电力系统智能转运平台履带控制策略研究
杨海柱+康乐+岳刚伟+高龙飞
摘要：
针对电力设备在变电站等高电压环境中的运输问题，设计了一种智能转运平台。为增强平台行驶稳定性，提出了一种基于模糊控制的履带控制策略，通过制定合适的模糊规则，消除平台行驶时产生的抖动对摇杆操作的影响。仿真及现场调试表明，平台行驶速度稳定。将模糊控制应用于履带控制策略，能使履带行驶稳定性大大提高。
关键词：
电力系统；智能转运；履带；模糊控制
DOIDOI：10.11907/rjdk.172259
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2018）001-0139-03
Abstract：In the substation and high voltage environment， designed a kind of intelligent transportation platform for power equipments transportation. In the development process， it found the jitter from platform running has great effect on track control， in order to eliminate the influence， strengthen the platform running stability， this paper proposes a track control strategy based on the fuzzy control， by setting the appropriate fuzzy rules to eliminate the influence of platform running jitter on the joystick operation， so that the platform runs more stable.Through simulation and debugging， the effect of jitter on the vehicle steering rocker operation is eliminated， the platform speed stability. It shows the crawler running stability greatly improved through the fuzzy control applied to track control strategy.
Key Words：electric power system； intelligent transportation； track； fuzzy control
0引言
在變电站以及一些高压环境中，当设备发生故障时，需要对设备进行检测及更换。由于电力设备不方便搬运，以及高压环境对人的危害，不适宜进行人工运输，智能运输平台用于解决这些问题。平台履带的原有控制策略是通过万向摇杆控制电机调速，从而驱动履带行驶。但平台行驶时会产生晃动，使摇杆位置发生变化，导致电机转速变化，履带行驶稳定性降低。本文对万向摇杆引入模糊控制策略，消除平台晃动影响，使履带按照设定状态行驶，稳定性得以提升 [1]。
1智能转运平台整体结构
智能转运平台主要由车体、驱动系统、液压系统、控制器以及相关传感器构成，平台采用钢结构车身和履带底盘，通过两台直流无刷电机驱动履带移动。采用履带式的运输方式，能够更好地保证运转平台的稳定性，以及在狭小空间的通过性；液压系统采用一个直流电机来驱动，能够实现起吊部分180度旋转，以及机械臂对设备的起吊、搬运，同时对平台四周的4个液压臂实现控制，提高起吊设备时平台的稳定性。同时平台引入WiFi模块，通过手机即可实现对平台动作的远程控制。为保证可靠性，平台上还有一套手动控制系统，以保证在手机出现故障时能够操控[9]。在平台前后左右还装有距离检测器，实现平台的防撞功能，在前方装有传感器，实现平台的自动寻迹。
通过车身上的旋钮调节平台手动控制或通过手机APP遥控操作，都能实现液压系统和驱动系统的控制，如图1所示。
无论手动还是遥控，都将平台设定为前、后、左、右、左上、右上、左下、右下8个行驶方向，当把摇杆朝设定方向推动时，平台就朝该方向移动。但是在摇杆推动过程中，由于平台晃动使其偏离设定位置时，摇杆的输出电压会发生波动，导致电机转速发生突变，使平台行驶稳定性降低。为此，引入模糊控制策略[2-4]。当平台行驶时产生的晃动对摇杆操作产生影响时，输出的控制电压波动小，使履带的行驶速度不发生突变，从而实现平台的稳定行驶。
2履带原有控制策略
履带采用万向摇杆控制移动，原有的控制策略为：把摇杆可推动的平面看作一个圆形区域，以圆点为中心建立平面直角坐标系。以x轴为标准轴，圆形区域上方与下方存在一个输出电压VX；以y为标准轴，圆形区域的左边与右边也存在一个输出电压VY。设定在x轴和y轴负方向上最大半径处电压为0v，正方向上最大半径处为3.3v。对应VX存在VX=rR×θ1180。×3.3（θ1为摇杆所处的位置同圆心的连线和x轴负方向的夹角），对应VY存在VY=rR×θ2180。×3.3（θ2为摇杆所处位置同圆心的连线和y轴负方向的夹角）。把VX作为左电机的驱动信号，VY作为右电机的驱动信号，通过控制器对这两个电压信号进行采样，控制器根据采集到的电压值输出合适的PWM波来驱动电机调速，实现履带运转。经过实验发现，采用原有的控制策略，当推动摇杆朝所设定的8个方向移动时，平台行驶时产生的晃动使摇杆所处的角度和位置发生变化，摇杆输出的电压也随之发生变化，使电机的转速突变，履带的行驶变得不稳定，不利于设备运输。
3履带智能控制策略
模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化显著的对象非常适用，由于原有的控制策略存在问题，为此，对万向摇杆引入模糊控制策略，用来消除人为操作带来的电机转速变化影响，使履带的稳定性得以提升。
3.1模糊控制器的输入量和输出量
首先找出模糊控制器的输入量和输出量，输入量分别是半径R和角度α，输出量分别是左电机和右电机输出状态PL、PR [10]。
3.2映射到模糊集合论域
将角度设定为8个方向，半径设为两种状态，分别映射到{NA、NB、NC、ND、NE、NF、NG、NH、NI}和{S、B}，将PL、PB映射到{P-1、P-2、P-3、P0、P1、P2、P3}，角度α的论域为{-2，2}，半径R的论域为{0，2}，PL、PB的论域为{-3，3}[5-6]。
3.3隶属度函数
根据设定的万向摇杆控制策略，为保证系统可靠运行，将角度α、半径R以及左右电机的输出状态PL和PB全部采用三角形隶属度函数，如图2所示。
3.4编辑模糊规则
当角度与半径处于不同的状态时，根据所设定的行驶状态对应的左右电机的输出状态，建立模糊规则表，如表1所示。
3.5模糊规则推理和输出曲面
通过模糊工具箱里的规则观测器和曲面观测器，查看模糊规则推理图3和观测输出曲面，见图4、图5[7-8]。
3.6仿真结果
经过仿真得到如表2所示的摇杆处于-45°左右時输出驱动电压，表3为仿真结果。
4实验与分析
采用宽180mm×节距72mm×节数39的履带式底盘，选用两台OKD80B5-48V-1.1-1500直流无刷电机作为履带式底盘驱动。一台OKD80B5-48V-1.1-1500直流无刷电机驱动液压系统，使用4块6DGA-12V-170型蓄电池提供48V直流电源，选用ARM控制器，通过JH-D202X-R2/R4二维摇杆电位器控制履带行驶。选取-45°左右的驱动电压进行检测。首先在平台上采用原有控制策略，测试摇杆输出的驱动电压，之后将模糊控制策略引入控制器平台，再测量摇杆输出的驱动电压，检测结果如表4、表5所示。
将输出结果制成折线图，如图6～图9所示。
将实验和仿真数据进行对比，结果基本保持一致，同时通过图6～图9分析可知，在将模糊控制策略引入万向摇杆之后，摇杆输出的驱动电压曲线较原有控制策略的电压曲线更为平滑，输出电压波动较小，说明更为稳定。本文方法能消除平台晃动对摇杆的影响，使履带控制达到预期要求。
5结语
本文提出的电力系统智能转运平台，为变电站以及一些高电压危险环境中的运输问题提出了合理的解决方案。提出的基于模糊控制原理的控制策略，相比原有的摇杆控制策略，消除了平台晃动对行驶的影响，使履带能够稳定行驶，安全性大大提升，仿真实验验证了本控制策略的可行性。本智能转运平台经实验室模拟调试及现场调试，证明运行稳定，性能可靠，能够实现预期的行驶状态。
参考文献：
[1]李华，马晓军，臧克茂，等.电传动履带装甲车中直流无刷电机系统的控制[J].中小型电机，2005，32（4）：21-25.
[2]叶长青，尹华杰.无刷直流电机速度的模糊控制方法[J].电气传动，2006，36（3）：3-7.
[3]谢振，于莲芝，葛山峰. 基于模糊预测控制的路径跟踪控制研究[J].软件导刊，2016，15（10）：4-7.
[4]纪艳华，孙玉坤.自适应模糊PID在基于开关磁阻电机的电动车辆控制中的应用[J].中小型电机，2004，31（1）：32-35.
[5]许力.智能控制与智能系统[M].北京：机械工业出版社，2007.
[6]张化光，孟祥萍.智能控制基础理论及应用[M].北京；机械工业出版社，2005.
[7]楼顺天，胡昌华，张伟.基于MATLAB的系统分析与设计—模糊系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.
[8]彭勇刚.模糊控制工程应用若干问题研究[D].杭州：浙江大学，2008.
[9]张凡.履带式移动机器人的控制与避障[D].南京：南京理工大学，2013.
[10]阮勇.基于MATLAB平台的模糊控制器的设计与仿真[J].现代电子技术，2005（11）：5-7.
（责任编辑：杜能钢）
摘要：
针对电力设备在变电站等高电压环境中的运输问题，设计了一种智能转运平台。为增强平台行驶稳定性，提出了一种基于模糊控制的履带控制策略，通过制定合适的模糊规则，消除平台行驶时产生的抖动对摇杆操作的影响。仿真及现场调试表明，平台行驶速度稳定。将模糊控制应用于履带控制策略，能使履带行驶稳定性大大提高。
关键词：
电力系统；智能转运；履带；模糊控制
DOIDOI：10.11907/rjdk.172259
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2018）001-0139-03
Abstract：In the substation and high voltage environment， designed a kind of intelligent transportation platform for power equipments transportation. In the development process， it found the jitter from platform running has great effect on track control， in order to eliminate the influence， strengthen the platform running stability， this paper proposes a track control strategy based on the fuzzy control， by setting the appropriate fuzzy rules to eliminate the influence of platform running jitter on the joystick operation， so that the platform runs more stable.Through simulation and debugging， the effect of jitter on the vehicle steering rocker operation is eliminated， the platform speed stability. It shows the crawler running stability greatly improved through the fuzzy control applied to track control strategy.
Key Words：electric power system； intelligent transportation； track； fuzzy control
0引言
在變电站以及一些高压环境中，当设备发生故障时，需要对设备进行检测及更换。由于电力设备不方便搬运，以及高压环境对人的危害，不适宜进行人工运输，智能运输平台用于解决这些问题。平台履带的原有控制策略是通过万向摇杆控制电机调速，从而驱动履带行驶。但平台行驶时会产生晃动，使摇杆位置发生变化，导致电机转速变化，履带行驶稳定性降低。本文对万向摇杆引入模糊控制策略，消除平台晃动影响，使履带按照设定状态行驶，稳定性得以提升 [1]。
1智能转运平台整体结构
智能转运平台主要由车体、驱动系统、液压系统、控制器以及相关传感器构成，平台采用钢结构车身和履带底盘，通过两台直流无刷电机驱动履带移动。采用履带式的运输方式，能够更好地保证运转平台的稳定性，以及在狭小空间的通过性；液压系统采用一个直流电机来驱动，能够实现起吊部分180度旋转，以及机械臂对设备的起吊、搬运，同时对平台四周的4个液压臂实现控制，提高起吊设备时平台的稳定性。同时平台引入WiFi模块，通过手机即可实现对平台动作的远程控制。为保证可靠性，平台上还有一套手动控制系统，以保证在手机出现故障时能够操控[9]。在平台前后左右还装有距离检测器，实现平台的防撞功能，在前方装有传感器，实现平台的自动寻迹。
通过车身上的旋钮调节平台手动控制或通过手机APP遥控操作，都能实现液压系统和驱动系统的控制，如图1所示。
无论手动还是遥控，都将平台设定为前、后、左、右、左上、右上、左下、右下8个行驶方向，当把摇杆朝设定方向推动时，平台就朝该方向移动。但是在摇杆推动过程中，由于平台晃动使其偏离设定位置时，摇杆的输出电压会发生波动，导致电机转速发生突变，使平台行驶稳定性降低。为此，引入模糊控制策略[2-4]。当平台行驶时产生的晃动对摇杆操作产生影响时，输出的控制电压波动小，使履带的行驶速度不发生突变，从而实现平台的稳定行驶。
2履带原有控制策略
履带采用万向摇杆控制移动，原有的控制策略为：把摇杆可推动的平面看作一个圆形区域，以圆点为中心建立平面直角坐标系。以x轴为标准轴，圆形区域上方与下方存在一个输出电压VX；以y为标准轴，圆形区域的左边与右边也存在一个输出电压VY。设定在x轴和y轴负方向上最大半径处电压为0v，正方向上最大半径处为3.3v。对应VX存在VX=rR×θ1180。×3.3（θ1为摇杆所处的位置同圆心的连线和x轴负方向的夹角），对应VY存在VY=rR×θ2180。×3.3（θ2为摇杆所处位置同圆心的连线和y轴负方向的夹角）。把VX作为左电机的驱动信号，VY作为右电机的驱动信号，通过控制器对这两个电压信号进行采样，控制器根据采集到的电压值输出合适的PWM波来驱动电机调速，实现履带运转。经过实验发现，采用原有的控制策略，当推动摇杆朝所设定的8个方向移动时，平台行驶时产生的晃动使摇杆所处的角度和位置发生变化，摇杆输出的电压也随之发生变化，使电机的转速突变，履带的行驶变得不稳定，不利于设备运输。
3履带智能控制策略
模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化显著的对象非常适用，由于原有的控制策略存在问题，为此，对万向摇杆引入模糊控制策略，用来消除人为操作带来的电机转速变化影响，使履带的稳定性得以提升。
3.1模糊控制器的输入量和输出量
首先找出模糊控制器的输入量和输出量，输入量分别是半径R和角度α，输出量分别是左电机和右电机输出状态PL、PR [10]。
3.2映射到模糊集合论域
将角度设定为8个方向，半径设为两种状态，分别映射到{NA、NB、NC、ND、NE、NF、NG、NH、NI}和{S、B}，将PL、PB映射到{P-1、P-2、P-3、P0、P1、P2、P3}，角度α的论域为{-2，2}，半径R的论域为{0，2}，PL、PB的论域为{-3，3}[5-6]。
3.3隶属度函数
根据设定的万向摇杆控制策略，为保证系统可靠运行，将角度α、半径R以及左右电机的输出状态PL和PB全部采用三角形隶属度函数，如图2所示。
3.4编辑模糊规则
当角度与半径处于不同的状态时，根据所设定的行驶状态对应的左右电机的输出状态，建立模糊规则表，如表1所示。
3.5模糊规则推理和输出曲面
通过模糊工具箱里的规则观测器和曲面观测器，查看模糊规则推理图3和观测输出曲面，见图4、图5[7-8]。
3.6仿真结果
经过仿真得到如表2所示的摇杆处于-45°左右時输出驱动电压，表3为仿真结果。
4实验与分析
采用宽180mm×节距72mm×节数39的履带式底盘，选用两台OKD80B5-48V-1.1-1500直流无刷电机作为履带式底盘驱动。一台OKD80B5-48V-1.1-1500直流无刷电机驱动液压系统，使用4块6DGA-12V-170型蓄电池提供48V直流电源，选用ARM控制器，通过JH-D202X-R2/R4二维摇杆电位器控制履带行驶。选取-45°左右的驱动电压进行检测。首先在平台上采用原有控制策略，测试摇杆输出的驱动电压，之后将模糊控制策略引入控制器平台，再测量摇杆输出的驱动电压，检测结果如表4、表5所示。
将输出结果制成折线图，如图6～图9所示。
将实验和仿真数据进行对比，结果基本保持一致，同时通过图6～图9分析可知，在将模糊控制策略引入万向摇杆之后，摇杆输出的驱动电压曲线较原有控制策略的电压曲线更为平滑，输出电压波动较小，说明更为稳定。本文方法能消除平台晃动对摇杆的影响，使履带控制达到预期要求。
5结语
本文提出的电力系统智能转运平台，为变电站以及一些高电压危险环境中的运输问题提出了合理的解决方案。提出的基于模糊控制原理的控制策略，相比原有的摇杆控制策略，消除了平台晃动对行驶的影响，使履带能够稳定行驶，安全性大大提升，仿真实验验证了本控制策略的可行性。本智能转运平台经实验室模拟调试及现场调试，证明运行稳定，性能可靠，能够实现预期的行驶状态。
参考文献：
[1]李华，马晓军，臧克茂，等.电传动履带装甲车中直流无刷电机系统的控制[J].中小型电机，2005，32（4）：21-25.
[2]叶长青，尹华杰.无刷直流电机速度的模糊控制方法[J].电气传动，2006，36（3）：3-7.
[3]谢振，于莲芝，葛山峰. 基于模糊预测控制的路径跟踪控制研究[J].软件导刊，2016，15（10）：4-7.
[4]纪艳华，孙玉坤.自适应模糊PID在基于开关磁阻电机的电动车辆控制中的应用[J].中小型电机，2004，31（1）：32-35.
[5]许力.智能控制与智能系统[M].北京：机械工业出版社，2007.
[6]张化光，孟祥萍.智能控制基础理论及应用[M].北京；机械工业出版社，2005.
[7]楼顺天，胡昌华，张伟.基于MATLAB的系统分析与设计—模糊系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.
[8]彭勇刚.模糊控制工程应用若干问题研究[D].杭州：浙江大学，2008.
[9]张凡.履带式移动机器人的控制与避障[D].南京：南京理工大学，2013.
[10]阮勇.基于MATLAB平台的模糊控制器的设计与仿真[J].现代电子技术，2005（11）：5-7.
（责任编辑：杜能钢）
