一种磁吸附缆索爬升机器人电磁力控制方法

1.本发明涉及机器人控制技术领域，特别是一种磁吸附缆索爬升机器人电磁力控制方法。


背景技术：

2.在工业技术领域，对缆索桥缆索的检测是一项非常重要的任务。该类任务是在极危险的情况下开展的作业，如果采用人工执行，不仅效率低、周期长，还面临着极大的风险挑战。应用磁吸附机器人进行检修不但能提高工作效率，还能减低检修事故发生率，对工业技术领域意义重大。
3.磁吸附机器人是一种可以在导磁面进行连续爬行作业的特种机器人，能够有效代替人类执行这些危险繁复的表面检测任务。磁吸附机器人通过磁吸附单元产生的吸附力吸附在缆索表面，由电机驱动机器人向上爬升。机器人爬升过程中，由于风力或者斜缆索表面凸起等因素，会造成电磁力波动，从而导致机器人摔落。目前常采用的方法是pid控制，但pid控制不能快速的进行升到所需电压，机器人在爬升过程中容易掉落。为了更好地控制机器人，本发明涉及一种新型磁吸附机器人的电磁力控制方法，即鲁棒控制中的滑模控制方法。
4.滑模控制主要是被控系统针对存在未知干扰，而且干扰有上界的一类控制问题而出现的一种控制思想。广义上，滑模控制和h无穷、干扰观测器等方法类似，都是鲁棒控制的一种形式，使得控制系统在干扰下仍能够保证一定的控制性能。从系统动力学的角度理解，滑模控制算法设计的关键在于：
5.1)针对表现出特定动力学行为的被控系统，如何设计滑模面或者选取滑模变量(或者是否存在这样的滑模面)，以保证控制系统的性能(如受扰情况下的控制误差收敛情况)达到预期；
6.2)如何设计控制率，保证从初始状态出发的系统轨迹，在有限时间内能够到达滑模面，到达后能够一直停留在滑模面内，并且使得保证系统状态变量尽快收敛。
7.对于磁吸附机器人而言，干扰来源于机器人受多方面因素影响的振动，本发明滑模控制方法能有效地使机器人在检修过程中保持稳定，进而达到安全高效完成任务的效果。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种桥梁缆索基于滑模控制的磁吸附机器人电磁力控制方法，可以及时的控制磁吸附力的大小，使用电磁机构来设计吸附结构，电磁机构磁力便于控制，控制通入电磁机构线圈电流的大小即可控制磁吸力的值。
9.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
10.一种磁吸附缆索爬升机器人电磁力控制方法，包括以下步骤：步骤1，根据线圈匝
数，接触面积，电流大小和气隙长度建立电磁力相关模型：
[0011][0012]
其中，f
dc
表示电磁力大小，i表示电流大小，n表示线圈匝数，为保险系数(其值在0.05～0.15之间)，μ0为空气的导磁系数(其值为4π
×
10-7
h/m)，s表示磁极与斜缆索的相对面积，δ表示气隙平均长度；
[0013]
步骤2，磁极的形状为弧形，根据磁极处曲线的数学方程和绳索处曲线的数学方程得到气隙的总长度为：
[0014][0015]
其中，表示气隙总长度，x表示直角坐标系横坐标的值，y1表示直角坐标系中磁极曲线纵坐标的值，r1表示磁极曲率半径，y2表示直角坐标系中绳索曲线纵坐标的值，r2表示绳索半径大小，将步骤2得到的气隙总长度除以磁极的长度则可以得到步骤1的气隙的平均长度；
[0016]
步骤3，将磁吸附机器人的振动作为干扰源，利用姿态传感器检测磁吸附机器人的加速度变化情况，接收横向加速度以及纵向加速度的信息，进而检测磁吸附机器人的抖动状态；
[0017]
步骤4，利用工控机读取步骤3的两个加速度信号值，在工控机内对两个值进行处理，得出总加速度平均值|a|；根据平均值的不同，将晃动等级分为10级，得出加速度平均值|a|与输出电压参考值的关系式：
[0018][0019]
在工控机中对总加速度平均值|a|进行实时比较，得出输出电压参考值
[0020]
步骤5，设计滑模面sk为：
[0021]
sk＝mek vk[0022]
其中，m为待设计参数，ek为电压跟踪增益，vk为输出电压误差积分，且sk》0，vk》0，m》0。输出电压误差积分vk可进一步表示为：
[0023]
vk＝v
k-1
ge
k-1
[0024]
其中，g为积分增益；
[0025]
步骤6，根据步骤5，使系统的初始状态被配置在滑模面上，设置输出电压误差积分vk的初始值v0为：
[0026]
v0＝-me0[0027]
步骤7，设计滑模电压控制器，且采用离散等效控制律：
[0028]sk 1-sk＝0
[0029]
其中，s
k 1
为向前递推一采样时间步的滑模面，在采样时间步足够小的情况下，可认为输出电压参考值在一个采样周期内保持不变：
[0030][0031]
得出buck电路的滑模控制律为：
[0032][0033]
其中，是等效控制的滑膜控制率，c为电容值，r为电阻值，t为采样周期，u
ok
为电压反馈值，fk为集中扰动的估计值；
[0034]
为使系统能够始终到达准滑动模态，增加不连续的切换控制项：
[0035][0036]
其中，是附加切换控制项，c为电容值，t为采样周期k
sw
为切换项增益，且k
sw
》0，sgn(sk)为滑模面sk的符号函数；
[0037]
最后整理得出滑模电压控制器的完整形式为：
[0038][0039]
步骤8，引入“延迟扰动估计”策略，通过计算上一采样时刻的集中扰动值mfk来近似估计本时刻的扰动：
[0040][0041]
步骤9，对输出电压uo进行实时采样，将输出电压参考值作为输入变量之一，与实时输出电压uo作差得出ek且f
k-1
输入到式中，得出电感电流参考值
[0042][0043]
其中，f
k-1
为集中扰动的估计值；
[0044]
步骤10，对电感电流i
l
进行实时采样，并使其与电感电流参考值作差，对差值进行电流内环pi控制，并对等效占空比进行pwm；
[0045]
步骤11，pwm信号对buck电路中的mosfet进行控制，以得到理想的电压值，理想的电压值通过工控机输出端口输出到dc-dc升压模块，最终将电压输出到电磁机构两端，产生相应电流，保证电磁机构产生足够的电磁力使磁吸附机器人不会在振动状态下发生掉落事故。
[0046]
作为本发明的进一步优选，步骤2中根据电磁机构曲率半径得到磁极处曲线的数学方程为如下式：
[0047][0048]
根据绳索半径得到绳索处曲线的数学方程如下：
[0049][0050]
其中，x表示直角坐标系横坐标的值，y1表示直角坐标系中磁极曲线纵坐标的值，r1表示磁极曲率半径，y2表示直角坐标系中绳索曲线纵坐标的值，r2表示绳索半径大小；
[0051]
两式相减后积分得到步骤2中的气隙的总长度数学方程。
[0052]
作为本发明的进一步优选，步骤5中的其中ek是电压跟踪增益，u
ok
为电压反馈值，为输出电压参考值。
[0053]
作为本发明的进一步优选，所述姿态传感器设置于磁吸附机器人上，姿态传感器采集磁吸附机器人的横向加速度以及纵向加速度的信息向工控机传输信号，工控机的输出端口串联一个dc-dc升压模块，理想的电压值通过工控机输出端口输出到dc-dc升压模块，最终将电压输出到电磁机构两端，产生相应电流。
[0054]
作为本发明的进一步优选，使用工控机作为核心控制单元实现电流的自动控制。在工控机中使用simulink作为实验平台，利用可视化编程，将程序输入到工控机中，在simulink中使用serial receive模块接受姿态传感器产生的数据，对数据进行处理后，以此数据作为控制输出电压参考值的输入变量，再将输出电压参考值参与滑模控制，进而获得理想的输出电压，理想的输出电压由工控机通过dc-dc升压电路变成能使机器人平稳运行的电压。
[0055]
作为本发明的进一步优选，取保险系数为0.1，根据实物得知线圈匝数为3050匝，电磁机构与斜缆索相对面积为1500mm2，取气隙δ＝0.2mm则电磁力大小如下所示：，取气隙δ＝0.2mm则电磁力大小如下所示：
[0056]
本发明具有如下有益效果：
[0057]
(1)本发明机器人能根据检测到的振动信号，引入“延迟扰动估计”策略，实现对系统集中扰动的在线估计，并将估计集成到鲁棒dism控制器中形成补偿，既使得控制器可以工程实现，又进一步增强系统输出电压对负载变化的抗扰性，并削弱抖震，电磁力的控制效果可以满足使用。
[0058]
(2)对于磁吸附机器人而言，干扰来源于机器人受多方面因素影响的振动，本发明滑模控制方法能有效地使机器人在检修过程中保持稳定，进而达到安全高效完成任务的效果。
附图说明
[0059]
图1为曲率半径直角坐标系；
[0060]
图2为绳索半径r2与气隙间隙关系；
[0061]
图3为电磁力随电流变化曲线图；
[0062]
图4为电磁力控制流程图；
[0063]
图5为滑模控制算法原理图；
[0064]
图6为滑模控制系统结构图；
[0065]
图7为滑模控制系统硬件原理图；
[0066]
图8为滑模控制后电压仿真曲线图。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0068]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0069]
如图1-8所示，一种滑模控制的磁吸附机器人电磁力控制方法，机器人为磁吸附机器人，需要吸附在缆索上，缆索为斜缆索，吸附面为曲面。为了让吸附轮与缆索面垂直，可调整轮臂与机器人机身的角度。电磁吸附结构提供电磁力，使机器人能稳定吸附在斜缆索面上。驱动电机和驱动轮为机器人的运动提供动力。
[0070]
本发明运用的就是作为起重电磁机构部分的功能，将电磁机构放在机器人底端，和机器人连接在一起。把斜缆索作为铁磁性材料，当电磁机构导线通电时，即可产生电磁力将机器人和斜缆索吸附在一起，以实现吸附目的，使机器人能稳定吸附在斜缆索面上。
[0071]
磁吸附机器人通过电磁力将机器人吸附在斜缆索上，控制机器人在缆索上的运动最重要的就是对电磁力的控制。因此首先需要针对设计的电磁结构进行电磁力的数学建模。
[0072]
麦克斯韦方程组是电磁学中的最基本方程，利用麦克斯韦电磁力公式建立电磁力的数学模型，经过推演可得下式：
[0073][0074]
式(1-1)为电磁力模型，其中，f
dc
为电磁力大小，i为电流大小，n为线圈匝数，为保险系数，其值在0.05～0.15之间，μ0为空气的导磁系数且其值为4π
×
10-7
h/m，s为磁极与斜缆索的相对面积，δ为气隙平均长度。
[0075]
由式(1-1)可知，电磁力大小和电流，绕铁心线圈匝数，电磁机构与斜缆索接触面积，气隙长度有关。其中，线圈匝数、电磁机构与斜缆索之间相对面积是固定的，而气隙长度与斜缆索的直径和电磁机构磁极形状有关。
[0076]
下面分析斜缆索直径和平均气隙的关系。
[0077]
电磁机构长度为50mm，且其曲率半径为45mm。而斜缆索的直径在60mm到180mm间，建立如下图1所示的直角坐标系，图1的横纵坐标均为长度，且单位为mm。磁极曲率半径为45mm，因此当缆索的半径大于45mm时，磁极的两端和缆索接触。当缆索半径小于45mm时，磁极的中央与缆索接触。
[0078]
磁极的形状为弧形，设其直角坐标系横坐标的值为x，磁极曲率半径为r1，绳索半
径为r2，直角坐标系中磁极曲线纵坐标的值为y1，直角坐标系中绳索曲线纵坐标的值为y2。磁极处曲线的数学方程为如下式：
[0079][0080]
根据绳索半径得到绳索处曲线的数学方程如下：
[0081][0082]
因为气隙的长度处处不相同，所以我们需要先将气隙的总长度求出来。将磁极处曲线的数学方程和绳索处曲线的数学方程相减后积分得到气隙的总长度为：
[0083][0084]
将得到的气隙总长度除以磁极的长度则可以得到气隙的平均长度。根据条件我们知道磁极曲率半径r1＝45mm，而绳索的半径：30mm《r2《90mm。得到缆索与机器人之间的平均间隙，随着斜缆索半径变化的曲线如下图2所示。
[0085]
由前面的分析我们得到了电磁力的模型如式(1-1)所示，取保险系数为0.1，根据实物得知线圈匝数为3050匝，电磁机构与斜缆索接触面积为1500mm2。i的单位为a，取气隙δ＝0.2mm则电磁力大小如下式(3-1)所示：
[0086]
电磁力随电流变化曲线图如图3所示。
[0087]
然而当机器人的质量较大时，只靠工控机输出端口的电压可能不能提供足够的吸附力让机器人稳定在斜面上。因此，为了解决电磁力不足的问题，可以在工控机的输出端口串联上一个dc-dc升压电路，让电压的最大值增大，从而让电磁力增大。电磁力控制流程图如图4所示。滑模控制系统结构图如图5所示。
[0088]
机器人爬升过程中，由于风力或者斜缆索表面凸起等因素，会造成电磁力波动，且造成横向加速度和纵向加速度变化，从而导致机器人摔落。所述姿态传感器设置于磁吸附机器人上，姿态传感器采集磁吸附机器人的横向加速度以及纵向加速度的信息向工控机传输信号，工控机的输出端口串联一个dc-dc升压模块，理想的电压值通过工控机输出端口输出到dc-dc升压模块，最终将电压输出到电磁机构两端，产生相应电流。
[0089]
将使用工控机作为核心控制单元实现电流的自动控制。在工控机中使用simulink作为实验平台，利用可视化编程，将程序输入到工控机中。在simulink中使用serial receive模块接受姿态传感器产生的数据，对数据进行处理后，以此数据作为控制输出电压参考值的输入变量，再将输出电压参考值参与滑模控制，进而获得理想的输出电压。理想的输出电压由工控机通过dc-dc升压电路变成能使机器人平稳运行的电压，让机器人在高空缆索工作时不至于产生抖动甚至掉落等意外。姿态传感器向工控机输出信号，工控机接收加速度信息，对横向加速度和纵向加速度进行处理，得出总加速度平均值|a|，|a|的单位为m/s2，根据加速度平均值的不同，将晃动等级分为10级，根据多次试验的经验值所得，得出加速度平均值|a|与输出电压参考值的关系式：
[0090][0091]
震动等级分段函数图如图6所示。利用加速度和电压的关系即可实现加速度越大电流越大，吸附力越大，保证机器人的稳定性。在工控机中对总加速度平均值|a|进行实时比较，得出输出电压参考值
[0092]
接下来进行滑模控制，设计滑模面sk为：
[0093]
sk＝mek vk[0094]
其中，m为待设计参数，ek为电压跟踪增益，vk为输出电压误差积分，其中ek是电压跟踪增益，u
ok
为电压反馈值，为输出电压参考值，且sk》0，vk》0，m》0。
[0095]
输出电压误差积分vk可进一步表示为：
[0096]
vk＝v
k-1
ge
k-1
[0097]
其中，g为积分增益。
[0098]
使系统的初始状态被配置在滑模面上，设置输出电压误差积分vk的初始值v0为：
[0099]
v0＝-me0[0100]
设计滑模电压控制器，且采用离散等效控制律：
[0101]sk 1-sk＝0
[0102]
其中，s
k 1
为向前递推一采样时间步的滑模面。
[0103]
在采样时间步足够小的情况下，即采用时间间隔几乎为0的情况下，可认为输出电压参考值在一个采样周期内保持不变：
[0104][0105]
得出buck电路的滑模控制律为：
[0106][0107]
其中，c为电容值，r为电阻值，t为采样周期，u
ok
为电压反馈值，fk为集中扰动的估计值。
[0108]
为使系统能够始终到达准滑动模态，增加不连续的切换控制项：
[0109][0110]
其中，k
sw
为切换项增益，且k
sw
》0，sgn(sk)为滑模面sk的符号函数。
[0111]
最后整理得出滑模电压控制器的完整形式为：
[0112][0113]
图7为滑模控制系统硬件原理图。引入“延迟扰动估计”策略，通过计算上一采样时刻的集中扰动值mfk来近似估计本时刻的扰动，u
ok
采用电压传感器采样，u
o(k-1)
是上一个时刻的电压采样值，i
l(k-1)
是上一个时刻的电感电流采样值：
[0114][0115]
对输出电压uo进行实时采样，将输出电压参考值作为输入变量之一，与实时输出电压uo作差得出ek且f
k-1
输入到式中，得出电感电流参考值
[0116][0117]
其中，f
k-1
为集中扰动的估计值。
[0118]
对电感电流i
l
进行实时采样，并使其与电感电流参考值作差，对差值进行电流内环pi控制，并对等效占空比进行pwm。
[0119]
pwm信号对buck电路中的mosfet进行控制，以得到理想的电压值，理想电压值即机器人在索缆上稳定吸附的电压值。理想的电压值通过工控机输出端口输出到dc-dc升压模块，dc-dc升压模块将工控机输出端口的电压值放大，最终将电压输出到电磁机构两端，产生相应电流，即可实现自动控制吸附力大小，保证电磁机构产生足够的电磁力使机器人不至于在振动状态下发生掉落事故，足够的电磁力大于机器人爬升过程中的风力等干扰力，从而防止机器人摔落。滑模控制后电压仿真曲线图如图8所示，图8的横坐标为时间，单位为s；纵坐标为电压，单位为v。本发明大大减少了磁吸附机器人从高空掉落的风险和成本，将缆索桥缆索的检测的自动化程度大幅度提高。
[0120]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。