基于模糊PID控制的输电线路巡检机器人自平衡机理分析

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230240

摘要/Abstract

摘要：

巡检机器人在风载荷作用下会发生一定的摆动，从而导致巡检结果准确性和可靠性降低，参考旋翼类飞行器设计了巡检机器人在风载荷下的平衡机构.首先，利用电机的动力学方程推导电机电压和转速之间的传递函数，使用叶素法建立旋翼产生的升力与旋翼转速之间的关系，从而建立平衡机构的输入电压和输出升力之间的联系.其次，分析不同方向的风载荷对巡检机器人工作状态的影响，建立了巡检机器人在横向风载荷下的摆动数学模型.最后，将模糊PID（proportional integral derivative）应用于平衡机构的控制中，开展了巡检机器人的数值仿真和样机实验.结果表明：所设计的平衡机构可以有效抑制巡检机器人在风载荷中的摆动.

关键词: 巡检机器人, 风载荷, 摆动模型, 平衡机构, 模糊PID

Abstract:

An inspection robot tends to swing under wind load，which may reduce the accuracy and reliability of inspection results. The balancing mechanism of the inspection robot under wind load was designed with reference to the rotor aircraft. Firstly，the transfer function between the voltage and speed of the motor was derived by using the dynamic equation of the motor，and the relationship between the lift generated by the rotor and the rotor speed was established by using the blade element method，so as to establish the relationship between the input voltage and the output lift of the balancing mechanism.Secondly，the influence of wind load in different directions on the working state of the inspection robot was analyzed， and the swing mathematical model of the inspection robot under transverse wind load was established. Finally，the fuzzy PID （proportional integral derivative） was applied to the control of the balancing mechanism， and the numerical simulation and prototype experiment of the inspection robot were carried out. The results showed that the designed balancing mechanism can effectively restrain the swing of the inspection robot under wind load.

Key words: inspection robot, wind load, swing model, balancing mechanism, fuzzy PID

中图分类号:

TH 133.3

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图/表 24

图1 旋翼系统模型

Fig. 1 Rotor system model

图2 巡检机器人简化模型

Fig. 2 Simplified model of the inspection robot

图3 旋翼上的叶素

Fig. 3 Blade element on the rotor

图4 风速概率分布

Fig. 4 Probability distribution of wind speed

图5 风速时程

Fig. 5 Time schedule of wind speed

图6 风载荷图解1—行走轮；2—输电线；3—电气箱；4—旋翼系统；5—机械臂.

Fig. 6 Wind load diagram

图7 巡检机器人所受的横向风载荷

Fig. 7 Transverse wind load on the inspection robot

图8 巡检机器人的摆动模型

Fig. 8 Swing model of the inspection robot

表1 巡检机器人参数

Table 1 Parameters of the inspection robot

参数	取值
m/kg	30
h₁/m	0.5
h₂/m	0.6
c₀/（N·s·m^-1）	10
g/（m·s^-2）	9.8

图9 模糊PID控制器用于摆动系统控制的原理图

Fig. 9 Schematic diagram of fuzzy PID controler for the swing system

图10 输入变量的隶属度曲线

Fig. 10 Membership curves of the input variables

图11 输出变量的隶属度曲线

Fig. 11 Membership curves of the output variable

表2 ΔKp的模糊控制规则

Table 2 Fuzzy control rule of ΔKp

角度误差变化率e_c	角度误差e
角度误差变化率e_c	NB	NM	NS	ZE	PS	PM	PB
NB	PB	PB	PM	PM	PS	PS	ZE
NM	PB	PM	PS	PS	NS	NS	ZE
NS	PM	PM	PS	PS	NS	NS	ZE
ZE	ZE	ZE	ZE	ZE	ZE	ZE	ZE
PS	NS	NS	NS	PS	NS	NM	NB
PM	NS	NS	NS	PS	PS	PM	PB
PB	PS	PS	NS	PB	PM	PB	PB

表3 ΔKi的模糊控制规则

Table 3 Fuzzy control rule of ΔKi

角度误差变化率e_c	角度误差e
角度误差变化率e_c	NB	NM	NS	ZE	PS	PM	PB
NB	NB	NB	NB	NM	NM	ZE	ZE
NM	NB	NM	NS	ZE	PS	PS	PS
NS	PS	PS	PS	ZE	ZE	ZE	ZE
ZE	ZE	ZE	ZE	ZE	ZE	ZE	ZE
PS	PS	PS	PS	ZE	PS	PS	PM
PM	NB	NB	ZE	ZE	NS	NS	NS
PB	NB	NB	ZE	ZE	NS	NS	NS

表4 ΔKd的模糊控制规则

Table 4 Fuzzy control rule of ΔKd

角度误差变化率e_c	角度误差e
角度误差变化率e_c	NB	NM	NS	ZE	PS	PM	PB
NB	PS	PS	ZE	ZE	ZE	PB	PB
NM	NS	NS	NS	ZE	PS	PM	PM
NS	PS	PS	PS	ZE	PS	PS	PS
ZE	PS	PS	PS	ZE	PS	PS	PS
PS	PS	PS	PS	ZE	PS	PS	PS
PM	PM	PM	PS	ZE	PS	PM	PM
PB	PB	PM	PS	ZE	PS	PM	PB

表5 仿真中巡检机器人参数

Table 5 Parameters of the inspection robot in simulation

参数	取值
旋翼直径D/mm	200
旋翼旋转关节长度L₁/mm	150
旋翼摆动关节长度L₂/mm	60
行走轮半径r₁/mm	30
行走阻尼c₀/（N·s·m^-1）	10
升降臂原始长度L₃/mm	600
同侧旋翼安装距离L₄/mm	1 000
电气箱尺寸/（mm×mm×mm）	1 100×300×200
巡检机器人质量m/kg	30

图12 巡检机器人摆角

Fig. 12 Swing angle of the inspection robot

图13 巡检机器人摆动速度

Fig. 13 Swing speed of the inspection robot

图14 施加干扰信号时机器人的摆角变化

Fig. 14 Swing angle change of the robot under interference

表6 样机参数

Table 6 Prototype parameters

样机参数	数值
3D打印材料	未来8200树脂
行走电机额定电压/V	12
额定转速/（r·min^-1）	15
额定转矩/（N·mm）	20
样机滑动速度/（mm·s^-1）	16
旋翼直径/mm	205
升降机构原始长度/mm	150
最大伸长长度/mm	300
旋翼电机额定电压/V	12
空载转速/（r·min^-1）	33 600
电气箱尺寸/（mm×mm×mm）	300×150×120
样机高度/mm	380

图15 旋翼巡检机器人样机（a）—行走机构；（b）—旋翼系统；（c）—升降机构；（d）—巡检机器人样机.

Fig. 15 Prototype of the inspection robot with rotors

图16 机器人样机的位姿（a）—前臂伸长；（b）—后臂伸长；（c）—旋翼向上；（d）—旋翼向侧；（e）—旋翼向前.

Fig. 16 Pose of the robot prototype

图17 抑制摆动实验（a）—风载荷作用下的自然摆动；（b）—旋翼系统工作抑制摆动.

Fig. 17 Swing suppression experiment

图18 摆动实验结果（a）—无旋翼系统；（b）—有旋翼系统.

Fig. 18 Swing experiment results

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