针对长期暴露于恶劣的自然环境中,容易诱发各种故障的多分裂架空高压输电线路,以500kV四分裂线路为例,提出一种可行走于两上相线,且便于上下线的带电检修作业机器人机构构型方案及其虚拟样机。分析其行走状态,提出一种机器人行走姿态优化方法,即使用轮线力作为机器人行走姿态优劣判定的标准,建立机器人轮线力与机器人重心分布的特征关系数学模型;通过理论计算作业平台连杆关节参数对机器人重心分布特征关系的影响,提出一种求解机器人作业末端连杆关节参数逆解的算法,通过调整关节参数改变轮线力,使得机器人在线上时的行走姿态达到最优。

利用机械臂对油罐内壁进行改造时,对激光扫描油罐内壁得到的点云数据的处理精度,尤其是油罐点云法矢的计算准确程度,会影响到机械臂的运行情况及改造效果。考虑到传统协方差分析法对局部特征法矢估算不准确的问题,提出一种应用于油罐内壁的法矢计算方法。首先,利用栅格法和八叉树法相结合的二次剖分方法,建立点云之间的拓扑结构,并根据实际需求实现自适应的路径点的K邻域搜索;然后,采用距离和曲率加权的协方差矩阵对路径点处的法矢进行计算。使用该方法进行实验验证,结果表明,该方法对机械臂作业路径点处的法矢计算准确,满足实际改造需求。

遗传算法具有全局搜索能力强的特点,但易出现"早熟"现象;蚁群算法局部具有搜索能力强的特点。因此将遗传算法与蚁群算法结合,与此同时融合了云模型,提出一种适用于跨越越障式巡检机器人的求逆算法。为了提高算法的局部搜索能力及收敛速度,引入了网格划分策略的连续域蚁群算法;为了避免"早熟",采用了适应度值尺度变换;为了使参数自适应,采用了云模型进行修正。用遗传算法进行全局搜索,用蚁群算法进行局部迭代寻优,用云模型实现交叉算子和变异算子中参数的自适应。并以跨越机器人为对象,开展与遗传算法的对比实验,结果表明该算法可以在避免局部收敛的基础上保证算法的稳定性以及提高收敛的速度和精度。

在移动机器人跟踪目标过程中,主动视觉是经常被采用的方法之一。针对以PTZ摄像机为主体的主动视觉跟踪问题中由于控制等级频繁变化造成视场不稳定和振荡的问题,提出了基于带死区的模糊PID控制方法。通过架空高压输电线巡检机器人搭建PTZ摄像头主动视觉跟踪平台,对选定的杆塔目标进行跟踪,并对比跟踪过程中带死区和不带死区的控制等级变化曲线。实验表明,该方法能较好的控制PTZ摄像头主动视觉跟踪过程中采集图像的稳定性,降低图像振荡。

为提高无动力下坡能量回收效率,优化巡检机器人的性能指标,提出了一种能量回收最优原则的无动力下坡系统参数匹配方法。在建立无动力下坡系统理论模型的基础上,分析了系统重要参数对能量回收效率的影响。以满足最大速度、爬坡性能、回收总能量要求为前提,分别确定了电机的有效功率、减速器的减速比以及超级电容器容量的取值范围;以提高能量回收效率为目标对各个参数进行了优化选取。通过ADVISOR软件建立巡检机器人仿真模型,并对参数匹配结果进行了仿真分析。结果表明,在给定的下坡档段循环工况下,无动力下坡能量回收效率提高了7%。

针对高压输电线路走廊树枝与下相导线间距离过近可能导致短路跳闸等问题,研究设计了一款带电线路树枝修剪机器人,包括沿地线行走的移动机器人平台、绝缘绳卷扬升降及回转平台和末端作业平台。首先,根据作业空间分析提出了树枝修剪机器人的构型原理,并建立了三维模型。其次,针对绝缘组合臂在保证强度和刚度条件以及实际应用条件下利用遗传算法求得了质量最小的最优解,并利用ABAQUS对其进行了有限元应力应变分析及模态分析。最后,试验样机在220kV带电线路上进行了多次树枝修剪试验,试验结果表明,该样机满足220kV带电线路树枝修剪要求,验证了设计的合理性与实用性。

四旋翼飞行器的姿态控制是无人机稳定飞行的关键技术之一。针对复杂多变作业条件下飞行器参数会经常发生变化的问题,在典型控制方法的基础上提出一种自适应的智能控制方法。首先,根据牛顿欧拉定律推导出无人机在地理坐标系下的动力学模型,并对其中参数进行测量计算;然后基于三角形隶属度函数建立模糊控制器,作为外环自主切换的两种控制方式之一,并设置平滑切换过程;最后结合外环对姿态角的控制方法以及内环对角速度快速调整的PD控制方法,实现了无人机串级PID控制方法。仿真和实验结果表明,该系统能够有效控制四旋翼飞行器的飞行姿态。相比较其它算法,其具有更好的鲁棒性和姿态调节的快速性。提升了无人机在飞行过程中抵抗环境扰动和系统动态响应的能力,为四旋翼飞行器控制研究提供了重要的理论与实践基础。

针对高压输电线路人工带电检修作业存在的种种弊端、现有带电作业机器人技术尚不成熟且作业任务单一等问题，提出一种集绝缘子更换作业和螺栓拧紧作业为一体的末端可更换作业机器人，对机器人进行了构型分析、模块划分与集合、运动规划；研制了一台“非跨越越障平台＋双机械手＋4个作业末端”的机器人样机；通过了模拟线路试验、工频耐压试验，证明绝缘子更换作业和耐张线夹螺栓紧固作业的可实现性；展开了对带电作业多作业任务机器人的初步探索。

为了改进现有的人工辅助巡线机器人上下输电线方法存在的效率低、安全性差的缺点，针对实验室研制的穿越式巡线机器人，设计一套自动上下线装置，使其能够自动进出高压输电线，实现对线路的巡检。建立了吊篮的三维模型，通过ANSYS对其进行了静力学分析；介绍了引导导轨的结构，分析了机器人的结构参数对其影响；设计了自动上下线的驱动装置，对其钢丝绳的选型、卷筒的设计、电机的选型进行了分析。建立了原型样机，通过实验验证了结构的可靠性以及方案的可行性。