基于激光測距的變電站水沖洗機器人的水沖洗控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光測距的變電站水沖洗機器人的水 沖洗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)經(jīng)濟和城市建設(shè)的飛速發(fā)展，對變電站供電的連續(xù)性和質(zhì)量提出了越來 越高的要求。然而由于輸電線路設(shè)備長期暴露在大自然中，特別是工業(yè)區(qū)域，沿海和鹽堿地 區(qū)域，受工業(yè)廢氣、海水和自然界鹽堿、粉塵的影響，通常會在其絕緣子表面形成一定程度 的污穢。送些含有鹽、酸、堿性成分的污穢，一般來說可溶于水，污穢溶于水后成為電解質(zhì)， 具有很強的導(dǎo)電性。受到污染的絕緣子，電導(dǎo)增大，絕緣性能降低，泄漏電流急劇增加，其閃 絡(luò)電壓大大降低，此時就容易發(fā)生污垢閃絡(luò)。當絕緣子設(shè)計泄露比距不夠或采用的絕緣子 不能滿足污穢要求時，污閃很有可能出現(xiàn)。污閃事故一旦發(fā)生，可直接導(dǎo)致用戶大面積、長 時間停電，致使供電可靠率下降，從而給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用電帶來嚴重的負面影響。 防止輸電線路污閃，防止電網(wǎng)大規(guī)模停電事故的發(fā)生，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和電力可靠 供應(yīng)就顯得尤為重要。
[0003] 目前，變電站絕緣子水沖洗存在的問題是：
[0004] 1、變電站絕緣子的清掃工作主要采用停電人工清掃或帶電水沖洗。采用停電人工 清掃質(zhì)量低、設(shè)備清掃工作處于被動狀態(tài)，不能得到適時的清掃，送些都會對變電站輸電線 路的安全穩(wěn)定運行造成一定的隱患。
[0005] 2、部分變電站絕緣子的清掃工作依靠機器進行，但是自動化水平低，控制不夠精 確，從而導(dǎo)致對變電站絕緣子的清掃不夠徹底，不能滿足安全要求。
[0006] 基于此發(fā)明的變電站水沖洗機器人能夠?qū)崿F(xiàn)帶電作業(yè)，穩(wěn)定高效水沖洗，有利于 電網(wǎng)的穩(wěn)定運行?，F(xiàn)在，水沖洗機器人的研發(fā)如火如茶，而關(guān)于水沖洗機器人進行水沖洗作 業(yè)時的路徑規(guī)劃問題還不完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種基于激光測距的變電站水沖洗機 器人的水沖洗控制方法，該沖洗控制方式用來規(guī)劃水沖洗機器人對絕緣子進行沖洗的路 徑，調(diào)整噴槍與絕緣子之間距離，沖洗過程中調(diào)節(jié)沖洗出水速度形成卡口潤街等。能有效的 保證機器人在沖洗過程中平滑運行，實現(xiàn)誤差和加速度可控，并具有良好的沖洗效果。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0009] 基于激光測距的變電站水沖洗機器人的水沖洗控制方法，包括：
[0010] 步驟一：根據(jù)安裝在沖洗平臺上的激光測距儀和監(jiān)控攝像頭采集距離及監(jiān)控的圖 像得到當前機器人與絕緣子之間的相對H維坐標值，判斷兩者相對距離是否是安全距離， 若是，進行下一步，若不是，調(diào)整沖洗平臺的位置，直至該相對距離為安全距離；確定路徑規(guī) 劃的起始狀態(tài)；
[0011] 步驟二：采用直線插補方式實現(xiàn)水沖洗機械臂對絕緣子串的上下方向的自動沖 洗；
[0012] 步驟H;采用逐點比較法的圓弧插補方式實現(xiàn)噴頭能夠?qū)Τ驒C器人一側(cè)的絕緣 子串進行清洗；
[001引步驟四：在進行水沖洗時，通過調(diào)節(jié)水槍出水□徑及出水速度，形成卡口潤街并實 現(xiàn)對絕緣子串振動頻率的調(diào)節(jié)。
[0014] 所述步驟二中，具體過程為：
[0015] (2-1)在沖洗過程中，安裝在各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸上的角位移傳感器采集得到起始時刻 及終止時刻操作臂的各關(guān)節(jié)角度；
[0016] (2-2)對于單個關(guān)節(jié)的平穩(wěn)運動，軌跡函數(shù)0 (t)至少滿足四個約束條件，根據(jù)約 束條件對應(yīng)的約束方程唯一的確定一個H次多項式；
[0017] (2-3)根據(jù)該H次多項式得到運動軌跡的關(guān)節(jié)速度與加速度，將運動軌跡的關(guān)節(jié) 速度與加速度代入約束方程得到H次多項式的系數(shù)，該系數(shù)確定了沖洗時間與沖洗角度的 關(guān)系；
[0018] (2-4)根據(jù)絕緣桿的長度及H次多項式得到?jīng)_洗過程中絕緣桿的長度隨時間的 變化關(guān)系，對（l，d，0。，0f)進行插值，生成水沖洗機械臂對絕緣子串的上下方向的沖洗軌 跡。
[0019] 所述約束條件，其中兩個是起始點和終止點對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度：
[0020] 0 (0) = 0 0 ；
[0021] 0 (tf) = 0 f ;
[0022] 其中，0。，0f為起始點和終止點的關(guān)節(jié)角度；
[0023] 為了滿足關(guān)節(jié)運動速度的連續(xù)性要求，另外還有兩個約束條件，即起始點與終止 點的關(guān)節(jié)速度要求，并規(guī)定：
[0024] 0 ' （0) = 0 ;
[002引 目 '（tf) = 0 ;
[0026] 其中，0 ' (0)，0 ' (tf)為起始點和終止點的關(guān)節(jié)角速度。
[0027] 所述四個邊界的約束條件唯一的確定了一個H次多項式：
[0028] 0 (t) =a〇+ait+a2t^+a3t^ (1)；
[002引其中，0 (t)為時間參變量t時刻的關(guān)節(jié)角度，a。，曰1，曰2,曰3為待定系數(shù)。
[0030] 所述運動軌跡的關(guān)節(jié)速度與加速度為：
[003。 0，（t) =ai+2a2t+3a3t2 0)
[0032] 0 " (t) = 2a2+6aat(3)
[0033] 所述將運動軌跡的關(guān)節(jié)速度與加速度代入約束方程（1)，得到待定系數(shù)a。，ai，曰2， 日3 :
[0034] a〇 =白0
[0035] 曰1 = 0
[0036]
[0037]
[0038] 由此確定了時間與角度的關(guān)系，當進行沖洗時，車體相對于絕緣子的距離是一定 的，設(shè)為d，可得絕緣桿的長度1 =d/sin目，帶入公式0 (t)=曰。+曰護曰2&曰3*3,可W得到 沖洗過程中絕緣桿的長度隨時間的變化關(guān)系：
[0039]
[0040] 利用逐點比較的圓弧插補法，對（1，d，0。，0f)進行插值，生成水沖洗機械臂對絕 緣子串的上下方向的沖洗軌跡。
[0041] 所述步驟H中，逐點比較的圓弧插補法具體過程如下：
[004引圓弧起點坐標為狂。，Y。），終點坐標為化，Ye)，對于圓弧上任一點化，Yi)，有：X^+Y/ =r2,令F=Xi2+Yi2-r2為偏差函數(shù)，當F> 0時，該點在圓夕b向-X方向運動一步； 當F< 0時，該點在圓弧內(nèi)，向巧方向運動一步；為使運動繼續(xù)下去，將F= 0歸入F> 0 的情況，插補運動始終沿著圓弧并向終點運動。
[0043] 圓弧插補的判別計算可采用如下的迭加運算：
[0044] 設(shè)當前點化，Yi)對應(yīng)的偏差函數(shù)為
[0045] Fi=Xi2巧i2_r2
[0046] 當噴槍沿-X方向走一步后：
[0047] Fw=化-1)2巧i2_r2二Fi_2Xi+i
[0048] 當噴槍沿巧方向走一步后：
[0049] Fw=Xi2+(Yi+1)2-r2 =Fi+2Yi+1
[0050] 終點判別可由n=IXg-X。I+1Yg-Y。I判別，每走一步使n=n+1,直至n= 0為止。
[0051] 所述步驟四中，卡口潤街形成的條件；在流體中的圓柱體，其雷諾數(shù)滿足 47<Re<l〇5,雷諾數(shù)用來表征流體流動情況，WRe表示，Re=Pvl/n，其中V、P、n分別為 流體的流速、密度與黏性系數(shù)，1為一特征長度；
[0052] 絕緣子串振動頻率與流體（水）速度成正比，與阻流體的正面寬度成反比，卡口潤 街頻率與流體速度和阻流體即旋潤發(fā)生體寬度有如下關(guān)系：f=SfV/d，其中f=卡口潤街 頻率；Sf=斯特勞哈爾數(shù)；V=流體速度；d=阻流體迎面寬度；
[0053] 通過調(diào)節(jié)水槍出水口徑及出水速度，形成卡口潤街并實現(xiàn)對絕緣子串振動頻率的 調(diào)節(jié)，W產(chǎn)生良好的沖洗效果。
[0054] 沖洗絕緣子時，水流從絕緣子兩側(cè)剝離，形成交替的潤流，送種交替的潤流，使絕 緣子兩側(cè)水流的瞬間速度不同，水流速度不同，絕緣子兩側(cè)受到的瞬間壓力也不同，因此使 絕緣子發(fā)生振動，通過絕緣子的送種震動達到清除污垢的效果。通過調(diào)節(jié)水槍出水口徑及 出水速度，形成卡口潤街并改變振動頻率，W增強水沖洗機器人的水沖洗效果。
[00巧]本發(fā)明的有益效果：
[0056] 1)所得軌跡能保證在上下方向直線段與面向噴頭一側(cè)的圓弧段之間的沖洗位置 和速度連續(xù)。能使機器人的執(zhí)行時間最小化，從而提高水沖洗機器人的沖洗效率，使機器人 的執(zhí)行機構(gòu)更容易跟蹤。
[0057] 2)采用攝像頭和激光測距儀，實時監(jiān)測當前的位置，使機器人工作在安全距離，保 證沖洗軌跡的起點和終點定位準確，從而提高沖洗的質(zhì)量和效率。
[0058] 3)運用了卡口潤街的原理，能夠在最小限度的運動下提高沖洗水平，保證絕緣子 串上的污垢被最大限度的清理。
【附圖說明】
[0059] 圖1水沖洗控制方式的流程圖；
[0060] 圖2水沖洗方式的示意圖；
[0061] 圖3圓弧插補的軌跡示意圖。
【具體實施方式】：
[0062] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：
[0063] 如圖1-3所示，基于激光測距的變電站水沖洗機器人的水沖洗控制方法，包括W 下步驟：
[0064] 步驟一；建立機器人路徑規(guī)劃模型；根據(jù)安裝在沖洗平臺上的激光測距儀可獲得 機器人與絕緣子之間的縱深距離，再對由監(jiān)控攝像頭獲得的圖片進行圖像識別，從而可獲 得機器人和絕緣子之間的H維坐標值，同時亦可判斷當前機器人與絕緣子之間的相對距 離，保證作業(yè)距離在安全范圍W內(nèi)并判斷機器人所處的位置，確定路徑規(guī)劃的起始狀態(tài)；
[0065] 步驟二；采用直線插補方式實現(xiàn)水沖洗機械臂對絕緣子串的上下方向的自動沖 洗；
[0066] 步驟H;采用逐點比較法的圓弧插補方式實現(xiàn)噴頭能夠?qū)Τ驒C器人一側(cè)的絕緣 子串進行清洗；
[0067] 步驟四：在進行水沖洗時，通過調(diào)節(jié)水槍出水□徑及出水速度，形成卡口潤街并實 現(xiàn)對絕緣子串后側(cè)部位的沖洗。
[0068] 根據(jù)沖洗平臺上的激光測距儀和監(jiān)控攝像頭判斷當前機器人與絕緣子之間的相 對距離，保證作業(yè)距離在安全范圍W內(nèi)并判斷機器人所處的位置，W確定路徑規(guī)劃的起始 狀態(tài)。
[0069] 在沖洗之前，將沖洗時噴槍與絕緣子串的約束距離、沖洗的方式、系統(tǒng)的動力學(xué)約 束條件，包括關(guān)節(jié)最大加速度，最大速度等導(dǎo)入到水沖洗機器人路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)。
[0070] 圖2為絕緣子沖洗的4個步驟：①從絕緣子底部開始向上沖洗，沖洗到絕緣子四分 之一處，再向下沖洗到底部；②從絕緣子底部開始向上沖洗，沖洗到絕緣子二分之一處，再 向下沖洗到底部；⑨從絕緣子底部開始向上沖洗，沖洗到絕緣子四分之H處，再向下沖洗到 底部；④從絕緣子底部開始向上沖洗，沖洗到絕緣子頂部，再向下沖洗到底部。水沖洗機器 人在實現(xiàn)圖2對絕緣子串①-④步驟的上下方向沖洗時，在沖洗開始采集得到起始時刻及 終止時刻操作臂的關(guān)節(jié)角度。對于單個關(guān)節(jié)的平穩(wěn)運動，軌跡函數(shù)至少滿足四個約束條件。 其中兩個是起始點和終止點對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度：
[007" 0 (0) = 00
[0072] 0 (tf) = 0f
[0073] 為了滿足關(guān)節(jié)運動速度的連續(xù)性要求，另外還有兩個約束條件，即起始點與終止 點的關(guān)節(jié)速度要求，在當前的情況下，即開始沖洗時，規(guī)定：
[0074] 0 ' （0) = 0
[00巧] 0 '（tf) = 0
[0076] 上述四個邊界的約束條件唯一的確定了一個H次多項