变电站设备带电维护移动机器人控制系统研究

摘要

随着电网的不断发展，变电站设备运行状态的维护等问题也变得日益彰显，变电站作为整个电网重要的输电节点和枢纽，其设备故障和存在的安全隐患，会给用户以及社会带来很大的损失。因此，变电站设备的日常维护作业是保证电网安全、稳定运行主要的手段之一。传统的人工维护需在停电的状态下完成维护作业，并且难以直接获取变电站设备早期与事后维护的评估等。随着机器人技术、在线检测技术等技术的成熟发展，移动机器人已在变电站设备巡检中得到很好的应用，但目前也只是应用在室外变电站设备巡检中，还很难进行设备维护处理。所以，移动机器人能够对变电站设备进行带电维护是未来电网的必然发展方向，也可加快推进无人值守智能变电站的进程。
　　本课题在国家“863”项目的资助下，研究和设计了变电站设备带电维护移动机器人控制系统，能够满足变电站设备带电维护的需求。该维护移动机器人具有人机交互和局部智能控制，可有效对变电站设备进行预报、控制和维护，并且还可以提高变电站智能化程度，保障电网安全可靠地运行。论文主要创新点与具体研究工作如下：
　　（1）通过对变电站维护移动机器人国内外发展现状的研究和分析，设计了基于Mecanum轮的变电站设备带电维护移动机器人系统，其较优的运动特性可以更好满足室内变电站设备的维护。另外，考虑到Mecanum轮不适用于室外不平整的路面作业，故又设计了基于两轮差速驱动的维护移动机器人系统，主要针对室外变电站设备的维护。然后，根据系统的需求完成合理的硬件选型和上位机控制系统设计。
　　（2）通过分析Mecanum轮结构参数和基于Mecanum轮的移动平台的结构布局、运动特性等，确定了移动平台在运动系统的性能均衡下的偏置角度，并解决了本文Mecanum轮平台最优布局的问题。
　　（3）根据维护移动机器人系统结构性质，给出了基于两轮差速驱动的移动平台运动学方程，重点研究了基于Mecanum轮的移动平台运动学和动力学模型，并求解出不同运动形式下的转速分配问题。然后对维护机械臂建立了D-H模型，并详细推导了其正、逆运动学求解过程，之后利用MATLAB仿真验证了所设计的维护机械臂的有效性和可行性。
　　（4）为了提高维护移动机器人与变电站环境之间的理解能力，以及能够自主做出智能、合理的行为决策，提出了一种基于模糊认知图的上层行为规划方法。以维护作业过程中的相关事件为概念节点，并根据专家知识确定节点之间的连接权值，进而建立任务行为规划的模糊认知图模型，同时结合机器人导航定位等传感器实时感知的信息，实时自主调整机器人动作序列，该方法具有不需要大量的计算和训练等优点。
　　（5）为了解决维护移动机器人在调节过程中出现摆尾或振荡等问题，提出了一种基于模糊控制算法的路径规划方法，同时利用自身携带的多传感器融合磁轨迹导航，并结合RFID技术定位技术。仿真结果表明，所提出方法是有效性的和可行性的，弥补了路径规划对变电站强电磁环境依赖性强等缺点。
　　（6）综合考虑维护移动机器人作业环境、系统稳定性、智能性等因素，设计了一种分层混合式复杂系统任务规划逻辑模型，包括任务规划层和行为规划层，并阐述了其工作原理。为保证系统安全性、灵活性等和满足变电站复杂环境、带电维护任务等需求，提出了一种复杂混合式分层控制系统，并详细介绍了各部分的职责和功能。
　　最后，在实验室模拟变电站环境下，主要对基于Mecanum轮的维护移动机器人进行了远程遥控、自主循迹和停靠、自主避障实验，验证了其可行性。采用移动机器人对变电站设备进行带电维护，可提高变电站的安全性、稳定性，是智能电网的发展方向，同时可推广到极限或危险环境中作业的特种机器人，具有广阔的应用前景。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 变电站设备带电维护移动机器人系统结构组成概述

2.1 变电站设备带电维护移动机器人需求分析

2.2 变电站设备带电维护移动机器人机械结构设计

2.3 变电站设备带电维护移动机器人控制系统的硬件选型

2.4 变电站设备带电维护移动机器人软件的设计

2.5 本章小结

第3章 变电站设备带电维护移动机器人的建模分析

3.1 变电站设备带电维护移动平台的轮组最优布局选择

3.2 变电站设备带电维护移动机器人移动平台建模分析

3.3 变电站设备带电维护机械臂运动学建模分析

3.4 本章小结

第4章 变电站设备带电维护移动机器人路径规划研究

4.1 引言

4.2 分层混合式复杂系统任务规划逻辑模型

4.3 基于模糊认知图的变电站设备带电维护移动机器人上层规划

4.4 基于模糊控制算法的变电站设备带电维护移动机器人路径规划

4.5 本章小结

第5章 变电站设备带电维护移动机器人控制系统的设计与实现

5.1 复杂混合式分层控制系统

5.2 维护任务运动控制的实现

5.3 上位机控制系统的设计

5.4 实验验证

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况