基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法技术

本发明专利技术公开了基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，根据安装在冲洗平台上的超声波测距仪和监控摄像头采集距离及监控的图像得到当前机器人与绝缘子之间的相对距离，判断该相对距离是否是安全距离，若是，进行下一步，若不是，调整位置，直至该相对距离为安全距离；确定路径规划的起始状态；采用直线插补方式实现水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的自动冲洗；采用逐点比较法的圆弧插补方式实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；在水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节。本发明专利技术使机器人工作在安全距离，使冲洗轨迹的起点和终点定位准确，提高冲洗的质量和效率。

【技术实现步骤摘要】
基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法
本专利技术涉及机器人领域，尤其涉及一种基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗方法。
技术介绍
随着工业经济和城市建设的飞速发展，对变电站供电的连续性和质量提出了越来越高的要求。然而由于输电线路设备长期暴露在大自然中，特别是工业区域，沿海和盐碱地区域，受工业废气、海水和自然界盐碱、粉尘的影响，通常会在其绝缘子表面形成一定程度的污秽。这些含有盐、酸、碱性成分的污秽，一般来说可溶于水，污秽溶于水后成为电解质，具有很强的导电性。受到污染的绝缘子，电导增大，绝缘性能降低，泄漏电流急剧增加，其闪络电压大大降低，此时就容易发生污垢闪络。尤其是当绝缘子设计泄露比距不够或采用的绝缘子不能满足污秽要求时，污闪很有可能出现。污闪事故一旦发生，可直接导致用户大面积、长时间停电，致使供电可靠率下降，从而给工农业生产和居民生活用电带来严重的负面影响。防止输电线路污闪，防止电网大规模停电事故的发生，确保电网安全稳定运行和电力可靠供应就显得尤为重要。目前，变电站绝缘子水冲洗存在的问题是：1、变电站绝缘子的清扫工作主要采用停电人工清扫或带电水冲洗。采用停电人工清扫质量低、设备清扫工作处于被动状态，不能得到适时的清扫，这些都会对变电站输电线路的安全稳定运行造成一定的隐患。2、部分变电站绝缘子的清扫工作依靠机器进行，但是自动化水平低，控制不够精确，从而导致对变电站绝缘子的清扫不够彻底，不能满足安全要求。基于此专利技术的变电站水冲洗机器人能够实现带电作业，稳定高效水冲洗，有利于电网的稳定运行。现在，水冲洗机器人的研发如火如荼，而关于水冲洗机器人进行水冲洗作业时的路径规划问题还不完善。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术公开了一种基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，该冲洗控制方式用来规划水冲洗机器人对绝缘子进行冲洗的路径，调整喷枪与绝缘子之间距离，冲洗过程中调节冲洗出水速度形成卡门涡街等。能有效的保证机器人在冲洗过程中平滑运行，实现误差和加速度可控，并具有良好的冲洗效果。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，包括：步骤一：根据安装在冲洗平台上的超声波测距仪和监控摄像头采集距离及监控的图像得到当前机器人与绝缘子之间的相对三维坐标值，判断两者相对距离是否是安全距离，若是，进行下一步，若不是，调整冲洗平台的位置，直至该相对距离为安全距离；确定路径规划的起始状态；步骤二：通过控制水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的自动冲洗；通过控制喷头实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；步骤三：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节。所述步骤二中，对绝缘子串的上下方向的自动冲洗,具体过程为：(2-1)在冲洗过程中，安装在各关节旋转轴上的角位移传感器采集得到起始时刻及终止时刻操作臂的各关节角度；(2-2)对于单个关节的平稳运动，轨迹函数θ(t)满足约束条件，根据约束条件对应的约束方程唯一的确定一个三次多项式；(2-3)根据该三次多项式得到运动轨迹的关节速度与加速度，将运动轨迹的关节速度与加速度代入约束方程得到三次多项式的系数，该系数确定了冲洗时间与冲洗角度的关系；(2-4)根据绝缘子串的长度及三次多项式得到冲洗过程中绝缘子串的长度随时间的变化关系，对(l,d,θ0,θf)进行插值，生成水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的冲洗轨迹。所述约束条件，其中两个是起始点和终止点对应的关节角度：θ(0)＝θ0；θ(tf)＝θf；其中，θ0,θf为起始点和终止点的关节角度；路径点上的关节速度不为零时，速度约束条件变为：θ'(0)＝θ0'θ'(tf)＝θf'。由速度约束条件确定三次多项式的四个方程为：θ0＝a0θf＝a0+a1tf+a2tf2+a3tf3θ0'＝a1θf'＝a1+2a2tf+3a3tf2θ0,θf,θ′0,θ′f分别为起始点和时间参变量tf时刻的角度和角速度，a0,a1,a2,a3为待定系数。求解方程组，可得到三次多项式的系数：a0＝θ0a1＝θ0'θ0,θf,θ′0,θ′f分别为起始点和时间参变量tf时刻的角度和角速度，a0,a1,a2,a3为待定系数。设所经过的路径点处的关节角度为θv，与该点相邻的前后两点的关节速度分别为θ0和θg。从θ0到θv的插值三次多项式为：θ(t)＝a10+a11t+a12t2+a13t3从θv到θg的插值三次多项式为：θ(t)＝a20+a21t+a22t2+a23t3上述两个三次多项式的时间区间分别为和对这两个多项式的约束是：θ0＝a10θv＝a10+a11tf1+a12tf12+a13tf13θv＝a20θg＝a20+a21tf2+a22tf22+a23tf230＝a110＝a21+2a22tf2+3a23tf22a11+2a12tf1+3a13tf12＝a212a21+6a13tf1＝2a22aij,i＝1,2,j＝0,1,2,3,为待定系数，tf1,tf2为时间参数。以上约束条件组成了含有8个未知数的8个线性方程，对于tf1＝tf2＝tf的情况，这个方程的解为：a10＝θ0a11＝0a20＝θvaij,i＝1,2,j＝0,1,2,3,为待定系数，tf,tf1,tf2为时间参数。由此我们将得到的系数带入θ(t)＝a10+a11t+a12t2+a13t3，就可以得到关节角度随时间变化的关系。所述步骤二中对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗，采用逐点比较法的圆弧插补方式；进行圆弧插补时，通常以圆心为原点，根据圆弧起点与终点的坐标值来进行插补。根据圆弧起点与终点的坐标值来进行插补具体为：设圆弧插补的圆弧起点坐标为(X0,Y0)，终点坐标为(Xe,Ye)，对于圆弧上任一点(Xi,Yi)，有：Xi2+Yi2＝R2，令F＝Xi2+Yi2-R2为偏差函数。当F＞0时，该点在圆外，向-X方向运动一步；当F＜0时，该点在圆弧内，向+Y方向运动一步；为使运动继续下去，将F＝0归入F＞0的情况，插补运动始终沿着圆弧并向终点运动。圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算：设当前点(Xi,Yi)对应的偏差函数为Fi＝Xi2+Yi2-R2当喷枪沿-X方向走一步后Fi+1＝(Xi-1)2+Yi2-R2＝Fi-2Xi+1当喷枪沿+Y方向走一步后Fi+1＝Xi2+(Yi+1)2-R2＝Fi+2Yi+1终点判别可由n＝|Xe-X0|+|Ye-Y0|判别，每走一步使n＝n+1，直至n＝0为止。对(Xi,Yi,θ0,θf)进行插值，生成对水冲洗机器人对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗的运动轨迹。所述步骤二中，卡门涡街形成的条件：在流体中的圆柱体，其雷诺数满足47<Re<105，雷诺数用来表征流体流动情况，以Re表示，Re＝ρvl/η，其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数，l为一特征长度；绝缘子串振动频率与流体(水)速度成正比，与阻流体的正面宽度成反比，卡门涡街频率与流体速度和阻流体即旋涡发生体宽度有如下关系：f＝SrV/d，其中f为卡门涡街频率；Sr为斯特劳哈尔数；V为流体速度；l为一特征长度，d为阻流体迎面宽度；通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，包括：步骤一：根据安装在冲洗平台上的超声波测距仪和监控摄像头采集距离及监控的图像得到当前机器人与绝缘子之间的相对三维坐标值，判断两者相对距离是否是安全距离，若是，进行下一步，若不是，调整冲洗平台的位置，直至该相对距离为安全距离；确定路径规划的起始状态；步骤二：通过控制其控制水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的自动冲洗；通过控制喷头实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；步骤三：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节。

【技术特征摘要】
1.基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，包括：步骤一：根据安装在冲洗平台上的超声波测距仪和监控摄像头采集距离及监控的图像得到当前机器人与绝缘子之间的相对三维坐标值，判断两者相对距离是否是安全距离，若是，进行下一步，若不是，调整冲洗平台的位置，直至该相对距离为安全距离；确定路径规划的起始状态；步骤二：通过控制水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向进行自动冲洗；通过控制喷头实现喷头能够对朝向机器人一侧的绝缘子串进行清洗；步骤三：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡门涡街并实现对绝缘子串振动频率的调节；所述步骤二中，对绝缘子串的上下方向的自动冲洗,具体过程为：(2-1)在冲洗过程中，安装在各关节旋转轴上的角位移传感器采集得到起始时刻及终止时刻操作臂的各关节角度；(2-2)对于单个关节的平稳运动，轨迹函数θ(t)满足约束条件，根据约束条件对应的约束方程唯一的确定一个三次多项式；(2-3)根据该三次多项式得到运动轨迹的关节速度与加速度，将运动轨迹的关节速度与加速度代入约束方程得到三次多项式的系数，该系数确定了冲洗时间与冲洗角度的关系；(2-4)根据绝缘子串的长度及三次多项式得到冲洗过程中绝缘子串的长度随时间的变化关系，对(l,d,θ0,θf)进行插值，生成水冲洗机械臂对绝缘子串的上下方向的冲洗轨迹，l为一特征长度，d为阻流体迎面宽度，θ0,θf为起始点和终止点的关节角度。2.如权利要求1所述的基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，所述约束条件，其中两个是起始点和终止点对应的关节角度：θ(0)＝θ0；θ(tf)＝θf。3.如权利要求2所述的基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，路径点上的关节速度不为零时，另外速度约束条件变为：θ'(0)＝θ0'θ'(tf)＝θf'。4.如权利要求3所述的基于超声测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，其特征是，由速度约束条件确定三次多项式的四个方程为：θ0＝a0θf＝a0+a1tf+a2tf2+a3tf3θ0'＝a1θf'＝a1+2a2tf+3a3tf2θ0,θf,θ`0,θ`f分别为起始点和时间参变量tf时刻的角度和角速度，a0,a1,a2,a3为待定系数。5.如权利要求1所述的基于超声测距的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振利，鲁守银，谭林，苏建军，慕世友，任杰，傅孟潮，李健，吕曦晨，王滨海，李建祥，赵金龙，陈强，张海龙，高郎宏，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网山东省电力公司电力科学研究院，山东鲁能智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37