[发明专利]一种树障清理机器人刀具系统滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种树障清理机器人刀具系统滑模控制方法，首先根据刀具系统的电压平衡方程、电磁转矩方程和运动方程推导出系统的二阶状态方程；接着根据推导出的刀具系统二阶状态方程，进行刀具系统的滑模控制律设计；为获得滑模控制律中所需的给定转速和实际转速的微分信号，设计了刀具系统线性扩张状态观测器和跟踪微分器。本发明对刀具系统存在的参数摄动具有很强的适应能力，对刀具系统进行树障清理作业时所承受的切割转矩扰动具有很强的抑制能力，并且简化了控制系统的参数整定工作。

技术领域

本发明属于机器人与智能系统控制领域，具体涉及一种树障清理机器人刀具系统滑模控制方法。

背景技术

随着我国电网建设规模的不断扩大，架空输电线路受到各种外部环境因素侵扰的现象越来越频繁。为确保电力线路运行的安全，必须及时发现并清除这些外部侵扰因素(如树障、风筝、鸟巢等)。树障是输电线路通道常年存在的一种安全隐患，表现为通道内树木的不断增生引发线路对地或相间放电。由树障放电引起的线路闪络、电网停电及林区火灾等事故屡见不鲜，给电力线路的安全运行带来了巨大挑战。

为保证输电线路的安全运行，必须及时对输电线路附近的树障进行清理。目前树障清理工作主要采用人工作业方式，效率较低，人工成本高，且存在较大的人员安全风险。近年来，人工智能和机器人行业迅速发展，智能机器人正在改变人们的生活和工作方式。为实现树障清理空中机器人系统作业的稳定高效，必须确保刀具系统具有良好的转速控制性能。刀具系统内部存在着参数摄动，在清障作业时还受到切割转矩的扰动，传统控制方法难以满足刀具控制系统的性能要求。电机为刀具系统的核心部件，针对电机的参数摄动和外界扰动问题，研究者们提出了多种控制方法，包括智能控制方法、自抗扰控制方法和滑模控制方法等。

现有的控制方法有的虽增强了系统的控制性能和鲁棒性，但硬件实现有门槛；有的可有效提高系统的抗扰能力以及系统对于参数摄动的适应能力，但控制规则设计较为困难，且存在控制精度较差的问题；有的需要整定的参数较多，给工程应用带来不便。尽管国内外对系统存在参数摄动和外界扰动条件下的控制方法的研究已取得较多成果，但未见应用于树障清理空中机器人的刀具系统控制，且没有一种可有效减轻实际应用时参数整定工作的压力，易于工程实现的控制方法。

发明内容

发明目的：本发明针对树障清理空中机器人刀具系统存在参数摄动以及作业时存在切割转矩扰动的问题，提出一种树障清理机器人刀具系统滑模控制方法，保证刀具系统在切割作业时的优良转速控制性能。

技术方案：本发明所述的一种树障清理机器人刀具系统滑模控制方法，包括以下步骤：

(1)根据刀具系统的电压平衡方程、电磁转矩方程和运动方程，建立刀具系统的二阶状态方程；

(2)在系统二阶状态方程的基础上，设计刀具系统的滑模控制律；

(3)设计刀具系统的跟踪微分器，以获得步骤(2)滑模控制律所需给定转速的一阶、二阶微分信号，并通过跟踪微分器为系统安排过渡过程；

(4)设计刀具系统的线性扩张状态观测器，以获得步骤(2)滑模控制律所需的刀具系统转速微分信号。

进一步地，步骤(1)中所述的刀具系统的二阶状态方程为：

其中，Ω为刀具系统转速，r为刀具电机等效电阻，L_X为刀具电机等效电感，J为刀具电机转动惯量，B为刀具电机粘滞摩擦系数，k_e为刀具电机线反电势系数，K_T为刀具电机转矩系数，u为施加在刀具电机两端的等效输入电压，T_l为刀具系统的负载转矩。

进一步地，步骤(2)所述的滑模控制律为：