悬挂刀具结构的树障清理空中机器人设计

许昌亮，张秋雁，杨忠，姜遇红，徐浩

(1.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106；2.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002；3.南京航空航天大学 无人机研究院，江苏 南京 210016)

树障是输电线路通道普遍存在的一种安全隐患，因树障造成输电线路短路或绝缘下降从而引发的安全事故时有发生[1-2]。为此，各级电力部门每年都要投入大量的人力、物力与财力对辖区内输电线路通道的树障进行清理整治。目前树障清理主要依赖于人工清理，存在着效率不高、安全风险大等缺点，尤其是地形恶劣和复杂的环境给树障清理工作带来了巨大的挑战。树障清理成为电网企业一直想要解决的紧迫问题，亟需一种自动清理装置来解决目前相对落后的人工作业方式。

有关树障清理方面的报道和研究不多，目前的报道和文献显示几乎所有输电线路的树障清理工作都是由人工辅以简单的作业工具来完成的[3-5]。也有一些树障清理设备的结构设计和输电线路树障测量方法的探讨[6]。张学东[7]针对输电线路树障砍伐采用人工爬树绕绳清理效率低的问题，设计了输电线路树障砍伐绕线装置。郑耀华[8]提出利用激光测距技术、H.264视频解压缩技术和混合无线通信组网技术组成架空输电线路走廊树障在线监测系统，来降低架空输电线路走廊内树木生长引起的线路跳闸故障率，减轻线路维护人员巡线工作强度。毛强[9]提出基于机载激光雷达的输电线路树障智能测距的基本思路，并依据试点作业情况预测该方法的应用前景。吴健成[10]设计了可视化的树障管理系统，描述了图形化的树障信息管理的结构和功能。但是这些都是针对现行树障清理方式的技术辅助，没有提出更高效的树障清理解决方案。

随着对电力系统运营维护成本和效率的要求不断提高，各类电力机器人的需求也不断显现，并引起了国内外学术工作者的广泛关注[11-15]，但是在树障清理机器人方面的研究成果却鲜有报道，国外仅有日本和伊朗的学者对树障清理机器人进行了开发。Javier Molina[16-17]基于多旋翼无人机开发了一款对脚斜钳子树障清理机器人，该机器人在作业前先要用钳子把机体悬挂在要切割的树干上，然后再进行切割作业，清理动作和步骤较多，作业效率得不到保证。另外由于该机器人的无人机机体上安装的作业装置与机体没有拉开足够的空间距离，因此机器人在作业时必须飞入树内，导致螺旋桨极易受到枝叶的干扰而产生坠机风险。N. Azami针对高压电线附近的树障威胁开发了一款基于八旋翼无人机的悬挂链锯机器人[18]，但该机器人中的链条结构要求电动机执行机构需有足够的转速和扭力，对动力电池和驱动机构要求高。

本文针对以上现状，重点研究开发一种适用于树枝向通道侧向生长或树枝向通道外倾斜生长等任务场景的空中机器人，以实现输电线路通道树障自上而下或由外向内的“剃头式”大面积快速清理。

1 树障清理空中机器人设计

1.1 树障清理空中机器人结构

本文提供的技术方案是一种悬挂刀具结构的树障清理空中机器人，如图1所示。该机器人包括空中机器人主体平台和作业刀具，平台支架对称连接在机体上，且平台支架上连接有多个旋翼组件；平台的机体的底部通过竖直的连杆与刀具架连接，刀具架上固定连接有刀具电动机，刀具电动机的输出轴连接作业刀具；连杆由上连杆、下连杆和保护关节组成。

脱钩机构安装在机体的几何中心下方，与空中机器人重心的水平投影重合。脱钩机构实现了万向节的功能，使其下方部件相对机体拥有前后俯仰和左右滚转的自由度，消除了树障作用于作业刀具的俯仰(前后)与滚转(左右)力矩对机体的影响；同时，当空中机器人平飞时，机体的前后左右倾斜对作业刀具的姿态也没有影响。

1—旋翼；2—旋翼电动机；3—平台支架；4—飞行控制器；5—机体；6—刀具动力电池；7—脱钩机构；8—上连杆；9—下连杆；10—折叠关节；11—刀具架；12—保护关节；13—刀具电动机；14—作业刀具。

图1 树障清理空中机器人结构
Fig.1 The structure of aerial trees-pruning robot

树障清理空中机器人在悬挂刀锯杆上配备了保护关节，保护关节拥有轴向和航向2个方向的机械缓冲自由度，可有效减弱树障反作用力或力矩以及作业刀具的振动对空中机器人飞行姿态的影响。

1.2 树障清理空中机器人技术特点

本文所提出的空中机器人设计方案具有诸多有益于飞行和作业控制的技术特点：

a)机体上安装旋翼组件以及悬垂的作业刀具，适合于从树障顶部自上而下或从树障侧面自外而内地实施“剃头式”大面积快速清理。该技术可有效避免树障对旋翼组件的干涉和坠机风险，与人工清障相比，可避免操作人员近距离接触树障处的高压输电线，有效提升清理作业的效率并降低操作风险。

b)将作业刀具相关的驱动部件(包括刀具动力电池)悬挂于空中机器人重心的下方，可降低机器人的整体重心，提升空中机器人飞行的稳定性。

c)平台支架采用折叠方式连接，收纳时可有效缩小整机尺寸，便于收纳与携带。

d)由旋翼组件提供空中机器人升力和进给力并实施姿态稳定与位置控制。相比奇数片刀具，偶数片作业刀具的扭矩平衡更易实现，安全性更好。

e)在相同连杆倾斜角度下，能有效增加作业刀具的水平推进力，提升树障清理效率；此外，还增加了连杆下方部件的整体惯性，增强了作业刀具的姿态稳定性。

f)所设置的空中机器人保护关节具有2个方向的机械缓冲自由度(轴向与扭转)，可有效减弱树障反作用力或力矩对机器人飞行姿态的影响。

g)在空中机器人作业刀具无法脱离树障时，采用脱钩机构实现机体与机体下方部件的快速脱离，从而对飞行平台实施安全保护。

2 飞行和作业控制方法

空中机器人通过保护关节感知树障经作业刀具施加在连杆上的轴向力(上压或下拉)和扭转力矩，一旦达到或超过预定的保护限值，即自动进入保护模式，令作业刀具先刹车后反转；同时控制空中机器人向后、向使扭转力矩或轴向力减小的方向运动退出作业。若上述反作用力或力矩小于预定的保护限值，则将其作为空中机器人运动微调的控制输入。控制方法如下：

a)设清障时保护关节感知的连杆所受轴向力为FZ，拉力为正，相应的作业限值为λZ、不灵敏区为δZ，其中，λZ>0，0≤δZ<λZ，有：

——若FZ<0，连杆受轴向压力，控制空中机器人向上微调高度；

——若FZ<λZ-δZ，控制空中机器人向前运动微调，使轴向力增大，实现水平自动进给；

——若|FZ-λZ|≤δZ，控制空中机器人保持悬停，水平进给量为0；

——若FZ>λZ+δZ，控制空中机器人向后运动微调，使轴向力减小，实现水平自动回退。

b)设清障时保护关节感知的连杆所受扭转力矩为MN，相应的作业限值为λN、不灵敏区为δN，对于偶数个圆盘锯，λN=0，δN≥0，有：

——若|MN|>λN，控制空中机器人向使|MN|减小的方向进行航向微调，实现航向自动平衡调整；

——若|MN|≤λN，控制空中机器人保持当前航向。

c)根据刀具控制器采集的电动机电流与刀具转速信息，实时评估作业刀具的过载、卡阻及损伤状态，评估方法如下：

——若电动机电流超过电流预定限值，可判定作业刀具过载或卡阻。

——若刀具转速低于转速预定限值，可判定作业刀具过载或卡阻。

——若电动机电流或刀具转速出现周期性的脉动，可判定作业刀具有损伤。原因在于，往复工作的刀具若存在缺损，其动平衡失调及所受树障阻力的周期性变化，将引起刀具转速和电动机电流的周期性脉动。

一旦出现上述任一情况，刀具控制器快速向刀具电动机输出先刹车后反转指令、向空中机器人输出后退指令，以实现空中机器人保护性退避，同时通过通信模块向地面人员发送安全报警信息。

d)当作业刀具无法脱离树障时，向脱钩机构7发送指令使脱钩机构动作，实现脱钩机构下方部件的快速脱离，从而对脱钩机构及其上方的飞行平台实施安全保护。

3 系统建模与控制律设计

为了便于树障清理空中机器人的控制，防止悬挂刀具杆发生失控，需对机器人进行系统建模，并生成对机器人的控制输入。对于机器人系统，因刀具系统与机器人本体之间为刚性连接(即2个部件之间没有自由度)，悬挂刀具空中机器人整体能够被当作一个刚性体。尽管飞行器的坐标系建立和运动学模型可以采用传统的多旋翼坐标和运动学建模方法，但由于树障清理空中机器人在作业时悬挂了一套带有高速旋转的、质量不可忽略的锯片，原有的多旋翼飞行器的动力学模型已不再适用。本节将按照机器人的特殊结构和原理重新进行动力学建模。

3.1 坐标系定义

树障清理空中机器人的系统建模从坐标系的建立开始，本文采用“北东地”大地坐标系Oe、xe、ye、ze和“前右下”机体坐标系Ob、xb、yb、zb(如图2所示)，其中Ob表示机体坐标系原点(机器人质心)，由于机器人的悬挂刀具模块具有相对于本体不可忽略的质量，故机器人的质心位于机腹下方的刀具杆上，xb指向机器人正前方，yb指向机器人右侧，zb指向机器人正下方。

在大地坐标系下，悬挂刀具树障清理空中机器人的质心的位置pe及其线速度υe的定义可以表示为：

图2 坐标系定义Fig.2 Coordinate system definition

pe=(X,Y,Z)T；υe=(u,v,w)T.

(1)

式中：X、Y、Z分别为大地坐标系下xe、ye、ze轴向的空中机器人的质心位置；u、v、w分别为xe、ye、ze轴向的空中机器人的线速度。

(2)

使用式(3)所示的转换矩阵可将机体坐标系转换为大地坐标系。

(3)

机体坐标系下的线速度υb可由υe经转换矩阵R变换得到，表达式为

υb=(a,b,c)T=RTυe.

(4)

式中a、b、c分别为机体坐标系下xb、yb、zb轴向的空中机器人的线速度。

(5)

式中：p、q、r分别为绕机体坐标系xb、yb、zb的角速度；W为转换矩阵。

3.2 空中机器人动力学建模

对悬挂刀具的树障清理空中机器人建模时，认为机器人是刚体，质量与转动惯量不变。与传统多旋翼不同的是，机体除了受重力和螺旋桨拉力，还受到螺旋桨和刀锯在高速旋转时对机体产生的反向力矩，以及机器人在切割作业时树木对刀锯的作用力。重力沿ze轴定义为正方向，螺旋桨升力沿zb轴定义为负方向。

于是定义1—4号旋翼的升力分别为Fi，i=1，2，3，4。旋翼提供的总升力

(6)

螺旋桨和刀锯在高速旋转时对机体产生的反向力矩

(7)

式中：ωj分别为4个旋翼的转速和2个刀锯的转速；cj为各力矩相应的力矩系数。Mj的方向垂直于螺旋桨或刀锯的旋转平面，如图3所示。图3中G为空中机器人的重力，L为多旋翼方形阵列的边长。

图3 树障清理空中机器人动力学模型Fig.3 Dynamics model of the aerial trees-pruning robot

使用以下旋转矩阵来表示该机器人刚体运动学模型。

(8)

其中

(9)

式(8)中：g为重力加速度；Fcut为作业时树木对空中机器人的作用力；e3为机体坐标系z轴的单位向量；A为机体坐标系角速度ωb的斜对称形式；J为多旋翼的转动惯量；Ga为陀螺力矩；τ为螺旋桨在机体轴上产生的力矩。

3.3 树障清理作业过程

在兼顾树障清理的安全性和效率的情况下，空中机器人割树作业的飞行轨迹可分为上升阶段、平飞阶段、作业阶段和降落阶段，如图4所示。

图4 树障清理空中机器人作业过程Fig.4 Operation process of aerial trees-pruning robot

空中机器人首先从地面上起飞，进行垂直轨迹飞行；再通过水平飞行靠近作业区域，并对树障进行切割作业；作业完成后平飞离作业区域；最后降落在着陆点。

3.4 控制律设计

在上述系统建模的基础上，树障清理空中机器人的控制律设计如图5所示。控制回路采用内外环的控制思想，内环保证机器人在运行过程中保持姿态的稳定，外环回路控制机体的位置并使轨迹实现对参考轨迹的跟踪。

图5 控制律结构框图Fig.5 Control structure diagram

4 仿真实验

基于上节中针对悬挂刀具树障清理空中机器人的建模与控制，为了验证该控制理论的控制效果，本文通过Simulink对其在作业过程中的控制效果进行了仿真，Simulink仿真界面如图6所示。

为了更精确地模拟树障清理过程中树障通过刀锯对机体的作用力，在时间t=15～18 s时段中，在仿真模型加入一定的噪声干扰。在模型中通过对树障清理空中机器人的轨迹跟踪控制，得到了机器人在切割作业仿真过程中的位置相应曲线，下面分别给出了在大地坐标系下位置坐标X、Y和Z的轨迹，如图7—9所示。

图6 Simulink仿真界面Fig.6 Simulink simulation interface

图7 xe轴位置响应Fig.7 Position response of xe axis

图8 ye轴位置响应Fig.8 Position response of ye axis

图9 ze轴位置响应Fig.9 Position response of ze axis

从图7—9的位置跟踪效果来看，树障清理空中机器人通过垂直飞行与水平飞行模式轮流切换，经历了树障清理作业4个阶段，完成了对高压输电走廊的树障清理工作。从结果曲线可以发现，在树障清理作业中的t=15～18 s时段，空中机器人的实时轨迹发生了一定程度的震荡，但是总体依然较好地跟踪了预定轨迹。因此，仿真结果的响应曲线说明了控制律的有效性，空中机器人能够稳定实现对树障的清理作业。

5 结束语

本文设计了一种应用于输电线路的悬挂刀具结构的树障清理空中机器人，主要内容包括：①概述了输电线路通道树障清理的背景和技术现状；②阐述了树障清理空中机器人的结构和技术特点；③描述了树障清理空中机器人飞行和作业控制方法；④对树障清理空中机器人进行了建模与控制仿真验证。

仿真结果表明，树障清理空中机器人的轨迹较好地跟踪了设定的参考轨迹，同时整个过程中较好地保持了空中机器人姿态的稳定。因此树障清理空中机器人可有效提升清理作业的效率并降低操作风险，解决现有技术中存在的人工清理效率不高、高人工成本和安全风险大的问题，为进一步的技术开发和工程应用提供了有利的理论技术支撑。