討。對巡線機器人穩定成像的控制系統做了具體設計。采用陀螺技術與PI調節相結合的辦法，實現機器人巡線圖像采集過程中對干擾的主動抑制。這一控制系統作為機器人巡線的輔助系統，使機器人巡線過程中獲得高質量的圖像信息成為可能。

[1] 張運楚，梁自澤，譚民.架空電力線路巡檢機器人的研究綜述[J].機器人，2004（5）：467-477.

[2] 周風余，吳愛國，李貽斌，等.高壓架空輸電線路自動巡線機器人的研制[J].電力系統自動化，2004，28（23）：89-91.

[3] 姬偉，李奇.陀螺穩定平臺私服系統非線性特性補償控制[J].電氣傳動，2005，35（7）：31-34.

[4] 畢水利，劉溝，葛文奇，等.機載多框架陀螺穩定平臺速度穩定環設計[J].光電工程，2004，31（2）：16-18.

[5] 白繼平，許德輝.基于MATLAB下的PID控制仿真[J].中國航海，2004（4）：78-80.