一種變電站巡檢機器人導航控制系統及方法與流程

文檔序號:12361320
一種變電站巡檢機器人導航控制系統及方法與流程

本發明涉及一種變電站巡檢機器人導航控制系統及方法。



背景技術:

變電站巡檢機器人是一種全自主運行的地面移動機器人,其可攜帶可見光攝像機、紅外熱像儀、拾音器等傳感器對電力設備進行自動巡檢,有效降低人工巡檢的勞動強度,保障變電站設備安全運行。

在變電站巡檢機器人的應用中,可靠穩定的導航運行是保證其完成巡檢任務的基礎。目前,巡檢機器人變電站內導航運行一般采用磁軌跡引導方式實現,相應的導航控制系統主要由磁傳感器陣列、導航控制模塊和運動控制模塊三部分組成。磁傳感器陣列是由數個單一磁傳感器沿直線排列制成,每當磁軌跡產生磁場落入陣列中傳感器檢測范圍內時,對應傳感器將以數字開關量方式輸出以表明檢測到磁軌跡;導航控制模塊則采樣傳感器陣列中各傳感器輸出開關量狀態序列,即當前傳感器陣列狀態,以得到傳感器陣列中心相對于磁軌跡的橫向偏移大小,并據此生成運動控制量發送至運動控制模塊執行,從而保證機器人沿磁軌跡運行。

基于磁軌跡引導的導航控制系統,目前已在巡檢機器人產品中得到了普遍應用,但在實際應用過程中,卻發現機器人高速運行時運行穩定性不理想,制約了巡檢任務執行效率的進一步提升。造成該問題的主要原因,經分析如下:

1.由于磁傳感器陣列由數量有限的單個磁傳感器組成,其中心相對于磁軌跡的橫向偏移所產生的傳感器陣列狀態為有限個,現有巡檢機器人導航控制策略一般是根據每個傳感器陣列狀態通過查表輸出預先設定的運動控制量,從而使機器人運行在某一速度下保持穩定,若超出該速度限制機器人運行穩定性將會顯著降低。

2.由于磁傳感器陣列中每個傳感器都有一定的檢測范圍,且只有當磁軌跡磁場進入該檢測范圍時傳感器開關量輸出狀態才會發生變化,這將造成磁傳感器陣列輸出不能實時跟蹤偏移量變化,基于傳感器陣列狀態的導航控制策略,必然會存在導航控制輸出滯后,這也會對機器人高速運行時的穩定性帶來不利影響。

針對上述問題,雖然可以通過增加傳感器陣列中磁傳感器數量或者針對不同運行速度設定不同運動控制量的辦法,以提高機器人導航控制的效果,但這必然會增加機器人生產制造成本,同時相關控制量參數的人工調整也比較困難。



技術實現要素:

本發明為了解決上述問題,提出了一種變電站巡檢機器人導航控制系統及方法,本發明在不對現有巡檢機器人導航控制系統做大幅改變的前提下,有效提升巡檢機器人導航控制效果。

為了實現上述目的,本發明采用如下技術方案:

一種變電站巡檢機器人導航控制系統,包括磁傳感器陣列、陣列狀態處理模塊、導航控制模塊和運動控制模塊,其中:

所述磁傳感器模塊,采集實際橫向偏移量,將傳感器陣列狀態信息傳輸給陣列狀態處理模塊;

所述陣列狀態處理模塊,連接磁傳感器陣列和導航控制模塊,用于依據磁傳感器陣列標定信息,得到磁傳感器陣列狀態所對應的橫向偏移量以及狀態變化時間間隔,之后發送至導航控制模塊;

所述導航控制模塊,用于利用當前橫向偏移量和狀態改變時間間隔計算導航控制量,之后發送至運動控制模塊;

所述運動控制模塊執行導航控制模塊的導航指令,控制巡檢機器人的運動。

所述磁傳感器模塊以數字開關量輸出方式與陣列狀態處理模塊連接,然后陣列狀態處理模塊則利用數字通訊方式與導航控制模塊連接,最后導航控制模塊也通過數字通訊方式連接運動控制模塊。

所述運動控制模塊內還包括電機驅動器與車輪驅動電機,電機驅動器驅動車輪驅動電機工作。

一種變電站巡檢機器人導航控制方法,包括以下步驟:

(1)機器人導航運行開始時,進行初始化,同時載入磁傳感器陣列標定信息;

(2)機器人導航運行過程中,陣列狀態處理模塊采集傳感器陣列狀態輸出,與傳感器陣列標定信息進行比較,得到當前磁傳感器陣列中心相對于磁軌跡的橫向偏移量,在此過程中,陣列狀態處理模塊還負責在傳感器陣列狀態改變時測量狀態改變之間的時間間隔;

(3)導航控制模塊綜合利用陣列狀態處理模塊得到的當前橫向偏移量和狀態改變時間間隔,計算得到導航控制量并發送至運動控制模塊執行。

所述步驟(1)中,磁傳感器陣列標定信息是在機器人導航運行前,通過執行傳感器標定步驟得到,進行標定的主要目的則是為了將各傳感器陣列狀態所代表的橫向偏移量進行定量描述,以便后續導航控制使用。

所述步驟(1)中,具體方法為:首先將機器人靜止放置于水平面上,使標定用磁軌跡至于磁傳感器一側水平面;由于磁傳感器陣列中傳感器一般沿垂直于機器人運行方向排列,標定時需面向機器人運行的反方向,從傳感器陣列的左外側向右外側沿水平面滑動,此過程中,將磁傳感器陣列中首次檢測到磁軌跡的位置設為零點,之后每當磁傳感器陣列狀態變化就記錄當時磁軌跡位置與零點之間的距離,直至磁軌跡從右端滑出為止;最后,求標定過程得到距離數值的均值,再將以上距離值與該均值相減,從而得到傳感器陣列每個狀態所代表的橫向偏移量。

所述步驟(2)中,測量傳感器陣列狀態改變時間間隔步驟為:

(2-1)磁傳感器陣列檢測到磁軌跡時,陣列狀態處理模塊計時器清零,并開始計時;

(2-2)當磁傳感器陣列輸出狀態變化,則讀取當前計時器值Tc,如果在計時器允許最大計時時間Tmax內,當前讀出值Tc即為相鄰狀態變化時間間隔ΔT,否則將相鄰狀態變化時間間隔ΔT修正為計時器允許最大計時值Tmax;

(2-3)清零計時器,并開始下一次狀態變化時間間隔測量計時。

所述步驟(3)中,導航控制量的具體計算方法包括:

(3-1)將從陣列狀態處理模塊得到的當前橫向偏移量Dc與系數Kp相乘,得到橫向偏移控制量Up;

(3-2)將當前橫向偏移量Dc和上一次獲取的橫向偏移量Dp相減,得到橫向偏移變化量,之后該變化量再乘以采樣控制周期Ts與陣列狀態變化時間間隔ΔT之商,從而得到橫向偏移變化趨勢值,最后該趨勢值乘以系數Kd,得到橫向偏移變化趨勢控制量Ud;

(3-3)橫向偏移控制量Up與橫向偏移變化趨勢控制量Ud相加,即可得到最終的導航控制量U。

所述步驟(3-3)中,最終的導航控制量U的計算方法為:

U=Up+Ud=Kp*Dc+Kd*(Dc-Dp)*(Ts/ΔT)

其中:Up為橫向偏移控制量,Ud為橫向偏移變化趨勢控制量;Kp為橫向偏移控制系數,Kd為橫向偏移變化趨勢控制系數;Dc為當前獲取的橫向偏移量,Dp為上一次獲取的橫向偏移量;Ts為系統采樣控制周期,ΔT為磁傳感器陣列相鄰狀態變化時間間隔。

本發明的有益效果為:

(1)通過在導航控制策略內引入橫向偏移誤差變化趨勢信息,相當于在導航控制系統內引入了“微分”環節,因此可以實現導航控制系統對機器人運動導致的橫向偏移變化趨勢進行預測并提前進行調整,改善原有導航控制系統中存在的導航控制輸出滯后對系統穩定性造成的影響,提升機器人運行的穩定性。

(2)通過磁傳感器陣列標定,對不同磁傳感器陣列狀態代表的橫向偏差進行量化處理,在前述獲得橫向偏差和橫向偏差變化趨勢信息基礎上,巡檢機器人導航控制也可很方便的采用其它控制策略(如模糊控制等)實現,從而在不對現有巡檢機器人導航控制系統做大幅改變的前提下,為后續機器人導航控制性能的進一步提升奠定了必要的基礎。

(3)導航控制系統性能調試時,只需調整橫向偏移控制系數和橫向偏移變化趨勢控制系數,與原有導航系統需要對每個傳感器陣列狀態調整并設定控制量輸出值相比,降低了系統性能調試的難度。

附圖說明

圖1為本發明的導航控制系統結構示意圖;

圖2為本發明的導航系統運行流程圖;

圖3為本發明的磁傳感器陣列標定示意圖;

圖4為本發明的導航控制原理框圖。

具體實施方式:

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示,一種變電站巡檢機器人導航控制系統,包括:磁傳感器陣列、陣列狀態處理模塊、導航控制模塊和運動控制模塊。各模塊的硬件連接關系為:首先磁傳感器模塊以數字開關量輸出方式與陣列狀態處理模塊連接,之后陣列狀態處理模塊則利用數字通訊方式與導航控制模塊連接,最后導航控制模塊也通過數字通訊方式連接運動控制模塊。另外,運動控制模塊內又包含了電機驅動器與車輪驅動電機。

磁傳感器陣列、導航控制模塊和運動控制模塊均為現有巡檢機器人中已經存在的模塊,主要區別是導航控制模塊內包含的導航控策略與現有機器人導航控制策略不同;陣列狀態處理模塊位于磁傳感器陣列和導航控制模塊之間,將得到磁傳感器陣列狀態所對應的橫向偏移量以及狀態變化時間間隔發送至導航控制模塊,供機器人導航控制使用。

如圖2所示,在上述導航控制系統的基礎上,提出了巡檢機器人導航控制方法,其控制流程,包括以下步驟:

步驟1機器人導航運行開始時,初始化系統內各模塊,同時載入磁傳感器陣列標定信息;

步驟2機器人導航運行過程中,陣列狀態處理模塊采集傳感器陣列狀態輸出,并與傳感器標定信息進行比較,得到當前磁傳感器陣列中心相對于磁軌跡的橫向偏移量Dc。在此過程中,陣列狀態處理模塊還負責在傳感器陣列狀態改變時測量狀態改變之間的時間間隔ΔT;

步驟3導航控制模塊綜合利用陣列狀態處理模塊得到的當前橫向偏移量Dc和狀態改變時間間隔ΔT,計算得到導航控制量u,并發送至運動控制模塊執行。

所述步驟1中,磁傳感器陣列標定信息是在機器人導航運行前,通過執行傳感器標定步驟得到,進行標定的主要目的則是為了將各傳感器陣列狀態所代表的橫向偏移量進行定量描述,以便后續導航控制使用。

如圖3所示,具體的磁傳感器陣列標定的方法為:首先將機器人靜止放置于水平面上,使標定用磁軌跡至于磁傳感器一側水平面;由于磁傳感器陣列中傳感器一般沿垂直于機器人運行方向排列,標定時需面向機器人運行的反方向,從傳感器陣列的左外側向右外側沿水平面滑動,此過程中,將磁傳感器陣列中首次檢測到磁軌跡的位置設為零點,之后每當磁傳感器陣列狀態變化就記錄當時磁軌跡位置與零點之間的距離,直至磁軌跡從右端滑出為止;最后,求標定過程得到距離數值的均值,再將以上距離值與該均值相減,從而得到傳感器陣列每個狀態所代表的橫向偏移量。

所述步驟2中,測量傳感器陣列狀態改變時間間隔步驟為:

步驟2-1磁傳感器陣列檢測到磁軌跡時,陣列狀態處理模塊計時器清零,并開始計時;

步驟2-2當磁傳感器陣列輸出狀態變化,則讀取當前計時器值Tc,如果在計時器允許最大計時時間Tmax內,當前讀出值Tc即為相鄰狀態變化時間間隔ΔT,否則將相鄰狀態變化時間間隔ΔT修正為計時器允許最大計時值Tmax;

步驟2-3清零計時器,并開始下一次狀態變化時間間隔測量計時。

如圖4所示,步驟3中導航控制量的具體計算步驟如下:

步驟3-1將從陣列狀態處理模塊得到的當前橫向偏移量Dc與系數Kp相乘,得到橫向偏移控制量Up;

步驟3-2將當前橫向偏移量Dc和上一次獲取的橫向偏移量Dp相減,得到橫向偏移變化量,之后該變化量再乘以采樣控制周期Ts與狀態變化時間間隔ΔT之商,從而得到橫向偏移變化趨勢值,最后該趨勢值乘以系數Kd,得到橫向偏移變化趨勢控制量Ud;

步驟3-3將上述橫向偏移控制量Up與橫向偏移變化趨勢控制量Ud相加,即可得到最終的導航控制量U,其完整計算公式如下所示:

U=Up+Ud=Kp*Dc+Kd*(Dc-Dp)*(Ts/ΔT)

其中:Up為橫向偏移控制量,Ud為橫向偏移變化趨勢控制量;Kp為橫向偏移控制系數,Kd為橫向偏移變化趨勢控制系數;Dc為當前獲取的橫向偏移量,Dp為上一次獲取的橫向偏移量;Ts為系統采樣控制周期,ΔT為磁傳感器陣列相鄰狀態變化時間間隔。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述,但并非對本發明保護范圍的限制,所屬領域技術人員應該明白,在本發明的技術方案的基礎上,本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。

再多了解一些
當前第1頁1 2 3 
網友詢問留言 已有0條留言
  • 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊!
1
做爱视频