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输电线路巡检机器人是当前特种作业机器人的研究热点之一,其能量(主要是电池)管理问题是目前输电线路巡检机器人研究的关键问题之一。在国家“863”项目“500kV超高压输电线路巡检机器人的研究”和机器人学国家重点实验室项目“自主移动机器人能量管理系统的研究”的资助下,本文对输电线路巡检机器人的电池荷电状态(State of Charge,SOC)和健康状态(State of Health,SOH)的估计方法、具有能耗性能指标(主要为线性二次型性能指标)的鲁棒H∞保性能控制、具有能耗性能指标和驱动器饱和输出的鲁棒H∞保性能控制等问题进行了研究。具体研究内容为:
首先,介绍了大档距输电线路巡检机器人作业环境,重点介绍了机器人机械系统和控制系统的设计与实现；在机械子系统中,详细介绍了巡检机器人的机构实现与越障方法；在控制子系统中,详细阐述了机器人控制系统软硬件组成；介绍了能量供给系统、无线传输系统、电磁干扰措施等;并给出了实验结果。
其次,针对电池SOC估计精度低、计算量大等问题,提出了基于H∞观测器的SOC估计方法；该方法具有计算量小,估计精度高等优点,便于在输电线路巡检机器人中应用。在此基础上,针对温度对电池开路电压与SOC之间关系的影响,提出了一种基于H∞观测器的改进SOC估计方法。为了对电池健康状态进行评估,提出了基于无迹卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter,UKF)的电池容量估计方法；该方法能够实时估计电池容量,便于对电池健康状态进行实时评估,便于在巡检机器人中应用；最后为了验证以上所提方法的有效性,构建了一个实验平台,并利用输电线路巡检机器人样机,在不同工况条件下进行了实验研究。并将本章所提SOC估计方法应用到大档距输电线路巡检机器人中,给出了现场实验结果。
估计出电池SOC以后,研究巡检机器人如何利用电池剩余能量,即机器人的保性能控制问题,是十分重要的。针对输电线路巡检机器人自身能量有限问题,考虑到系统的建模误差及外界干扰所造成的模型误差,提出了基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)的鲁棒H∞保性能控制方法；所设计控制器能够使闭环系统稳定,同时满足给定能耗性能指标和H∞性能指标的要求；并且通过凸优化方法,能够使得这两个性能指标能够达到最优。针对系统存在范数有界不确定性且状态不可测情况,提出了基于观测器的鲁棒H∞保性能控制方法,所设计控制器和观测器增益通过求解1个LMI得到,不需要进行迭代搜索求解,不需要试凑法选择参数。基于大档距超高压输电线路巡检机器人模型,对所提方法的有效性进行了仿真研究。
最后,研究了具有驱动器饱和输出的鲁棒H∞保性能控制问题。针对存在驱动器饱和输出情况,将其看作是一种驱动器故障,提出了一种基于H∞观测器的饱和输出估计方法；并获得了估计观测器存在条件；该方法具有不需要系统满足严格正实性条件等优点。针对存在驱动器饱和输出的线性系统,提出了基于LMI的鲁棒H∞保性能控制方法；所设计控制器能够使闭环系统稳定,同时满足给定能耗性能指标、H∞性能指标和驱动器饱和输出限制。针对系统存在范数有界不确定性且系统状态不可测的系统,提出了基于观测器的鲁棒H∞保性能控制方法；由于所提方法是基于驱动器饱和输出信息,因而所提方法具有较小的保守性；而且所设计控制器能够使系统同时满足能耗性能指标、H∞性能指标和驱动器饱和输出限制。基于大档距超高压输电线路巡检机器人模型,对所提方法的有效性进行了仿真研究。