高機(jī)動(dòng)性變壓器內(nèi)部檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法研究

郭玉嘉，杜向黨，陳宏博，汪旭海，靳憲文

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072；2.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250024)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)許多電力系統(tǒng)采用油浸式變壓器，為保障供電安全，需要定期檢查內(nèi)部是否生銹，接線是否脫落，絕緣套管是否老化等[1]。常規(guī)檢查大多采用排空絕緣油，人員進(jìn)入檢查的方式，存在人身安全風(fēng)險(xiǎn)高、檢測(cè)效率低、絕緣油浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)[2]。本文設(shè)計(jì)了一種具有高機(jī)動(dòng)性的水下機(jī)器人(又稱水下航行器，unmanned underwater vehicle，簡(jiǎn)稱UUV)，并攜帶攝像裝置代替人工進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)采集、上傳所調(diào)查區(qū)域的圖像信息，可以克服人工檢測(cè)的缺點(diǎn)。

1 UUV總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

變壓器箱體本身尺寸有限，內(nèi)部空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，存在窄道以及鐵芯柱、鐵軛等障礙物。為了靈活避開(kāi)各種障礙物，UUV結(jié)構(gòu)必須小巧、緊湊。為了能夠采集到變壓器內(nèi)部各處的圖像，UUV本身必須具有高機(jī)動(dòng)性，要求控制系統(tǒng)必須可以準(zhǔn)確調(diào)控UUV的姿態(tài)。

1.2 UUV方案設(shè)計(jì)

1.2.1 布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

UUV總體布局如圖1所示。為了減小外形尺寸，增加空間利用率，UUV采用了圓柱體外形，外形尺寸直徑為224 mm,高為300 mm，結(jié)構(gòu)小巧緊湊，采用保形設(shè)計(jì)，外緣無(wú)凸起，便于穿過(guò)變壓器內(nèi)部的窄道[3]。

圖1 UUV總體布局

1.2.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性，UUV在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)采用矢量推進(jìn)方式[4]。如圖2所示，水平推進(jìn)系統(tǒng)由偏心布置的4個(gè)推進(jìn)器組成，根據(jù)動(dòng)作需求，相應(yīng)地控制T1、T2、T3、T44個(gè)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生矢量推力或力矩，使UUV實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、側(cè)移或定心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)推進(jìn)器1正向轉(zhuǎn)動(dòng)、推進(jìn)器2反向轉(zhuǎn)動(dòng)且轉(zhuǎn)速相同時(shí)，其推力產(chǎn)生的合力矩使得UUV做原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，合力矩為Mn1。同理，UUV做原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)合力矩為Mn2。

圖2 水平推進(jìn)系統(tǒng)原理

在垂直方向，采用活塞式浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生上浮或下潛運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪副將驅(qū)動(dòng)力傳遞至滾珠絲杠軸上，帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)活塞位置改變排水量從而改變UUV的浮力，使其產(chǎn)生垂直方向的浮沉運(yùn)動(dòng)[5]。

圖3 浮力調(diào)節(jié)裝置三維模型

將電機(jī)和滾珠絲杠軸并列布置，使UUV結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，體積小巧。通過(guò)裝在步進(jìn)電機(jī)上的編碼器解算活塞位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮力的精確調(diào)節(jié)。

2 UUV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能分析

根據(jù)UUV的功能需求，要求控制系統(tǒng)具備以下功能：

a.任務(wù)功能。需要實(shí)時(shí)采集變壓器內(nèi)部高質(zhì)量視頻或者照片，并實(shí)時(shí)回傳畫(huà)面供變壓器檢修人員觀察。

b.導(dǎo)航定位功能。控制UUV航向、深度與姿態(tài)，并結(jié)合視頻實(shí)現(xiàn)UUV的實(shí)時(shí)定位。

c.通信功能。實(shí)現(xiàn)岸基上位機(jī)和UUV的通信，使UUV能夠?qū)崟r(shí)接收到來(lái)自岸基的控制指令，并上傳自身的狀態(tài)信息和所拍攝的畫(huà)面[6]。

d.運(yùn)動(dòng)控制功能?？刂芔UV實(shí)現(xiàn)上浮下潛、懸停、前進(jìn)后退和側(cè)移等運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)UUV的高精度控制。

2.2 方案設(shè)計(jì)

UUV控制系統(tǒng)組成如圖4所示，主要由上位機(jī)、通信模塊、下位機(jī)、任務(wù)模塊、導(dǎo)航定位模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊組成。

圖4 UUV控制系統(tǒng)組成

上位機(jī)是操作人員直接交互的對(duì)象，布置在岸基上；上位機(jī)通過(guò)通信模塊向下位機(jī)下達(dá)指令，使UUV完成相應(yīng)動(dòng)作。同時(shí)，下位機(jī)也通過(guò)通信模塊反饋UUV的位置、姿態(tài)等信息。

UUV的任務(wù)模塊的核心功能為攝像功能，攝像頭將拍攝到的視頻圖像信息經(jīng)通信模塊反饋給上位機(jī)。

導(dǎo)航定位模塊實(shí)現(xiàn)UUV的姿態(tài)與深度信息的采集，解算出UUV的深度與姿態(tài)[7]。

運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)姿態(tài)信息與控制指令驅(qū)動(dòng)水平推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)UUV在水平面內(nèi)位置和航向角的精確控制；根據(jù)深度傳感器反饋的深度信息，采用合理的控制算法，驅(qū)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高精度的深度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)的圖像采集。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

UUV控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括安裝在岸基的上位機(jī)部分和安裝在UUV內(nèi)的控制執(zhí)行部分。

圖5 UUV控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

UUV的上位機(jī)選用PC，上位機(jī)軟件使用LabVIEW軟件編寫(xiě)。通過(guò)該軟件界面向下位機(jī)發(fā)送控制指令，能夠在屏幕上顯示下位機(jī)反饋的傳感器數(shù)據(jù)、UUV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及視頻畫(huà)面。

2.5 下位機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的UUV的下位機(jī)主控板采用STM32F103ZET6芯片型號(hào)的單片機(jī)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil uVision5。

STM32單片機(jī)通過(guò)Wireless接口連接無(wú)線模塊，PC機(jī)外接無(wú)線串口模塊。推進(jìn)器采用PWM調(diào)速的無(wú)刷直流電機(jī)，所以需配置無(wú)刷電調(diào)。浮力調(diào)節(jié)裝置的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。絲杠與活塞行程有限，為防止行程超限，需加入光電限位開(kāi)關(guān)。深度信息由深度傳感器采集，姿態(tài)信息由姿態(tài)傳感器采集。

主控板可以接收并解讀上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令，或向上位機(jī)反饋UUV的狀態(tài)信息。接收指令后可以驅(qū)動(dòng)水平和垂直推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)器或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使UUV完成相應(yīng)動(dòng)作。

3 控制算法與仿真

在已有的控制算法中，經(jīng)典的PID控制算法因其易于工程化被廣泛應(yīng)用于水下航行器領(lǐng)域?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制具有較強(qiáng)的魯棒性，即使系統(tǒng)的模型不精確或受到未知外界干擾也可有效應(yīng)對(duì)[8]。本文分別研究了PID控制算法和滑模變結(jié)構(gòu)控制算法下航向角角度、角速度與垂直方向速度、活塞位置的變化情況；根據(jù)仿真結(jié)果，選用了滑?？刂疲朔朔蔷€性系統(tǒng)難以控制的缺點(diǎn)[9]。

3.1 基于控制輸入抗飽和的滑模模型

UUV在水平或垂直方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，推進(jìn)器或浮力調(diào)節(jié)裝置所能提供的推力和浮力的調(diào)節(jié)值有限，可能達(dá)不到算法需要的調(diào)節(jié)值。這一控制輸入受限問(wèn)題在某種程度上會(huì)影響到UUV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此針對(duì)該“控制輸入飽和”問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破?。

通過(guò)定義輔助分析系統(tǒng)，采用輸入飽和誤差動(dòng)態(tài)放大的方法，可實(shí)現(xiàn)基于控制輸入抗飽和的滑模控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)示意如圖6所示。

圖6 基于控制輸入受限的閉環(huán)控制系統(tǒng)

通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的自適應(yīng)輔助系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)控制飽和的補(bǔ)償。該自適應(yīng)輔助系統(tǒng)為

(1)

Δu=ut-v，ut為受限的控制量，即圖6中u，v為受限前的控制量，且ut=satv，satv為控制輸入飽和函數(shù);c1、c2分別為系數(shù)。

設(shè)計(jì)控制器為

c2λ2-ηsgns]

(2)

Xd為目標(biāo)指令信號(hào)；η為切換項(xiàng)增益，閉環(huán)系統(tǒng)是有效且穩(wěn)定的；x2=f(x,t)+but+dt,其中b≠0，dt為未知干擾。

當(dāng)模型不確定性和干擾較大時(shí)，η較大，會(huì)產(chǎn)生較大的抖振。為了避免抖振，滑模控制器中采用飽和函數(shù)sats代替符號(hào)函數(shù)sgns。

則可變?yōu)?/p>

c2λ2-ηsats]

(3)

3.2 水平運(yùn)動(dòng)控制算法研究

3.2.1 水平運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

該UUV的水平控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 水平控制系統(tǒng)

水平控制器輸出水平運(yùn)動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩，并分配到相應(yīng)的推進(jìn)器；由于各推進(jìn)器間的推力差值不能過(guò)大，因此對(duì)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行限速，即對(duì)推力和相應(yīng)的力矩進(jìn)行限幅。

3.2.2 水平運(yùn)動(dòng)控制算法

水平運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

ρ為水的密度；Iz為Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；Nr為沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩；TN為Z坐標(biāo)軸上的推力矩；Sr為UUV的Z軸方向特征面積。

由式(3)可得出UUV的水平運(yùn)動(dòng)滑?？刂破鳛?/p>

(5)

3.2.3 水平運(yùn)動(dòng)仿真分析

在MATLAB中，搭建水平運(yùn)動(dòng)仿真程序。水平控制器輸出的轉(zhuǎn)矩的值分配到相應(yīng)的推進(jìn)器，使其產(chǎn)生相應(yīng)的推力以進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)[10]。

2種控制器作用下UUV的航向角角度、航向角角速度變化曲線，分別如圖8和圖9所示。

圖8 航向角角度變化曲線

圖9 航向角角速度變化曲線

由圖8和圖9可知，UUV從0轉(zhuǎn)動(dòng)到0.5 rad這一過(guò)程中，PID控制器的響應(yīng)速度比基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鞯捻憫?yīng)速度慢，且PID控制器存在超調(diào)現(xiàn)象，使UUV在目標(biāo)角度附近持續(xù)震蕩。根據(jù)上述UUV水平運(yùn)動(dòng)的仿真案例可知，在對(duì)水平運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)，基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鲀?yōu)于PID控制器。

3.3 垂直運(yùn)動(dòng)控制方法研究

3.3.1 垂直運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

該UUV的深度控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 深度控制系統(tǒng)

3.3.2 垂直運(yùn)動(dòng)控制算法

垂直運(yùn)動(dòng)方程為

(6)

由式(3)可得UUV的垂直運(yùn)動(dòng)滑?？刂破鳛?/p>

(7)

3.3.3 垂直運(yùn)動(dòng)仿真分析

在試驗(yàn)條件下，UUV通常配平至正浮力狀態(tài)，浮力和重力差值在0.05 N以內(nèi)，所以當(dāng)UUV完成深度調(diào)節(jié)后，要實(shí)現(xiàn)深度懸停需不斷調(diào)節(jié)活塞位置。因此在該仿真案例中，當(dāng)UUV完成深度調(diào)節(jié)后，向控制系統(tǒng)添加持續(xù)干擾以表示重浮力差值，使仿真模型更接近真實(shí)條件，干擾大小為 Δf=0.05×sint。為了體現(xiàn)基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鞯聂敯粜裕瑢⑵渑c經(jīng)典的PID控制器進(jìn)行對(duì)比。

本仿真案例中UUV在垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，垂直方向初始速度為0，初始深度為0，期望深度值為1 m。PID控制器和基于控制輸入抗飽和的滑模控制器參數(shù)分別設(shè)置為：PID控制器的參數(shù)為KP=3,KI=0.001,KD=20；基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鲄?shù)為c=0.28，c1=c2=0.35，η=D+0.1，D=0.1。

受持續(xù)干擾時(shí)，2種控制器作用下UUV的深度、垂直方向速度和活塞位置變化曲線分別如圖11～圖13所示。

圖11 持續(xù)干擾下UUV的深度變化曲線

圖12 持續(xù)干擾下UUV的垂直方向速度變化曲線

圖13 持續(xù)干擾下UUV的活塞位置變化曲線

2種控制器下深度變化曲線如圖11所示。當(dāng)有持續(xù)干擾作用時(shí)，PID控制器作用下的UUV深度波動(dòng)范圍為0.961～1.030 m，不滿足垂直方向懸停精度30 mm的技術(shù)要求。而基于控制輸入抗飽和的滑模控制器作用下，UUV深度波動(dòng)范圍為0.980～1.010 m，滿足要求。垂直方向速度變化曲線如圖12所示，PID控制器作用下的UUV速度波動(dòng)范圍為-0.033～0.031 m/s，而滑模控制器作用下的UUV速度波動(dòng)范圍為-0.019～0.019 m/s，速度波動(dòng)范圍明顯小于PID控制器。活塞位置變化曲線如圖13所示，滑?？刂破髯饔孟碌腢UV活塞位置變化相對(duì)PID控制器作用下的更平滑。

基于上述UUV垂直方向運(yùn)動(dòng)的仿真案例，在持續(xù)干擾作用下，基于控制輸入抗飽和的滑?？刂破鞯聂敯粜詢?yōu)于PID控制器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)UUV的深度調(diào)節(jié)和懸?？刂?。

4 原理樣機(jī)試驗(yàn)研究

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，研制了UUV原理樣機(jī)，并進(jìn)行了水池試驗(yàn)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了測(cè)試分析。

4.1 水平混合運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

水平混合運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)下水初始位置航向，設(shè)定初始航向角為-115°，15 s后，航向角設(shè)定為45°，航行過(guò)程中，姿態(tài)傳感器記錄航向數(shù)據(jù)。

UUV通過(guò)改變推進(jìn)器1和推進(jìn)器2的轉(zhuǎn)速，控制UUV沿航向角為-115°的直線航行。15 s后，推進(jìn)器1和推進(jìn)器2停止工作，在推進(jìn)器3和推進(jìn)器4開(kāi)始工作，UUV減速停止(推進(jìn)器位置見(jiàn)圖2)，做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，沿航向角45°直線航行行駛一段時(shí)間后減速停止。

混合運(yùn)動(dòng)的航向角記錄曲線如圖14所示。航向角分別在-110.5～-124.3°和34.4～42.5°之間浮動(dòng)，說(shuō)明航向角控制精度約在13.8°以內(nèi)。

圖14 混合運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)航向角曲線

4.2 懸停運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)UUV的懸停功能進(jìn)行了測(cè)試，UUV先下潛，到達(dá)目標(biāo)深度后懸停一段時(shí)間，再做上浮運(yùn)動(dòng)。測(cè)試時(shí)，懸停深度設(shè)為200 mm，UUV下潛運(yùn)動(dòng)時(shí)先加速后減速，懸?？刂粕疃葹?00 mm，深度傳感器記錄的深度曲線如圖15所示。根據(jù)壓力曲線在15～25 s時(shí)間內(nèi)變化的情況，可以估算懸停精度控制在30 mm以內(nèi)。

圖15 垂直運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)深度變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)油浸式變壓器內(nèi)部檢測(cè)UUV的控制系統(tǒng)與算法進(jìn)行了理論分析與設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件仿真對(duì)比得到合理算法，水池試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。不足之處是由于試驗(yàn)條件限制，未能對(duì)懸?？刂凭冗M(jìn)行充分測(cè)試分析，并對(duì)相應(yīng)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。