樹障清理機器人的設計與實現

鄭曉斌

(福建船政交通職業學院，福建 福州，350007)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展,國家的電網規模和覆蓋范圍越來越大,電網達到了全覆蓋的要求.隨著電網的建設,也給電力工作人員帶來了電網維護的問題.尤其是對于深山或者環境復雜的區域,高大樹木以及復雜的地形等會妨礙電網的鋪設、后續電網的維護等.這些問題會導致人們在用電的過程中出現跳閘、斷電等故障,出現用電危險.為了保證用電安全,人們會對樹障進行清理,即樹障清理.傳統的樹障清理方法是采用人工帶著電鋸工具攀爬或者利用升降車的方式進行樹障的清理,這種方式清理效率低下、工人的作業環境過于危險,易發生工人墜落或觸電的安全事故[1-2].

空中機器人是在無人機上搭載傳感器、微控制器等設備,通過這些設備對無人機的飛行過程進行感知和控制等,具有自主執行任務的能力,使其在飛行過程中可以完成指定任務的飛行器[3].這種飛行器具有易操控、自動化程度高和可應用范圍廣的特點,在農業等領域已經有良好的應用,尤其在噴灑農藥、測繪和監控方面,可以有效地提高作業效率、降低人工作業成本等,有效實現了農業智能化.可以考慮將空中機器人應用于樹障清理方面,以保證人員安全、提高作業效率.

在對樹障進行清理時,需要利用各類不同的刀鋸依據樹木狀態進行調換使用,若使用空中機器人搭載刀鋸進行作業,一方面刀鋸的質量較大,對空中機器人的搭載能力要求較高;一方面樹障清理時,刀鋸運轉和接觸時對控制系統的影響較大,很難保證對機器人姿態的控制,還需要重點對其姿態控制進行設計.目前,國內主要集中在高校對樹障清理空中機器人進行研究,但是還沒有成熟的產品.產品的問題主要集中在機器人空中姿態控制不穩定以及數據傳輸不穩定方面[4].本文將對樹障清理空中機器人進行設計和研究.

1 樹障清理空中機器人結構設計

1.1 總體設計

樹障清理空中機器人需要滿足易攜帶、輕質量、對起飛環境無要求、可遠程操控、能夠切斷樹枝、飛行姿態穩定的要求.根據以上要求,設計了樹障清理空中機器人,該機器人的結構組成主要包括多旋翼無人機、控制系統、遠程監控系統、通信系統和刀具裝置.該樹障清理空中機器人的結構簡圖如圖1所示.

圖1 樹障清理空中機器人結構簡圖

1.2 多旋翼無人機

多旋翼無人機是機器人的主體部分,為了提高機器人的穩定性和裝載能力,采用易控制、穩定性強的四旋翼無人機作為機器人的主體.多旋翼無人機的主要組成包括機架、動力裝置、電源、傳感器模塊和攝像頭.

機架用于安裝無人機的各項系統,為了減小無人機質量,提高推動比,集體采用低密度的碳纖維復合材料,并增加涵道構型的推進器,控制無人機在高度不變的情況下,無人機的前進和后退.

動力裝置用于為無人機提供飛行和作業動力,主要包括四個電機、電機調速器、螺旋槳和電調.其中電機和螺旋槳通過輸出軸連接,電機運行速度由電調接收控制系統的信號進行控制.無人機通過動力裝置控制時,主要以豎直爬升和下降、懸停和轉彎的方式進行行駛,以實現對樹障的清理.無人機在這幾個行駛方式的受力狀態如圖2所示.

圖2 無人機在3個不同形式方式的受力狀態

電源用于為無人機的作業過程如飛行過程、刀具裝置對樹障的清理過程和監控過程等進行供電,該部分主要包括電池組和轉換電路.對于無人機來說,電池組的原始電壓即可進行供電.而對于刀具裝置和監控裝置等,則需要轉換電路進行變壓后供電.

傳感器模塊主要用于實時采集無人機的行駛狀態,包括飛行速度、飛行高度、氣壓狀態以及位置信息等.該模塊主要設置了GPS、航向傳感器、慣性測量單元、姿態角傳感器,用戶還可根據自身需要加裝相應的傳感器,以實現對應要求.

攝像頭安裝于機體上方,面向刀具裝置安裝,用于實時監控樹障以及樹障的清理狀態,并實時傳遞至遠程監控系統,以及時對刀具裝置進行相關的指令控制,保證清理結果.

1.3 控制系統

控制系統是樹障清理空中機器人的核心部分,用于對整個機器人的作業過程如飛行姿態的控制、飛行路線的設定、導航、數障清理等過程進行整體的控制.控制系統主要包括飛行控制器、遙控器和遠程控制器.

1.4 遠程監控系統和通信系統

遠程監控系統用于對樹障清理空中機器人的作業和飛行狀態數據進行顯示并操控.該系統主要包括地面監控計算機、鍵盤.遠程監控系統實現數據顯示的過程如圖3所示.

圖3 遠程監控系統實現數據顯示的過程

通信系統主要用于實現樹障清理空中機器人與遠程監控系統之間的數據傳輸.為了保證數據傳輸的速度和準確性,采用無線數字傳輸裝置進行數據傳輸.樹障空中機器人的通信系統進行數據傳輸的過程如圖4所示.

圖4 通信系統進行數據傳輸的過程

1.5 刀具裝置

刀具裝置是用于完成對樹障的清理,通過接收控制系統的指令,完成作業過程.刀具裝置主要包括機械臂、電機、刀具控制裝置和鋸片.其中機械臂連接在多旋翼無人機的前部,鋸片通過電機控制并安裝在機械臂上.刀具控制裝置安裝于機械臂內部,與控制系統連接,接收指令,從而實現對刀具裝置的控制.

2 姿態控制算法設計

樹障清理空中機器人要自主完成樹障清理作業,需要無人機能夠對其姿態具有良好的控制特性,包括姿態、高度和水平位置等能夠協調控制.為了達到以上要求,對無人機的姿態控制過程進行了設計.

首先,對無人機在飛行過程的受力情況進行分析,并建立動力學模型,為飛行過程的姿態控制建立基礎;其后,采用融合算法對無人機飛行過程的傳感器數據進行處理,以保證數據的精準性和準確性;最后,采用PID控制算法對無人機的姿態控制器進行設計,使無人機能夠按照預設路線和作業過程進行飛行.

2.1 動力學模型的建立

為了保證無人機動力學模型建立的準確性,需要將無人機視作密度均勻且完全對稱的剛體,將地面的遠程監控系統視作地面坐標系,將無人機質心作為原點,并視作無人機坐標系[5].在建立無人機動力學模型時,首先需要確定地面和無人機坐標系之間的關系,關系圖如圖5所示.

圖5 地面和無人機坐標系之間的關系圖

對于地面坐標系和無人機坐標系中的任意點,坐標分別為Sd(xd,yd,zd)和Sw(xw,yw,zw).為了獲取無人機坐標系,將地面坐標系按照順序進行三次變換,分別是以原點為圓心轉動α的偏航角、再轉動β俯仰角、再轉動γ滾轉角,即可獲取無人機坐標系,這三次變換獲取的變換坐標分別如式(1)、(2)和(3)所示:

(1)

(2)

(3)

對無人機的受力情況進行分析后,發現進行坐標變換的無人機在地面坐標系下只受到豎直方向z軸的力.此時無人機受到的力Fz可以用式(4)計算:

(4)

(5)

式中的C為無人機繞質量中心轉動時的變換矩陣.根據牛頓第二定律,在地面坐標系下對上式進行變化,可以得到:

(6)

式中的δ為各旋翼升力的比例系數;b為旋翼旋轉速度的比例系數;無人機的四個旋翼均布,d為四個旋翼的中心位置與無人機的中心位置距離.由此確定了樹障清理空中機器人的姿態控制方程.

2.2 傳感器數據的融合處理

在無人機作業過程中,若采用單傳感器進行姿態參數和環境參數的測量,使測量過程僅使用單一的角度測量系統進行采集,采集系統容易受到環境噪聲等的干擾,使傳感器的測量結果誤差較大.

為了對無人機的姿態進行精確的采集并控制,可以采用多個傳感器進行相關姿態參數的測量,從多個角度反映無人機的飛行姿態,其后采用多傳感器信息融合的方式對姿態參數進行計算.多角度的測量方式可以看做是相互獨立、且結果視為非正交狀態,這種方式可以有效地降低噪聲等對測量結果的影響.然后將計算結果作為當前的飛行姿態信息傳遞至控制系統,從而實現對飛行姿態的精確控制[8-9].

一般對無人機的姿態測量,主要包括航向、角速度、加速度和飛行高度.對于航向的測量,采用結構簡單、易控制且不易受到電磁干擾的羅磁盤進行航向的測量.為了保證航向的測量準確性,將磁羅盤測量的航向角度結果與測量的噪聲結合,作為實際的輸出航向角度輸出結果θ,計算方式如下:

θ=ψ+μ

(8)

式中的Ψ為磁羅盤的航向角度測量結果;μ為噪聲對航向角度結果的影響.在測量過程中,航向角度的能量狀態符合以下要求:

E[μ(t)]=0

(9)

式中的μ(t)為量測噪聲;τ為噪聲周期;σμ為噪聲幅值.

角速度是采用陀螺儀進行測量,并綜合噪聲對角速度的影響,獲取輸出角速度結果.無人機的角速度的輸出結果v可通過式(10)計算:

(10)

式中的[θx,θy,θz]T為陀螺儀的測量角速度結果;[px,py,pz]T為測量過程中系統自身的漂移,一般可以看做為常量;[mx,my,mz]T為噪聲對角速度測量結果的影響.

加速度是采用加速度計進行測量,結合噪聲和重力加速度對加速度計測量結果的影響,無人機飛行過程的加速度輸出結果f可通過下式計算:

f=c+g·T(β)+m

(11)

式中的c為加速度計的測量結果;g·T(β)為重力加速度在俯仰角方向的分量;m為噪聲對加速度的影響.

無人機的飛行高度是利用氣壓高度傳感器進行測量,結合噪聲、大氣壓、重力勢場等對高度測量結果的影響.無人機飛行過程中高度結果h可通過下式計算:

+E+mh

(12)

式中的λ為高度偏差系數;hs、t和Pa分別為大氣重力勢、溫度和壓力的最小值;ε為溫度的變化速率;M為空氣常數;E為無人機高度測試的自帶誤差;mh為噪聲對高度結果的影響.通過以上測量方式可以獲取無人機準確的飛行姿態參數.

2.3 PID控制算法設計

樹障清理空中機器人的姿態控制主要是通過雙層的PID控制算法進行閉環控制.其中第一層是對飛行角度包括偏航角、俯仰角和滾轉角的控制,第二層是對無人機的飛行高度等位置的控制.這種控制方式具有響應速度快和超調小等優點.PID控制方法進行無人機姿態控制結構圖[10-11]如圖6所示.

圖6 PID控制方法進行無人機姿態控制的結構圖

對飛行角度控制時,以俯仰角為例,采用PID控制器進行控制的規律如式(13)所示:

式中的βn和βs分別為當前和期待的俯仰角.

對于無人機的飛行位置,以高度為例,采用PID控制器進行控制的規律如式(14)所示:

(14)

式中的hn和hs分別為當前和期待的無人機飛行高度.

3 試驗結果

為了驗證該樹障清理空中機器人的性能,需要對其進行相關試驗.考慮到本文主要針對機器人的姿態控制系統進行了設計,因此在進行試驗時,主要進行姿態控制試驗和樹障清理試驗.

3.1 姿態控制試驗

采用本文設計的姿態控制算法對機器人的姿態進行控制,設定PID控制器的Kp值為5.4,Ki值為0.21,Kd值為100.以俯仰角為例,使用該控制器進行仿真試驗,其輸出響應曲線如圖7所示.

圖7 仿真試驗的輸出響應曲線

由圖7可知,該機器人姿態控制的PID控制器具有很好的動態性能和穩定性.其后采用該姿態控制算法對機器人的俯仰角等的響應特性進行測試,測試結果如圖8所示.

圖8 姿態控制算法對俯仰角等的響應測試結果

由圖8可知,機器人的動態和靜態響應良好,響應時間較短,超調量也符合設計要求.

3.2 樹障清理試驗

樹障清理空中機器人設計的最終目的是對樹障進行清理,除了需要機器人具有良好的姿態控制以外,還需要具有姿態保持能力、樹障切割能力等.首先,啟動機器人,控制機器人飛向樹障附近.其后,調整機器人的飛行姿態,使其刀具裝置與樹障平齊.以上操控過程,機器人均可順利實現.然后,調整機器人的狀態為切割狀態,驗證機器人是否可實現對樹障的清理.為了保證試驗結果的準確性,選取不同直徑尺寸的樹障進行清理,并重復以上過程.試驗結果如表1所示.

表1 數障清理試驗結果

由表1可知,樹障清理空中機器人可以實現對樹障的清理,最大可清理樹障直徑約為4 cm,切割最長時間為3 s,可以滿足樹障清理的要求.

4 結 論

深山或者環境復雜的區域,高大樹木以及復雜的地形等問題會影響電力設備維護,使人們在用電的過程中出現故障,出現用電危險.為了保證用電安全,減少人工進行樹障清理造成的安全事故,提高清理效率,本文主要進行了以下工作:

(1)建立了樹障清理空中機器人,該機器人的結構組成主要包括多旋翼無人機、控制系統、遠程監控系統、通信系統和刀具裝置.

(2)采用融合算法對無人機飛行過程的傳感器數據進行處理.確定地面坐標系和無人機坐標系的關系,建立空中機器人的動力學模型.充分考慮環境等因素對空中機器人傳感器采集數據的影響,建立的融合算法,對傳感器采集數據進行處理.

(3)采用PID控制算法對空中機器人的姿態控制器進行設計.充分考慮了空中機器人的飛行角度和高度,采用PID控制器進行雙層的閉環控制,并對控制器算法進行了設計.

(4)為了驗證該樹障清理空中機器人的性能,對其進行了姿態控制試驗和樹障清理試驗.試驗結果表明機器人可以實現對姿態的有效控制,且可以實現對樹障清理的要求.