高压输电线除冰机器人的建模及运动控制

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1、19020lO,46(10)co唧船rE画册eri增帆dApp如劬珊计算机工程与应用◎工程与应用◎高压输电线除冰机器人的建模及运动控制张海霞,孙炜,缪思怡ZHANGHai一】【ia,SUNWei,MIAOSi—yi湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082CouegeofElectricalandInfonIla£i佣En舀needng,Hun粕Uniye商ty,Chan98ha410082,Chi加E—mail:haixia52ll19@163.c啪ZlIANGHai一虹a.SUNWei。M

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3、icsproblemsalldtlledyn啪icproblemsatfirst.Inaddition,tllePSOisusedt0叩timizetllePIDp籼eters伽line.Sot

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5、thecorrectionofthemDdel锄dthepro—posedmoti伽contld.keywords:deicingmbot;Panicalsw釉0ptimization(PSO);啪tionconn.ol;modelbuilding摘要:针对高压输电线除冰机器人工作环境的特殊性以及工作任务的复杂性,建立了机器人的运动学与动力学模型。在此基础上,通过采用粒子群算法对PID控制器三个参数进行在线寻优,实现了除冰机器人的运动控制。最后针对除冰机器人在斜坡爬行的情况进行仿真实验,证明了所

6、设计的模型与运动控制方法的可行性。关键词:除冰机器人;粒子群算法;运动控制;建模DOI:10.3778/j.issn.1002—8331.20lO.10.060文章编号:1002—8331(2010)lO_0190_03文献标识码:A中图分类号:TP24l引言近年来,在俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛和我国等众多国家,由于输电线路上的覆冰和积雪,常引起线路跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故,带来了巨大的经济损失。不仅如此,2008年初中国南方发生的冰雪灾害还带走了数名电力工

7、人的生命。研究输电线路除冰机器人替代传统的人工除冰对于保护电网的安全运行和电力工人的生命安全都具有极其迫切的现实意义。除冰机器人工作在架空柔性输电线上底座悬空,主要依靠悬挂在线路上的手臂运动来改变机器人本体的位置和姿态。因此传统的地面移动机器人建模和路径规划方法不再适用于除冰机器人。与除冰机器人类似的自由空间飞行机器人F确R工作在空间微重力环境下,基座处于自由漂浮状态。Y.Umetani和K.Yo$hida对整个机器人系统引入动量守恒定律,提出反映FFSR微运动学的广义雅克比矩阵(GJM)【11

8、;R.Mukheriee和Y.Nal【锄ufa胸,K.Yamada和K.Tsuchjya脚,Y.Yokohji和T.Toy08hi—m【4】等人采用不同方法也都推导出了GJM,并通过对GJM分析,将其分析结果应用到各类控制方法中实现了机器人的路径规划。此外,z.Vafa和s.Dubowskv提出虚拟机械手的概念用来描述FFSR的几何结构嘲,提供路径规划方法。E.Papadopoul∞和s.Dudowsky提出了基于拉格朗日方程的动力学模型16】,从而实现路径规划。s.K.saha9提出—个通用建

9、模方法,并将结果用以实现路径规划。此外,高压输电线巡检机器人的研究也为除冰机器人的研究提供了理论依据目。针对高压输电线除冰机器人工作环境的复杂性以及工作任务的特殊性,首先结合研究机器人动力学和运动学问题,实现了对机器人的数学建模,再运用基于粒子群优化控制参数的PID控制器,对除冰机器人进行运动控制。最后针对除冰机器人在斜坡上爬行的情况进行了实验仿真,结果验证了所设计模型和运动控制方法的可行性。2除冰机器人模璎分析2.1除冰机器人结构由于除冰机器人工作要求以及工作环境都很特殊,设计除冰机器人的结构

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1、19020lO,46(10)co唧船rE画册eri增帆dApp如劬珊计算机工程与应用◎工程与应用◎高压输电线除冰机器人的建模及运动控制张海霞,孙炜,缪思怡ZHANGHai一】【ia,SUNWei,MIAOSi—yi湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082CouegeofElectricalandInfonIla£i佣En舀needng,Hun粕Uniye商ty,Chan98ha410082,Chi加E—mail:haixia52ll19@163.c啪ZlIANGHai一虹a.SUNWei。M

2、队osi一虬ModelblliIdillg蚰dm06∞∞ntmlofdeiciI培robot叫址ghvolta髀tra砸missi佃line.C伽put盯Engin∞咖g柚dApplj伪tio璐.20lO,46(10):1帅一l9_2.Ab曲陷ct:BecauseoftIlepanicul鲥t)r0fworkjngen’rironment卸d£llec啪plicatedcondilion8ofa船i印men£,tllemathe黝ticmod—elisbuiltba8ed∞tIlekinemat

3、icsproblemsalldtlledyn啪icproblemsatfirst.Inaddition,tllePSOisusedt0叩timizetllePIDp籼eters伽line.Sot

4、la£,tlledejcillg幽tisc∞ductedr训timec衄t叫,iBimpljednotjonc伽肋1.Atlast,atestissimlllated,whichisaimingattlledeicingmbotcmwlirlgonslope.Andthe他Bulti8pmvedthat

5、thecorrectionofthemDdel锄dthepro—posedmoti伽contld.keywords:deicingmbot;Panicalsw釉0ptimization(PSO);啪tionconn.ol;modelbuilding摘要:针对高压输电线除冰机器人工作环境的特殊性以及工作任务的复杂性,建立了机器人的运动学与动力学模型。在此基础上,通过采用粒子群算法对PID控制器三个参数进行在线寻优,实现了除冰机器人的运动控制。最后针对除冰机器人在斜坡爬行的情况进行仿真实验,证明了所

6、设计的模型与运动控制方法的可行性。关键词:除冰机器人;粒子群算法;运动控制;建模DOI:10.3778/j.issn.1002—8331.20lO.10.060文章编号:1002—8331(2010)lO_0190_03文献标识码:A中图分类号:TP24l引言近年来,在俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛和我国等众多国家,由于输电线路上的覆冰和积雪,常引起线路跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故,带来了巨大的经济损失。不仅如此,2008年初中国南方发生的冰雪灾害还带走了数名电力工

7、人的生命。研究输电线路除冰机器人替代传统的人工除冰对于保护电网的安全运行和电力工人的生命安全都具有极其迫切的现实意义。除冰机器人工作在架空柔性输电线上底座悬空,主要依靠悬挂在线路上的手臂运动来改变机器人本体的位置和姿态。因此传统的地面移动机器人建模和路径规划方法不再适用于除冰机器人。与除冰机器人类似的自由空间飞行机器人F确R工作在空间微重力环境下,基座处于自由漂浮状态。Y.Umetani和K.Yo$hida对整个机器人系统引入动量守恒定律,提出反映FFSR微运动学的广义雅克比矩阵(GJM)【11

8、;R.Mukheriee和Y.Nal【锄ufa胸,K.Yamada和K.Tsuchjya脚,Y.Yokohji和T.Toy08hi—m【4】等人采用不同方法也都推导出了GJM,并通过对GJM分析,将其分析结果应用到各类控制方法中实现了机器人的路径规划。此外,z.Vafa和s.Dubowskv提出虚拟机械手的概念用来描述FFSR的几何结构嘲,提供路径规划方法。E.Papadopoul∞和s.Dudowsky提出了基于拉格朗日方程的动力学模型16】,从而实现路径规划。s.K.saha9提出—个通用建

9、模方法,并将结果用以实现路径规划。此外,高压输电线巡检机器人的研究也为除冰机器人的研究提供了理论依据目。针对高压输电线除冰机器人工作环境的复杂性以及工作任务的特殊性,首先结合研究机器人动力学和运动学问题,实现了对机器人的数学建模,再运用基于粒子群优化控制参数的PID控制器,对除冰机器人进行运动控制。最后针对除冰机器人在斜坡上爬行的情况进行了实验仿真,结果验证了所设计模型和运动控制方法的可行性。2除冰机器人模璎分析2.1除冰机器人结构由于除冰机器人工作要求以及工作环境都很特殊,设计除冰机器人的结构

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