輸電線路懸垂絕緣子清掃機器人行為規劃

王 林,王洪光,宋屹峰,潘新安,張宏志

(1.中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室,沈陽110016;2.中國科學院大學,北京100049;3.常熟理工學院 機械工程學院,江蘇 常熟215500;4.錦州超高壓局,遼寧 錦州1210001)

0 引 言

采用絕緣子清掃機器人對輸電線路絕緣子帶電清掃能夠有效地降低電力工人的勞動強度,保障電力工人的作業安全,提高電力系統運修的自動化水平,提升電網的經濟利益。輸電線路懸垂絕緣子清掃機器人工作于高空、具有強電磁干擾、半結構化的架空輸電線路懸垂絕緣子串上,依次對每片絕緣子進行清掃作業,且清掃作業復雜,因此,機器人必須具有足夠的局部自主能力,能夠進行局部環境建模、感知環境信息、進行規劃決策和執行動作。此外,由于工作環境的不確定性和清掃作業的復雜性,機器人必須能夠通過人機交互進行遙操作,以應對異常情況。

為了提高絕緣子清掃機器人的局部自主能力,要求機器人能夠規劃自身的行為。1986年,基于包容結構,Brooks[1]研制了Veteran機器人,該結構是最具影響力的基于行為的系統。之后,基于不同的體系結構,已研制了多種自主機器人[2-4],同時提出了多種行為協調機制[5,6],如基于優先級的仲裁、基于狀態的仲裁[7]、基于表決機制的命令融合等。在電力巡檢機器人領域,目前主要采用基于規則的專家系統[8-12]和基于離散事件理論[13,14]的行為規劃方法。文獻[9,10]提出了基于規則的專家系統,并使用C＋＋和CLIPS設計了推理機,文獻[9]中引入了可信度,用于解決專家系統之間的協調問題。任志斌等[11,12]基于分層規劃的方式,在行為規劃層采用產生式推理在線生成行為序列,結合在動作層離線生成的行為解釋知識庫,實現了機器人的自動越障。文獻[13]提出了一種基于有限狀態機的越障規劃方法,采用基于模糊推理的產生式系統推理越障模式并產生動作序列。結合當前研究成果來看,電力機器人的規劃方面目前沒有通用規劃方法。

絕緣子清掃機器人行為規劃的目標是將絕緣子清掃作業和機器人的行為進行形式化的描述,以便于完成自動推理,達到機器人自主作業的目的。本文針對沈陽自動化研究所研制的懸垂絕緣子清掃機器人,在分析機器人清掃作業流程的基礎上,借鑒層次結構的設計理念,將機器人的行為分為多種基本行為和3種組合行為,并利用有限狀態機管理組合行為的行為序列。在此基礎上,基于任務分解的思想,規劃了機器人的清掃作業流程,降低了操作人員的工作強度、提高了規劃效率。針對機器人在運行中可能出現的特殊情況,進行了異常處理機制的設計。最后,利用仿真和實驗室實驗對提出的行為規劃方法進行了驗證。

1 機器人系統

1.1 運行環境

本文所研究的絕緣子清掃機器人適用于500 k V超高壓交流輸電線路懸垂絕緣子串的帶電清掃作業,圖1為懸垂絕緣子串線路環境和絕緣子的主要結構參數。線路上絕緣子的瓷質雙傘裙盤形絕緣子,型號為XWP2-160。

1.2 機器人系統組成

懸垂絕緣子清掃機器人機構共有6個自由度,圖2為機構簡圖,其中自由度J1、J2、J5、J6為旋轉關節,自由度J3、J4為移動關節。懸垂絕緣子清掃機器人機構由移動機構、清掃機構和機架組成。其中移動機構具有3個自由度,即J1、J2、J3。清掃機構具有3個自由度,即J4、J5、J6。

圖2 懸垂絕緣子清掃機器人機械系統Fig.2 Mechanical system of insulator cleaning robot

在結構上,移動機構由具有一組夾緊機構的固定平臺、具有一組夾緊機構的可移動平臺和移動伸縮機構組成,機器人通過兩組夾緊機構交替夾緊絕緣子和移動伸縮機構的配合運動,完成沿懸垂絕緣子串的移動。清掃機構為可移動清掃平臺,主要由移動伸縮機構、圓形導軌和清掃刷組成,機器人通過移動伸縮機構、圓形導軌和清掃刷的協調運動完成對絕緣子表面的清掃。

機器人控制系統由地面基站控制系統和本體控制系統組成,兩者之間通過Zigbee模塊進行數據通信,利用微波進行圖像傳輸。機器人以局部自主與遙操作相結合的方式運行。

1.3 機器人清掃作業過程

在人工輔助上串并按下啟動按鈕后,絕緣子清掃機器人從絕緣子串靠近鐵塔端向導線端移動,每跨越一個絕緣子,機器人停下對絕緣子片進行清掃,清掃完畢后機器人繼續運動,直至到達絕緣子串靠近導線端。之后,機器人自動返回至起始位置。圖3為機器人清掃作業流程示意圖。

圖3 機器人工作流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of workflow of robot

1.4 機器人的關鍵位姿

為了清晰地描述機器人的作業流程,采用狀態向量[15]描述機器人的關鍵位姿,機器人的作業可以看作機器人執行行為引起的機器人關鍵位姿的變化過程。表1為機器人狀態向量的定義。

采用上述表示方法,機器人共有96種可能的狀態。由于機器人采用蠕動式機理沿懸垂絕緣子串移動,且機器人的清掃作業具有特定的流程,因此,許多姿態在機器人工作時是不允許出現的。據此,對機器人的姿態進行分析,可以篩選出有效的姿態,如表2所示。

表1 機器人狀態向量Table 1 State vector of robot

表2 機器人有效狀態列表Table 2 List of valid state of robot

2 機器人清掃作業行為規劃

從機器人的運動機理、線路環境特點和工作流程來看,機器人需要重復性地完成沿絕緣子串移動和清掃絕緣子動作。而且,沿絕緣子串移動、清掃絕緣子序列步驟較多且存在嚴格的執行順序。因此,借鑒層次結構的設計思路,在深入分析機器人清掃作業行為的基礎上,將機器人的行為分為基本行為和組合行為,并對基本行為和組合行為進行設計。

2.1 基本行為

絕緣子清掃機器人的基本行為BB(Basis behavior)定義為直接與驅動機構和傳感器相連,具有特定功能的模塊。在絕緣子清掃機器人的行為規劃中,基本行為是機器人的基本動作,主要用于機器人重要位姿之間的遷移。機器人的基本行為可以采用端口自動機[16]形式化地表達為:

一個基本行為的表達具有5個參數,其中行為名是必選參數;()為可選參數;IPList和OPList是用〈Port Name〉:〈Port Type〉定義的輸入端口列表和輸出端口列表;Para List是用〈Para Name〉:〈Para Type〉定義的參數列表;Body為行為描述。

表3為絕緣子清掃機器人的基本行為,機器人主要具有9種基本行為。部分基本行為具有參數,如圖4所示的如用于控制固定平臺夾緊機構夾緊絕緣子的BB_UG_Clamp行為。機器人利用電流傳感器檢測電機的電流Ir作為輸入端口參數,進行電流伺服,內部參數為伺服電流I,當電機電流達到I且保持一段時間時,認為夾緊機構已夾緊絕緣子。此外,該行為具有超時參數timeout,如果該行為的執行時間超過timeout,表示系統可能出現異常情況(如傳感器故障、機構異常),需要人工干預。

表3 基本行為列表Table 3 List of basis behavior

圖4 基本行為BB_UG_Clamp示意圖Fig.4 Sketch diagram of BB_UG_Clamp

2.2 組合行為

機器人的組合行為[17](Combinational behavior)是由若干個基本行為和一個行為推理器組成的,能夠實現特定功能的行為。行為推理器根據機器人的傳感器信息和機器人的所處的狀態,確定基本行為的激活和執行。在絕緣子清掃機器人行為規劃中,行為推理器用于協調各個基本行為的執行順序。組合行為可以利用集合進行定義:

式中:BB i(i＝1,2,…,n)表示基本行為;M表示行為推理器。

分析絕緣子清掃機器人的清掃作業任務可知,絕緣子清掃機器人具有3種組合行為,即沿絕緣子串向下移動一個絕緣子距離的行為CB1、清掃絕緣子的行為CB2和沿絕緣子串向上移動一個絕緣子距離的行為CB3。

絕緣子清掃機器人的組合行為可以采用有限狀態機[18]表達,該方法可以方便地調整序列和形象地描述行為設計的過程,能夠作為組合行為的推理機制。機器人根據內外部傳感器的信息,結合當前的狀態進行狀態的遷移。有限狀態機M可以形式化地表達為:

式中:Q為非空的有限狀態集合,q i∈Q為某一狀態,q0∈Q為初始狀態;Σ為有窮的輸入事件集合,σi∈Σ為M的某個輸入事件;δ為狀態轉移函數,轉移函數的定義為δ:Q×Σ→Q,如δ(q i,σ)＝q j表示在q i狀態時發生σ事件,系統狀態從q i轉移到q j;F為M的終止狀態集合,F?Q。

對于CB1組合行為,由機器人的工作原理可知,Q＝{q1,q2,q3,q4,q5,q6},初始狀態為q1,F＝{q1}。根據機器人的運動機理和環境特點,CB1組合行為由6個基本行為組成,基本行為在特定狀態下執行,觸發事件后,機器人進行狀態的遷移。圖5為CB1組合行為的有限狀態機模型。

圖5 CB1組合行為的FSMFig.5 FSM of combination behavior CB1

表4為CB1的事件列表。當機器人處于q1狀態時,若發生σ1事件,則機器人向q2狀態遷移。

表4 CB1組合行為事件列表Table 4 List of events of CB1

由于待清掃絕緣子具有兩個瓷裙,機器人清掃絕緣子時需分別清掃兩個瓷裙。對于組合行為CB2,可以使用圖6所示的有限狀態機表示,其中,Q＝{q1,q7,q8,q9,q10,q11,q12,q13},初始狀態為q1,F＝{q1}。

表5為CB2的事件列表。機器人根據當前的狀態和發生的事件執行基本行為并發生狀態的遷移。

圖6 CB2組合行為的FSMFig.6 FSM of combination behavior CB2

表5 CB2組合行為事件列表Table 5 List of events of CB2

組合行為CB3與CB1類似,可以用圖7所示的有限狀態機進行表示。有限狀態機中的事件列表與表4相同。

圖7 CB3組合行為的FSMFig.7 FSM of combination behavior CB3

2.3 清掃任務描述與分解

由前文所述的絕緣子清掃機器人的工作流程可知,清掃作業可以被分為若干個具有特定順序的子任務,由機器人執行。采用圖8所示的基于任務完成的方法對清掃作業任務進行分解,清掃任務可以分解為若干順序執行的子任務task1、…、task k、…、task n來實現。

鑒于機器人的運行機理和清掃作業特點,這些子任務分為3種,即向下跨越一片絕緣子、清掃一片絕緣子和向上跨越一片絕緣子。這3種類型的子任務可以用組合行為來實現。當電力工人輸入并確認絕緣子串的片數后,任務規劃器自動對清掃任務進行分解,生成子任務序列。序列管理器對子任務進行解釋,并利用組合行為完成任務。

圖8 清掃任務分解示意圖Fig.8 Sketch diagram of decomposition of cleaning task

2.4 異常處理機制

由于絕緣子清掃機器人的工作環境復雜,運動步驟較多且存在嚴格的步序,此外,機器人難免會碰到一些特殊情況,如傳輸中斷、傳感器故障等,因此,需要引入異常處理機制,以保證人員安全、線路安全、設備安全和清掃任務的正常進行。

盡管本文設計的絕緣子清掃機器人具有自主運行的能力,為了保證機器人運行的可靠性,在進行清掃作業時,仍采用半自主的方式進行。機器人可自動運行,在遇到特殊情況(如基本行為執行失敗)時,提醒操作人員進行人工干預。

絕緣子清掃機器人主要考慮了以下幾種異常情況:①機器人本體與地面基站通訊中斷。為了保證機器人運行的安全可靠性,采用地面基站發送運動指令、指令校核、機器人狀態的對比校核等措施,保證機器人在通信異常情況下停止運動。若通信異常,機器人停止運動并等待一段時間,若通信仍不恢復,則返回至起始位置。②機器人基本行為執行失敗。由于機器人機構的故障、傳感器故障或其他原因,機器人的基本行為執行可能出現失敗的情況。因此,在基本行為的設計時,引入了超時參數,確保機器人能夠感知執行失敗的情況。當該異常發生后,地面基站提醒操作人員進行人工干預。人工干預完畢,機器人恢復正常狀態時,機器人可繼續工作。③電量低。為了防止機器人因電量低導致無法運行的情況發生,機器人控制系統具有電壓采集和監控功能,在電量不足時報警。④避障。機器人在進行清掃作業時,有可能與絕緣子串發生干涉,此外,錯誤的運動指令可能導致機器人零件之間的干涉。因此,機器人在執行基本行為時,通過環境建模和運動學校驗,保證運動指令的正確性。基本行為的超時功能能夠保證基本行為執行的可靠性。

此外,機器人遇到無法處理的情況時,將機器人的控制權交給操作人員,進行人工干預和處理。

3 仿真與實驗

3.1 行為規劃仿真

根據實際線路環境,利用Matlab的Simulink和Stateflow工具箱,建立了機器人行為規劃模型,進行了機器人行為規劃的仿真驗證。仿真實驗主要步驟如下:

圖9 機器人行為規劃仿真模型Fig.9 Simulation model of robot behavior planning

(1)利用Stateflow工具箱建立了機器人行為規劃的有限狀態機模型,主要包括3個關鍵狀態,其中每個關鍵狀態具有多個子狀態。

(2)基于事件驅動進行清掃作業行為規劃的狀態遷移仿真。由外部事件和內部事件驅動,結合機器人關節的運動特性和環境特點,自動得到傳感器的觸發序列,進行狀態的轉移。

圖9(a)為機器人清掃行為規劃的有限狀態機模型,圖9(b)為組合行為CB1的模型。

圖10為運行該模型得到的機器人關節運動曲線,其中I為機器人向下移動一個絕緣子的距離時的關節速度曲線、角速度曲線,II為機器人清掃絕緣子時的關節速度曲線、角速度曲線。仿真實驗驗證了機器人行為規劃方法的正確性,采用有限狀態機方法便于對清掃過程進行表達和編程。

圖10 機器人關節運動曲線Fig.10 Motion curves of robot joints

3.2 實驗室實驗

在實驗室環境下進行實驗,驗證絕緣子清掃機器人行為規劃的有效性。圖11為絕緣子清掃機器人系統原理樣機,機器人系統由機器人本體和地面基站組成。

圖11 絕緣子清掃機器人系統原理樣機Fig.11 Prototype of insulator cleaning robot system

在實驗室線路上,進行了機器人沿絕緣子串的行走實驗。機器人在人工輔助上串后,按照行為規劃的序列,每經過6個基本行為,可沿絕緣子串向下移動一個絕緣子的距離,如圖12所示。依照圖12子圖的順序:①機器人處于初始狀態q1;②機器人執行固定平臺夾緊機構松開絕緣子的行為,零位開關被按下時,遷移至q2狀態;③機器人執行移動平臺移動至特定位置的行為,編碼器計數達到特定值時,遷移至q3狀態;④機器人執行固定平臺夾緊機構夾緊絕緣子的行為,電機的電流達到設定值并持續設定時間時,遷移至q4狀態;⑤機器人執行移動平臺夾緊機構松開絕緣子的行為,零位開關被按下時,遷移至q5狀態;⑥機器人執行移動平臺移動至初始位置的行為,編碼器計數為零時,遷移至q6狀態;⑦機器人執行固定平臺夾緊機構夾緊絕緣子的行為,電機的電流達到設定值并持續設定時間時,遷移至q1狀態。至此,機器人相對于絕緣子串向下移動了一個絕緣子結構高度的距離。實驗結果表明,行為規劃方法正確有效,能夠應用于機器人的清掃作業任務。

圖12 機器人沿絕緣子串向下行走實驗Fig.12 Downward movement experiment

4 結束語

針對懸垂絕緣子清掃機器人清掃作業半自主控制問題,本文提出了一種基于層次結構的行為規劃方法,并利用有限狀態機管理行為序列,提高了絕緣子清掃機器人的局部自主能力。將清掃作業任務分解為子任務序列,并利用組合行為完成子任務,提高了操作的便捷性和靈活性,易于編程。仿真實驗驗證了行為規劃方法的正確性和有效性,實驗室實驗表明本文提出的行為規劃方法能夠應用于機器人的清掃作業。

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