巡线机器人高精度稳定跟瞄技术研究

论文摘要

高压输电线路的巡检是一项危险性大、劳动强度大、涉及面广的电力作业任务。迄今为止,主要依靠巡检人员沿线执行检测任务,成本高、效率低、误检漏检率大。巡线机器人提供了一套机器人作业系统,代替检测人员对线路进行检测和维护,提高了线路的管理和维护水平。巡线机器人需要容纳多个模块,如电机、扫描器、控制板、无线模块、电源模块等,体积比较庞大。在其巡线的过程中,由于天气、机器人运行、高压线摆动与舞动等原因,使得应用于机器人系统的光学探测设备不能稳定的对需要探测的目标给予详细探测。从而影响了高压机器人巡线的质量,不能顺利完成对高压线路的图像采集,很难完成预定任务。本文重点研究视轴稳定技术,物体凝视跟踪技术,主要包括被动减振和惯性稳定技术,精确跟踪与自适应调整伺服技术。惯性稳定环节是一个闭环伺服控制系统,伺服系统由直流力矩电机驱动,惯性陀螺仪做稳定探测。本文设计了电流环硬件PI调节电机驱动电路和以DSP为主控器件的的控制电路。为提高系统伺服带宽,本论文采用三环控制,为电流环、速度稳定环、位置环,电流环由硬件固化在驱动电路中。考虑到硬件实际需要和系统可靠性,扩展了电路保护功能、系统自检功能、各种故障处理功能,系统还采取了其他措施增强系统抗干扰能力,例如光电隔离、屏蔽、一点接地等措施。软件方面,稳定环采用了神经网络PID控制器,跟瞄系统采用双输入双输出耦合神经网络控制方式,对比传统神经网络控制方式单独控制方位/俯仰轴,此种方式对两轴耦合运动产生的非线性存在明显补偿作用。论文最后建立了系统的数学模型以及验证实验,并对各种稳定方法及跟踪方法做了对比和仿真,仿真结果证实了新型控制算法在巡线机器人视觉系统中用具有良好的性能可满足巡线机器人视觉稳定跟踪系统二轴控制的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 巡线机器人的研究现状
• 1.2.2 稳定跟瞄系统研究现状
• 1.3 课题研究的内容及进度安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 机器人稳定跟瞄系统总体方案
• 2.1 影响巡线机器人成像系统的因素
• 2.1.1 巡线作业的环境
• 2.1.2 机器人成像系统外在影响
• 2.2 巡线机器人对稳定跟瞄系统的技术要求
• 2.3 光电陀螺稳定技术原理与方法
• 2.3.1 陀螺稳定技术基本原理
• 2.3.2 陀螺稳定控制方法
• 2.4 机器视觉原理与图像处理方法
• 2.5 系统总体设计思想
• 2.6 本章小结
• 第3章 巡线机器人稳定跟瞄转台控制系统
• 3.1 巡线机器人稳定跟瞄转台结构设计
• 3.1.1 框架结构及原理
• 3.1.2 内环隔振理论及设计
• 3.2 巡线机器人稳定跟瞄转台硬件设计
• 3.2.1 控制系统主要器件选择
• 3.2.2 控制系统硬件电路设计
• 3.2.3. 直流力矩电机驱动电路设计
• 3.2.4 硬件电路设计中的抗干扰措施
• 3.3 巡线机器人稳定跟瞄转台软件设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统数学模型与仿真
• 4.1 控制系统的数学建模
• 4.1.1 直流力矩电机模型
• 4.1.2 陀螺仪模型
• 4.1.3 PWM 系统数学模型
• 4.1.4 低通滤波器数学模型
• 4.1.5 PI 调节器数学模型
• 4.1.6 伺服控制系统数学模型
• 4.2 控制系统仿真及其分析
• 4.2.1 内环伺服驱动系统仿真分析
• 4.2.2 内环与外环速度、位置控制算法仿真分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 控制系统试验研究
• 5.1 稳定精度检测方法研究
• 5.1.1 检测原理与系统组成
• 5.1.2 检测原理
• 5.1.3 检测系统重要参数设计选取
• 5.1.4 影响精度的因素及精度分析
• 5.2 稳定精度测试分析
• 5.2.1 振动功率谱确定
• 5.2.2 稳定精度测试结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢