巡檢機器人自主充電對接控制方法

吳功平， 楊智勇， 王　偉, 郭　磊， 胡　健， 周　鵬

(武漢大學 動力與機械學院, 武漢 430072)

巡檢機器人自主充電對接控制方法

吳功平， 楊智勇， 王偉, 郭磊， 胡健， 周鵬

(武漢大學 動力與機械學院, 武漢 430072)

摘要:為保證輪臂復合式巡檢機器人與太陽能充電基站充電座能準確和可靠自主充電對接，提出一種基于位置關系粗定位、視覺伺服精定位、以及壓力傳感器接合反饋的自主充電對接控制方法. 通過感知機器人所處地線坡度信息，將安裝在機器人壓緊機構的充電插頭運動至安裝在懸垂C型掛板底端中心部位的充電座附近;根據圖像空間充電座中心棱邊與成像區域中心線距離來表征圖像特征的變化，設計充電精定位伺服控制律，采用變論域模糊控制方法進行精確定位控制;依據貼合在正負電極片下壓力應變片傳感器信號變化反饋對接狀態. 模擬線路和實際線路的試驗運行結果表明，該方法具有準確、可靠、效率高的特點，能夠滿足自主充電對接的任務要求.

關鍵詞:視覺伺服；自主對接；巡檢機器人；架空輸電線路；模糊控制

巡檢機器人是實現電力系統巡檢作業自動化的重要工具之一[1-3]. 由于高壓輸電線路多分布在野外，跨越山川湖泊，機器人巡檢過程中更換電池比較困難，從而限制了巡檢機器人的廣泛應用[4]. 為實現巡檢機器人全線路自主巡檢，能量補給是亟需解決的關鍵問題之一. 目前,高壓輸電線路在線能量補給的主要方式有太陽能充電[5]、感應取電[5-6]等. 為減輕搭載在機器人上取電裝置負載重量，目前多采用在桿塔上搭建太陽能充電基站的方式為機器人提供能量. 巡檢機器人從太陽能充電基站獲取能量，面臨著機器人充電插頭與太陽能充電座充電定位與對接的問題. 機器人運行在柔性懸鏈線結構的地線[7]上，存在因地線坡度變化造成充電插頭與充電座定位困難的問題，再加之高空風載使機器人繞地線產生偏轉，從而加大充電定位與對接難度. 目前，國內外對充電定位與對接已開展了許多研究，Cassini等[8]設計了一種通過光線束引導機器人與充電站進行自主充電的方法,該方法適合在室內光強影響較小的環境. Yuta等[9]使用導航系統，利用已知環境地圖引導機器人與充電站對接，實現機器人自主充電， 但存在一旦環境地圖受到破壞，機器人將失去尋找目標的缺點，并限制了移動機器人的靈活性. Nourbakhsh等[10]和Silverman等[11]采用視覺系統與信標對充電目標進行定位充電，但兩者均要求充電插針必須對正窗口的支點，定位精度要求較高. 郝宗波等[12]使用激光傳感器、PTZ彩色攝像機和里程計來引導機器人進行自主充電，但沒有進行充電裝置設計，對接容忍度過小，容易導致充電失敗. 林丹等[13]提出以返回固定充電座為目標的自主返回路徑規劃策略，該方法需要求機器人具有先驗知識，不適用于機器人在周圍環境復雜的柔性懸鏈線結構地線上充電定位對接.

本文采用基于坡度信息的位置關系粗定位，通過充電插頭與充電基站充電座之間的相對位置關系，將充電插頭運動至充電座附近，使充電座進入安裝在壓緊輪支架上的攝像頭視野范圍內；通過圖像處理提取充電座中心棱邊與成像區域中心線截距特征值，伺服控制機器人收展臂運動，以達到充電定位精確定位的目的；結合機器人的控制經驗，采用變論域模糊控制方法實現機器人充電對接過程中執行機構伺服控制，并根據壓力應變片傳感器信號變化反饋充電對接結合狀態. 通過模擬線路試驗和實際線路的現場運行，驗證了該方法的正確性和有效性.

1巡檢機器人充電系統

1.1巡檢機器人太陽能充電系統

巡檢機器人采用輪-臂-夾持器復合的雙臂懸掛移動機器人機構. 圖1(a)為太陽能充電基站與機器人示意圖，該機構共有4個自由度，其中，行走關節I為虛絞；回轉關節IV和VI分別為兩個機械臂繞鉛垂軸的回轉關節；移動關節V為雙臂相對機體的移動，兩臂收攏稱為收臂運動，兩臂張開稱為展臂運動. 4個關節可執行動作為：行走關節I實現巡檢機器人相對地線的滾動；移動關節V實現雙臂相對地線的蠕動爬行；回轉關節IV和VI提供變曲率仿形運動；為了實現巡檢機器人的蠕動爬行功能和提高爬坡能力，在每個臂上各增加一對壓緊輪，由有限約束回轉副II實現壓緊輪的均壓運動，為充電插頭與充電座對接的自適應調整提供支持. 由移動副III和VII提供壓緊輪的壓緊和松開運動.

1—地線；2—后臂；3—后臂壓緊輪；4—鋰電池；5—機體；6—二維傾角傳感器；7—攝像頭；8—前臂壓緊輪支架；9—前臂壓緊輪；10—前臂；

11—充電插頭；12—充電座；13—懸垂C型掛板；14—控制箱；15—太陽能電池板；16—蓄電池；17—充電座正電極片；18—充電插頭正電極片；

19—正電極片壓力應變片傳感器；20—負電極片壓力應變片傳感器；21—充電插頭負電極片；22—充電座負電極片；

(a)太陽能充電基站與機器人示意(b)充電座與充電插頭示意

圖1巡檢機器人太陽能充電系統

太陽能充電基站采用太陽能電池板將太陽能轉化為電能，存儲到蓄電池，由蓄電池向機器人鋰電池充電的取能方案. 在圖1(a)中，太陽能充電基站由太陽能電池板15、控制箱14、蓄電池16、充電座12組成，充電座安裝在懸垂C型掛板13正下方；充電插頭11安裝在前臂壓緊輪9上，攝像頭7安裝在前臂壓緊輪支架8上，充電插頭、攝像頭的中心面與前臂10中心面在同一平面. 圖1(b)為充電座與充電插頭細節示意圖，充電座12“︿”形兩斜面上分別安裝正電極片17和負電極片22；充電插頭由正電極片18、正電極壓力應變片傳感器19、負電極片21和負電極壓力應變片傳感器20構成. 正負壓力應變片傳感器分別貼合在正負電極片的下方，當充電插頭與充電座對接完成后，正負電極片因充電插頭與充電座相互作用產生形變，正負壓力應變片傳感器信號發生變化.

1.2機器人充電對接的運動規劃

機器人檢測到自身電壓低于設定的閾值時，將在就近的充電基站處進行充電，完成能量補給. 圖2為機器人充電對接運動規劃流程圖，機器人前臂壓緊輪碰檢懸垂C型掛板，初步確定充電基站充電座的所在位置，如圖2(a)所示； 機器人兩臂收攏，為機器人充電定位預留運動空間，此時，前臂壓緊輪處于壓緊狀態，固定不動，如圖2(b)所示；前臂壓緊輪松開到松開極限位置，如圖2(c)所示；充電定位運動過程中，后臂壓緊輪壓緊，后臂固定不動，前臂完成充電插頭與充電座的定位運動，如圖2(d)所示；充電對接完成后，機器人開始充電，如圖2(e)所示.

(a)前臂碰檢C型掛板　　　(b)兩臂收攏　　　　(c)前臂壓緊輪松開　　　　(d)充電定位　　　　　　(e)充電對接

2巡檢機器人自主充電的定位與對接策略

將充電定位過程分為基于坡度信息位置反饋粗定位和基于圖像處理的視覺伺服精定位兩個過程，通過壓力應變片傳感器信號變化反饋機器人自主充電對接接合狀態，有效保證充電對接過程安全自主運行. 圖3為機器人充電的定位與對接流程圖.

圖3　機器人充電的定位與對接流程

2.1自主充電定位

2.1.1基于坡度信息位置反饋粗定位

由于架空地線為懸鏈線結構，桿塔附近地線均有一定的坡度，故將桿塔附近地線段簡化為有一定坡度的剛性斜桿. 圖4為機器人自主充電粗定位位置關系，虛線位置為充電定位理想位置，機器人前臂中心面通過充電座中心棱邊，充電插頭中心面亦通過充電座中心棱邊. 機器人前臂碰檢C型掛板后運動到虛線位置的展臂距離為

AB=AE+EB=0.5(LCcosθ+Lj).

式中：θ為C型掛板處地線坡度；LC為C型掛板兩擋板間的距離；Lj為前臂壓緊輪的寬度.

圖4　機器人粗定位位置關系

由于實際地線為柔性的懸鏈線，通過現場實驗數據分析，機器人在展臂過程中機器人角度有1°左右變化；展臂距離EB近似計算為機器人壓緊輪寬度的一半；展臂機構運行存在誤差，該方式只能作為機器人充電定位的粗定位.

2.1.2基于圖像處理的視覺伺服精定位

機器人充電粗定位完成后，充電座進入安裝在壓緊輪支架攝像頭視野范圍內. 當充電插頭與充電座定位不精確時，一方面，容易引起對接結構間的不良約束力，損壞充電座與充電插頭；另一方面，容易出現充電接觸不良，產生放電電弧，損壞機器人與充電基站的部件，造成額外能量消耗. 因此，自主充電定位需進行精定位. 通過攝像頭獲取充電基站充電座圖像信息，對采集的圖像進行預處理與特征計算[14]，結合運動算法推理，控制機器人展臂或收臂運動，達到機器人充電精確定位的目的.

攝像頭安裝在前臂壓緊輪支架上，其視野中心面與前臂中心面在同一平面上，充電插頭與充電座對準時，攝像頭視野中心面通過充電座中心棱邊，充電座中心棱邊在成像面投影與成像區域中心線重合；圖5為視覺精定位充電座成像關系模型，圖5(a)中，充電座左棱邊BB1，中心棱邊AA1，右棱邊CC1在成像面上的投影分別為B′B1′、A′A1′、C′C1′,視場中心面與成像面的相交線ef為攝像頭成像區域中心線，以充電插頭與充電座對準時攝像頭焦點為原點o′,建立坐標系{x′o′y′}，x′軸正方向為機器人展臂方向，負方向為收臂方向，y′軸為對準時攝像頭光軸，當充電插頭與充電座對準時，充電插頭與y′軸的距離D為0；圖5(b)為精定位充電座成像示意圖，abcd為攝像頭成像區域，以成像區域中心點o為原點，建立坐標系{xoy}. 可知充電插頭與充電座對準時，A′A1′與ef距離dk為0.

(a)視覺精定位成像關系模型

當充電插頭與充電座非對準時，攝像頭視場中心面不通過充電座中心棱邊AA1，充電座中心棱邊在成像面投影A′A1′與成像區域中心線ef之間距離dk不為0. 圖(6)為充電插頭相對充電座非對準成像關系模型，充電插頭相對于充電座左偏距離D，其成像關系如圖6(a),D>0,充電座成像示意圖如圖6(b)，dk>0；充電插頭相對充電座右偏距離D，其成像關系如圖6(c),D<0,充電座成像示意圖如圖6(d)，dk<0. 根據小孔成像原理，可知偏移量D與dk存在如下關系：

(1)

式中n為成像比例系數. 由式(1)可知，若獲取圖像中充電座中心棱邊到成像區域中心線距離dk的特征值，就可知充電插頭相對于充電座偏移方向和偏移量，通過機器人收臂或展臂運動，將dk趨近于0，伺服控制充電插頭與充電座精確定位.

(a)充電插頭相對于充電座左偏成像關系

(b)充電插頭相對充電座左偏時充電座成像示意

(c)充電插頭相對于充電座右偏成像關系

(d)充電插頭相對充電座右偏時充電座成像示意

定義1截距dk為圖像區域內充電座中間棱邊A′A1′與中心線ef之間距離，單位為像素. 規定dk>0時，充電插頭相對于充電座左偏；dk<0時，充電插頭相對于充電座右偏.

定義2對于地線坡度θ，充電精定位后，充電插頭相對于充電座左偏最大容許度所對應的截距為Cl(θ)，右偏最大容許度所對應的截距絕對值為Cr(θ)，取臨界值ξθ=min(Cl(θ),Cr(θ)).

2.2自主對接

機器人自主充電精定位完成后，前臂壓緊輪向上運動，充電插頭與充電座進行充電對接. 為避免充電插頭與充電座接觸不良造成機器人不能正常充電，通過壓力應變片傳感器信號變化來檢測充電對接的狀態，并控制前臂壓緊輪是否繼續壓緊.

(2)

則認為充電對接完成，前臂壓緊輪停止向上壓緊.

3充電對接精定位變論域模糊控制器設計

由于充電對接裝置存在加工誤差，對接過程中機器人存在打滑現象，以及機器人作業環境為柔性懸鏈線結構等因素影響，截距dk趨近零的精定位控制模型呈現非線性特征. 為使系統在遇到不確定因素或參數未知時保持既定的特性，采用變論域模糊控制方法. 該方法實時評價偏差及偏差變化率，并調整模糊控制器的模糊劃分，實現模糊系統的自適應變化，克服專家經驗不足造成控制精度不夠的問題[15-17], 適用于機器人充電定位精定位的控制.

變論域模糊控制器由兩部分組成，將截距dk的偏差e與偏差變化率ec作為控制器的輸入量，收展臂電機運動位置量u作為輸出量，形成主控制器，同時將偏差e與偏差變化率ec作為伸縮因子模糊控制器的輸入，輸入及輸出伸縮因子α1、α2、α3作為控制器輸出量，成為主控制器的伸縮因子. 構建系統控制框圖如圖7所示.

圖7　變論域模糊控制系統框圖

3.1伸縮因子模糊控制器設計

由于伸縮因子主要影響論域的伸縮程度，無正負區別，為從輸入獲得伸縮因子，將偏差e與偏差變化率ec的絕對值與各自設定范圍相除，Ee和Eec分別為偏差和偏差變化率設定的論域，并取最大值作為伸縮因子模糊控制器的輸入量[15]：

(3)

經過式(3)處理，伸縮因子模糊控制器成為單輸入單輸出模糊控制器，輸入量與輸出量取值范圍是[0,1]，描述輸入變量l(t)與輸出變量α(t)的模糊量語言值定為PS、PM、PB,隸屬度函數均采用三角形隸屬度函數，得到對應的模糊推理規則表見表1.

表1　伸縮因子模糊控制器推理規則表

將輸出變量α(t)作為主模糊控制器輸入論域的伸縮因子，輸出變量比例因子為α(t)+b(b為常數)，根據實驗經驗，取b為0.3.

3.2主模糊控制器設計

由于伸縮因子模糊控制器可根據輸入值不同改變主模糊控制器的伸縮因子以及比例因子，故主模糊控制器的設計主要集中在初始論域控制器的設計. 根據偏差e與偏差變化率ec的值決定收展臂執行器移動位置增量u的大小，將偏差e與偏差變化率ec以及收展臂執行器移動位置增量u的模糊量語言值均設置為7檔，分別為：NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB,論域及隸屬度函數如圖8所示.

根據偏差e與ec情況，結合實驗經驗，以快速穩定為目標，制定輸出變量收展臂移動位置增量的模糊推理規則如表2所示.

(a)e的初始論域及隸屬度函數

(b)移動位置增量u的初始論域及隸屬度函數

EeEecNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSPSZENMPBPMPMPSPSZENSNSPMPMPSPSZENSNSZEPMPSPSZENSNSNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNSNMNMNBPBZENSNSNMNMNBNB

4實驗與試驗運行

4.1模擬輸電線路試驗

通過二維傾角傳感器，獲取地線坡度值θ和繞地線偏轉角α. 考慮到充電插頭與充電座結構尺寸按機器人繞地線偏轉角小于45°設計，充電對接實驗應實時監測偏轉角α，當高于45°時停止對接. 根據無刷電機位置環進行機器人充電粗定位. 視覺控制器對攝像頭采集的圖像進行處理，并根據處理結果進行視覺伺服控制，運動控制器完成充電定位和對接運動控制. 依據充電基站附近實際線路坡度范圍，模擬輸電線坡度可在0～27°范圍調整.

模擬輸電線路充電對接實驗過程如下：(1)機器人定位懸垂C型掛板，(2)充電粗定位，將充電座移至攝像頭視野范圍，(3)充電精定位，(4)充電對接. 在模擬輸電線路上進行了102次充電對接實驗，機器人粗定位時間隨地線坡度變化曲線如圖9所示，可知粗定位時間隨地線坡度增大而減小，但基本維持在28 s左右. 取其中一次實驗為例，地線坡度為12°，圖10(a)為精定位充電座中心棱邊截距dk調整曲線，可知機器人采用變論域模糊控制器完成圖像視覺伺服精定位用時23 s，而使用模糊控制需30 s，因此，采用變論域模糊控制方法具有較高的效率. 圖10(b)為正負壓力應變片傳感器信號輸出變化曲線，可知充電對接共用時11.5 s，其中充電插頭與充電座接合共用時3.5 s.

圖9　粗定位時間隨地線坡度變化曲線

(a)充電座中心棱邊截距調整曲線

(b)正負壓力應變片傳感器信號采樣值變化曲線

4.2現場試驗

在吉林白山跨林區松長甲線#114-#156桿塔間進行試驗，機器人從#114桿塔小號側往大號側開始運行，運行到#141桿塔(該桿塔安裝太陽能充電基站)處進行自主充電對接，補充能量. 通過現場20次充電對接實驗，20次充電對接成功，表3為充電對接實驗結果，其中對接完成最少用時62 s，最多耗時93 s. 實驗結果表明，基于坡度信息位置反饋粗定位、圖像視覺伺服精定位、壓力傳感器對接完成的自主充電對接方法是準確可靠的.

表3　充電對接實驗結果

5結論

1)針對輪臂復合式巡檢機器人，提出了一套基于坡度信息位置反饋粗定位、圖像視覺伺服精定位、壓力傳感器反饋對接狀態的自主充電對接控制方法.

2)粗定位將充電座移至視覺精定位的視覺檢測范圍；視覺伺服精定位通過提取圖像中充電座中心棱邊與成像區域中心線距離特征值，伺服控制收展臂電機運動，提高充電對接準確度；通過壓力應變片傳感器信號變化來反饋充電對接狀態，確保機器人對接充電安全可靠；變論域模糊控制方法能夠避免機器人在充電定位過程中因金具尺寸加工誤差，收展臂運行偏差以及懸鏈線結構的柔性地線坡度變化對充電定位精度的影響.

3)模擬輸電線路和實際線路的運行效果驗證了該自主充電對接方法的正確性和有效性.

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(編輯楊波)

On auto-docking charging control method for the inspection robot

WU Gongping, YANG Zhiyong, WANG Wei, GUO Lei, HU Jian, ZHOU Peng

(School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract:To guarantee the wheel-arm inspection robot auto-docks with the recharge stand of the solar charging station correctly and reliably, an auto-recharging docking control way is presented, which is based on position relation coarse positioning, visual servo precise positioning and pressure sensor joint feedback. By perceiving the slope information of the place where the robot stands, the charging plug in the pressing mechanism of the robot is moved near the recharge stand in the central bottom of the pensile C type plate. According to the distance between the central seamed edge of the docks in the image space and the central line in the imaging area, the variety of the image features is shown. Charging precise positioning servo control law is designed by adopting variable universe fuzzy control method. The docking state is fed back according to the signal variety of the pressure straingauge sensor under the positive and negative electrodes. The auto-recharging docking control way has been tested in the imitate and real routines, which proves that the method is correct, reliable and effective, and also can satisfy the docking demands of auto-recharging.

Keywords:visual servo; auto-docking; inspection robot; high voltage transmission line; fuzzy control

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.020

收稿日期:2015-04-29

基金項目:國家高技術研究發展計劃 (2006AA04Z202)；

作者簡介:吳功平(1961—)，男，教授，博士生導師

通信作者:王偉， whuww@whu.edu.cn

中圖分類號:TP24

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)07-0123-07

國家自然科學基金 (51105281)