基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人领域，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。
【背景技术】
[0002] 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。送些含有盐、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。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。
[0003] 目前，变电站绝缘子水冲洗存在的问题是：
[0004] 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，送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。
[0005] 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。
[0006] 基于此发明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茶，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。
【发明内容】
[0007] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于激光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口润街等。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。
[0008] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0009] 基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，包括：
[0010] 步骤一：根据安装在冲洗平台上的激光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H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；
[0011] 步骤二：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；
[0012] 步骤H;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；
[001引步骤四：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水□径及出水速度，形成卡口润街并实 现对绝缘子串振动频率的调节。
[0014] 所述步骤二中，具体过程为：
[0015] (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；
[0016] (2-2)对于单个关节的平稳运动，轨迹函数0 (t)至少满足四个约束条件，根据约 束条件对应的约束方程唯一的确定一个H次多项式；
[0017] (2-3)根据该H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H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；
[0018] (2-4)根据绝缘杆的长度及H次多项式得到冲洗过程中绝缘杆的长度随时间的 变化关系，对（l，d，0。，0f)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。
[0019] 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：
[0020] 0 (0) = 0 0 ；
[0021] 0 (tf) = 0 f ;
[0022] 其中，0。，0f为起始点和终止点的关节角度；
[0023] 为了满足关节运动速度的连续性要求，另外还有两个约束条件，即起始点与终止 点的关节速度要求，并规定：
[0024] 0 ' （0) = 0 ;
[002引 目 '（tf) = 0 ;
[0026] 其中，0 ' (0)，0 ' (tf)为起始点和终止点的关节角速度。
[0027] 所述四个边界的约束条件唯一的确定了一个H次多项式：
[0028] 0 (t) =a〇+ait+a2t^+a3t^ (1)；
[002引其中，0 (t)为时间参变量t时刻的关节角度，a。，曰1，曰2,曰3为待定系数。
[0030] 所述运动轨迹的关节速度与加速度为：
[003。 0，（t) =ai+2a2t+3a3t2 0)
[0032] 0 " (t) = 2a2+6aat(3)
[0033] 所述将运动轨迹的关节速度与加速度代入约束方程（1)，得到待定系数a。，ai，曰2， 日3 :
[0034] a〇 =白0
[0035] 曰1 = 0
[0036]
[0037]
[0038] 由此确定了时间与角度的关系，当进行冲洗时，车体相对于绝缘子的距离是一定 的，设为d，可得绝缘杆的长度1 =d/sin目，带入公式0 (t)=曰。+曰护曰2&曰3*3,可W得到 冲洗过程中绝缘杆的长度随时间的变化关系：
[0039]
[0040] 利用逐点比较的圆弧插补法，对（1，d，0。，0f)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。
[0041] 所述步骤H中，逐点比较的圆弧插补法具体过程如下：
[004引圆弧起点坐标为狂。，Y。），终点坐标为化，Ye)，对于圆弧上任一点化，Yi)，有：X^+Y/ =r2,令F=Xi2+Yi2-r2为偏差函数，当F> 0时，该点在圆夕b向-X方向运动一步； 当F< 0时，该点在圆弧内，向巧方向运动一步；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。
[0043] 圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算：
[0044] 设当前点化，Yi)对应的偏差函数为
[0045] Fi=Xi2巧i2_r2
[0046] 当喷枪沿-X方向走一步后：
[0047] Fw=化-1)2巧i2_r2二Fi_2Xi+i
[0048] 当喷枪沿巧方向走一步后：
[0049] Fw=Xi2+(Yi+1)2-r2 =Fi+2Yi+1
[0050] 终点判别可由n=IXg-X。I+1Yg-Y。I判别，每走一步使n=n+1,直至n= 0为止。
[0051] 所述步骤四中，卡口润街形成的条件；在流体中的圆柱体，其雷诺数满足 47<Re<l〇5,雷诺数用来表征流体流动情况，WRe表示，Re=Pvl/n，其中V、P、n分别为 流体的流速、密度与黏性系数，1为一特征长度；
[0052] 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，卡口润 街频率与流体速度和阻流体即旋润发生体宽度有如下关系：f=SfV/d，其中f=卡口润街 频率；Sf=斯特劳哈尔数；V=流体速度；d=阻流体迎面宽度；
[0053] 通过调节水枪出水口径及出水速度，形成卡口润街并实现对绝缘子串振动频率的 调节，W产生良好的冲洗效果。
[0054] 冲洗绝缘子时，水流从绝缘子两侧剥离，形成交替的润流，送种交替的润流，使绝 缘子两侧水流的瞬间速度不同，水流速度不同，绝缘子两侧受到的瞬间压力也不同，因此使 绝缘子发生振动，通过绝缘子的送种震动达到清除污垢的效果。通过调节水枪出水口径及 出水速度，形成卡口润街并改变振动频率，W增强水冲洗机器人的水冲洗效果。
[00巧]本发明的有益效果：
[0056] 1)所得轨迹能保证在上下方向直线段与面向喷头一侧的圆弧段之间的冲洗位置 和速度连续。能使机器人的执行时间最小化，从而提高水冲洗机器人的冲洗效率，使机器人 的执行机构更容易跟踪。
[0057] 2)采用摄像头和激光测距仪，实时监测当前的位置，使机器人工作在安全距离，保 证冲洗轨迹的起点和终点定位准确，从而提高冲洗的质量和效率。
[0058] 3)运用了卡口润街的原理，能够在最小限度的运动下提高冲洗水平，保证绝缘子 串上的污垢被最大限度的清理。
【附图说明】
[0059] 图1水冲洗控制方式的流程图；
[0060] 图2水冲洗方式的示意图；
[0061] 图3圆弧插补的轨迹示意图。
【具体实施方式】：
[0062] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0063] 如图1-3所示，基于激光测距的变电站水冲洗机器人的水冲洗控制方法，包括W 下步骤：
[0064] 步骤一；建立机器人路径规划模型；根据安装在冲洗平台上的激光测距仪可获得 机器人与绝缘子之间的纵深距离，再对由监控摄像头获得的图片进行图像识别，从而可获 得机器人和绝缘子之间的H维坐标值，同时亦可判断当前机器人与绝缘子之间的相对距 离，保证作业距离在安全范围W内并判断机器人所处的位置，确定路径规划的起始状态；
[0065] 步骤二；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；
[0066] 步骤H;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；
[0067] 步骤四：在进行水冲洗时，通过调节水枪出水□径及出水速度，形成卡口润街并实 现对绝缘子串后侧部位的冲洗。
[0068] 根据冲洗平台上的激光测距仪和监控摄像头判断当前机器人与绝缘子之间的相 对距离，保证作业距离在安全范围W内并判断机器人所处的位置，W确定路径规划的起始 状态。
[0069] 在冲洗之前，将冲洗时喷枪与绝缘子串的约束距离、冲洗的方式、系统的动力学约 束条件，包括关节最大加速度，最大速度等导入到水冲洗机器人路径规划控制系统。
[0070] 图2为绝缘子冲洗的4个步骤：①从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子四分 之一处，再向下冲洗到底部；②从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子二分之一处，再 向下冲洗到底部；⑨从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子四分之H处，再向下冲洗到 底部；④从绝缘子底部开始向上冲洗，冲洗到绝缘子顶部，再向下冲洗到底部。水冲洗机器 人在实现图2对绝缘子串①-④步骤的上下方向冲洗时，在冲洗开始采集得到起始时刻及 终止时刻操作臂的关节角度。对于单个关节的平稳运动，轨迹函数至少满足四个约束条件。 其中两个是起始点和终止点对应的关节角度：
[007" 0 (0) = 00
[0072] 0 (tf) = 0f
[0073] 为了满足关节运动速度的连续性要求，另外还有两个约束条件，即起始点与终止 点的关节速度要求，在当前的情况下，即开始冲洗时，规定：
[0074] 0 ' （0) = 0
[00巧] 0 '（tf) = 0
[0076] 上述四个边界的约束条件唯一的确定了一个H次多项