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输电线路除冰机器人越障规划与跟踪方法研究

作　者: 陈彦杰
导　师: 王耀南; 段峰
学　校: 湖南大学
专　业: 控制工程
关键词: 除冰机器人重力补偿越障规划模糊逻辑粒子群算法
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近些年来，冬季恶劣的天气条件会导致输电线路上积雪和覆冰，严重时引起线路跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故，给国家经济造成了巨大的损失，也给人民生活带来了极大的不便。因此，研究和开发输电线路除冰机器人具有迫切的需求和极大的意义。本论文针对除冰机器人的特殊工作环境，对除冰机器人越障规划策略和轨迹跟踪方法进行研究。全文主要工作包括以下几个方面。论文首先系统介绍了除冰机器人的研究背景和意义，综述了国内外除冰机器人的研究发展现状，并详细分析了除冰机器人自主越障的研究难点和关键技术。在第二部分，论文详细介绍了自主研制的三臂式除冰机器人的机械结构、控制系统组成及其硬件选择和软件设计，并利用MATLAB建立了主要研究对象除冰机器人机械臂的运动学和动力学模型。除冰机器人机械臂动作时除了具有一定工作负载外，还受到自重的影响，重力的非线性影响对机械臂控制产生了一定的困扰。传统的固定值重力补偿和近似值重力补偿具有补偿不精确、实时性差的缺陷，难以满足机械臂控制性能要求。本文基于空间几何学和理论力学原理，提出了一种精确的在线重力补偿策略，将其与PD控制律结合，设计了一种具有在线精确重力补偿的PD控制律，并利用李雅普若夫定理证明其稳定性，最后通过仿真验证其有效性和优越性。在除冰机器人机械臂稳定控制和良好跟踪性能的基础上，针对除冰机器人上线工作时的遇障问题，结合模糊逻辑思想，提出了基于模糊逻辑的除冰机器人机械臂越障规划策略。该方法通过激光雷达获得周围工作环境信息，将机械臂的末端坐标误差和遇障判断信息作为模糊规划器输入，把除冰机器人的工作状态分为安全模式和危险模式，不同工作模式输出不同的关节规划角。仿真结果表明，该规划策略在两种模式下均能保证除冰机器人机械臂的有效动作，而且危险模式下具有较好的越障性能。另外，考虑到模糊规划路径的冗余度问题，将粒子群算法引入用于优化模糊规划参数，设计了基于粒子群和模糊逻辑的除冰机器人越障规划策略。利用粒子群算法的优化性能，通过设置路径最短和目标点吸引的适应度函数，对模糊规划的关节角度进行实时优化，以降低规划轨迹的冗余度。通过仿真实验对比验证了该思路的有效性，经过粒子群优化后的轨迹冗余度更低，更有利于除冰机器人在线长期工作。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
插图索引  12-14
附表索引  14-15
第1章绪论  15-27
  1.1 论文研究的背景和意义  15-16
  1.2 除冰机器人的研究现状  16-19
  1.3 除冰机器人自主越障的难点  19-20
  1.4 除冰机器人自主越障的关键技术  20-25
    1.4.1 环境信息获取  20-21
    1.4.2 障碍物识别  21-23
    1.4.3 越障规划算法  23-25
  1.5 本论文的主要工作与结构安排  25-27
第2章除冰机器人系统结构与建模  27-45
  2.1 除冰机器人机械结构设计  27-32
    2.1.1 机械臂设计  27-29
    2.1.2 臂载装置设计  29-31
    2.1.3 重力平衡箱设计  31-32
  2.2 除冰机器人控制系统设计  32-39
    2.2.1 除冰机器人功能分析  32-33
    2.2.2 除冰机器人控制系统组成  33-34
    2.2.3 控制系统硬件选择  34-38
    2.2.4 上位机软件设计  38-39
  2.3 除冰机器人机械臂建模  39-44
    2.3.1 机械臂运动学建模  40-41
    2.3.2 机械臂动力学建模  41-43
    2.3.3 基于 MATLAB 的机械臂建模  43-44
  2.4 本章小结  44-45
第3章除冰机器人重力补偿控制研究  45-60
  3.1 重力补偿的目的  45-46
  3.2 常见重力补偿控制方法  46-48
    3.2.1 固定数值重力补偿控制研究  46-47
    3.2.2 近似值重力补偿控制研究  47-48
  3.3 基于空间几何学的精确在线重力补偿控制研究  48-59
    3.3.1 精确重力补偿原理  49-50
    3.3.2 基于精确在线重力补偿的除冰机器人 PD 控制  50-53
    3.3.3 仿真及结果分析  53-59
  3.4 本章小结  59-60
第4章除冰机器人越障的模糊逻辑规划方法  60-78
  4.1 除冰机器人越障规划研究  60-61
  4.2 模糊逻辑原理  61-66
    4.2.1 模糊化输入  63-64
    4.2.2 模糊规则  64
    4.2.3 推理算法  64-65
    4.2.4 精确化接口  65-66
  4.3 基于模糊逻辑的除冰机器人越障规划方案  66-77
    4.3.1 总体策略设计  67
    4.3.2 障碍判断及传感器设计  67-68
    4.3.3 模糊规划器设计  68-72
    4.3.4 仿真及结果分析  72-77
  4.4 本章小结  77-78
第5章除冰机器人越障的粒子群模糊规划方法  78-91
  5.1 粒子群优化算法简介  78-81
    5.1.1 粒子群算法原理  79-80
    5.1.2 粒子群算法流程  80-81
  5.2 粒子群算法在规划中的应用  81-84
    5.2.1 基于粒子群算法的规划策略  81-83
    5.2.2 粒子群结合其他智能算法的规划策略  83-84
  5.3 粒子群在线优化模糊规划的越障策略  84-90
    5.3.1 规划策略设计  84-85
    5.3.2 粒子群模糊规划器设计  85-86
    5.3.3 粒子群初始化及优化步骤  86-87
    5.3.4 仿真与结果分析  87-90
  5.4 本章小结  90-91
总结与展望  91-93
参考文献  93-102
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  102-103
附录 B 攻读学位期间参与科研项目和奖励  103-104
致谢  104

输电线路除冰机器人越障规划与跟踪方法研究

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