柔性输电线缆巡检机器人无动力下坡制动与能量回收方法研究

The braking energy recovery technology can effectively alleviate the energy shortage of the inspection robots on high-voltage transmission lines. When the robot is unpowered downhill along the unstructured flexible transmission cable, the dynamic model of the energy recovery system shows strong coupling and strong nonlinearity. And the specialty of its operating environment makes parameter matching time lag problem appear when robot maximizes recovery of braking energy. What’s more, the existing brake energy recovery method is difficult to autonomously adapt to the flexible unstructured environment. In order to solve this problem, by studying the mechanism of robot-soft cable-energy recovery system, and discussing the interaction laws of dynamic parameters under different states of the robot, this paper proposes the unpowered downhill braking and energy recovery control method based on dynamic behavior to achieve robotic downhill speed control and maximize energy recovery; by analyzing the influence of the robot slip mechanism and the motor temperature rise characteristics on the energy recovery system, applying adaptive intelligent control method to optimize the unpowered downhill braking and energy recovery control algorithm, and reducing the robot slip rate and temperature difference between the front and rear wheel motor, the efficiency of braking energy recovery is improved and the safety of the robot is guaranteed. This project proposes a new method of on-line energy saving and recovery for the high-voltage transmission line inspection robot, laying a theoretical and technical foundation for realizing the robot long-distance and large-scale inspection.

制动能量回收技术能有效缓解高压输电线路巡检机器人能量短缺问题。当机器人沿非结构化柔性输电线缆无动力下坡时能量回收系统动力学理论模型表现为强耦合及强非线性，其运行环境的特殊性使得机器人最大化回收制动能量时出现参数匹配迟滞问题，且现有制动能量回收方法难以自主适应柔性非结构化环境。为解决该问题，本项目通过研究机器人-柔索-能量回收系统间动力学耦合机理，探讨机器人不同状态参数动力学性能相互影响规律，提出基于动力学行为的无动力下坡制动与能量回收控制方法，实现机器人下坡速度可控与能量回收效率最大化；分析机器人打滑机理和电机温升特性对能量回收系统影响，采用自适应智能控制方法优化无动力下坡制动与能量回收控制算法，降低机器人打滑率及前后轮行走电机温度差，提高制动能量回收率，确保机器人运行安全。本项目为高压输电线路巡检机器人提出一种在线节能与能量回收方法，为实现机器人长距离、大范围巡检奠定理论与技术基础。

项目研究巡检机器人沿柔性输电线缆无动力下坡制动与能量回收的关键技术及实现方法，提出一种新的在线节能与能量回收方法。通过搭建融合能耗制动与回馈制动的机器人无动力下坡速度控制与能量回收系统，分析能量回收系统-机器人-柔性输电线缆三者间耦合动力学理论模型，研究系统耦合参数间动态映射特性，探索基于动力学行为的能量回收控制方法；深入研究机器人打滑机理及行走轮电机温升特性，优化无动力下坡能量回收控制算法，实现机器人无动力下坡速度可控和能量回收最大化；完成系统软硬件平台开发，并在高压输电线路上进行实验验证，证明所研制无动力下坡制动与能量回收系统及控制方法的可行性。项目结合理论分析、模拟仿真和实验研究相结合的方法，围绕计划研究内容，完成了预期目标。首先，利用电机可逆性原理，结合输电线缆悬链线状结构特征，采用能耗制动与回馈制动伺服控制机器人无动力下坡，实现机器人节能与能量回收；其次，通过研究机器人-柔索-能量回收系统间动力学耦合机理，探讨机器人不同状态下动力学性能参数相互影响规律，提出基于动力学行为的无动力下坡制动与能量回收控制方法，实现机器人下坡速度可控与能量回收最大化；然后，分析机器人打滑机理和电机温升特性对能量回收系统影响，采用自适应控制方法优化前后轮制动转矩分配系数，降低机器人打滑率及前后轮行走电机温度差，提高制动能量回收率，确保机器人运行安全；最后，通过在模拟实验平台及机器人样机试验，结果表明，基于动力学行为无动力下坡制动与能量回收参数匹配算法与控制策略能较好的提高机器人能量回收效率，控制其下坡速度，减少机器人打滑现象，降低机器人行走轮间的温度差，延迟机器人使用寿命，保证机器人运行安全，相关研究成果为高压输电线路巡检机器人开辟一种新的在线节能与能量回收方法，为实现机器人长距离、大范围的巡检运行奠定理论与技术基础。