架空輸電線路自動巡線機器人

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1、架空輸電線路自動巡線機器人 架空輸電線路自動巡線機器人該文針對架空輸電線路具有防震錘、耐張線夾、懸垂線夾、轉彎等諸多障礙，線路與障礙物的相對位置和形態(tài)不固定的特點，

2、介紹了一種運行于輸電線路上的巡線機器人。文中首先對機器人機械結構和控制系統(tǒng)進行了簡單介紹，然后對機器人的功能及達到的性能指標進行了說明。 　　電能傳輸必須依靠高壓輸電線路。由于輸電線路分布點多面廣，所處地形復雜，自然環(huán)境惡劣，電力線及桿塔附件長期暴露在野外，因受到持續(xù)的機械張力、電氣閃絡、材料老化的影響而產生斷股、磨損、腐蝕等損傷，必須及時修復或更換。所以，必須對輸電線路進行定期巡視檢查，隨時掌握和了解輸電線路的運行情況，線路周圍環(huán)境和線路保護區(qū)的變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預防事故的發(fā)生，確保供電安全。傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對山區(qū)和跨越大江大河的輸電線路的巡

3、檢，存在很大的困難，甚至有一些巡檢項目靠常規(guī)方法難以完成，因此，利用機器人進行自動巡線成為保障線路安全運行的一種必要手段。 　　 　　 國外在巡線機器人領域的研究起步較早，從20世紀80年代末開始，日本東京電力公司、美國TRC公司等先后開展了巡線機器人的研究工作。但他們研制的巡線機器人一般需要人工參與，或只能完成兩線塔之間電力線路的檢查，作業(yè)范圍小，自治程度低。國內關于輸電線路巡線機器人研究起步較晚，2002年開始，針對110kV、220/330kV和500kV輸電線路，國家863計劃支持

4、了3個巡線機器人方面的項目研究，到目前已取得了較大進展。本文針對110kV架空輸電線路巡線機器人的設計開發(fā)進行了闡述。 　　 　　 1巡線機器人的機械結構 　　 　　 巡線機器人是一個復雜的機電一體化系統(tǒng)，涉及機械結構、自動控制、通信、傳感器信息融合、電源技術等多個領域。它沿高壓輸電線路自動完成線路的巡檢任務，巡線機器人系統(tǒng)運行示意圖如圖1所示。 　　

5、 　　 圖1巡檢機器人系統(tǒng)運行示意圖 　　 　　 機器人不僅能沿相線快速行走，而且還要跨越防震錘、耐張線夾、懸垂線夾、轉彎、弓子線等諸多障礙，并且線路與障礙物的相對位置和形態(tài)還具有不固定的特點，故要求機器人必須具有靈巧的機械結構，否則不可能完成巡線任務。具體地說，巡線機器人對機械結構的要求有以下5個方面：能在高壓輸電線路上以要求的速度平穩(wěn)運行，具有一定的爬坡能力；能夠靈活地跨越高壓線路上的防震錘、耐張線夾、懸垂線夾等障

6、礙；能夠跨越弓子線和轉彎；體積小、重量輕，但必須提供足夠的空間安裝攜帶電源和儀器；在故障情況，能可靠自鎖，防止機器人摔落。 　　 　　 其中越障能力又是巡線機器人結構設計的關鍵。由于機器人懸掛在架空線上，越障時既要保證機器人姿態(tài)平穩(wěn)，又要保證與其它導線和桿塔金屬部件及拉線的安全間距，并且還要容易控制，因此設計難度非常大。國外的幾種巡線機器人未能實用的最根本的原因就在于沒有解決好這個問題。 　　 　　

7、 針對國內110kV輸電線路的實際情況，筆者參與設計開發(fā)的巡線機器人本體結構如圖2所示。機器人本體呈對稱結構，中間是控制箱，控制箱上方是一只具有伸縮功能的手臂，前后各有一只相同結構的柔性臂，分別通過渦輪蝸桿減速器連接在控制箱上；每只手由兩個手掌構成，手掌開合裝置安裝在手腕處，機器人的驅動裝置和剎車制動裝置安裝在手掌上。為實現(xiàn)靈活越障，機器人本體共設計了16個驅動關節(jié)，每只手臂上都裝有CCD攝像機、超聲傳感器、接近傳感器和碰撞傳感器等。 　　 　　 注：1驅動裝置；2柔性臂；3

8、制動裝置；4控制箱；5手掌開合裝置 　　 　　 圖2巡線機器人本體結構 2巡線機器人的控制系統(tǒng) 　　 　　 自動巡線機器人是一種運行于高壓架空輸電線路上，具有一定智能的機器。對于這種特殊的工作環(huán)境，要求巡線機器人必須具備自動控制和主從遙控操作控制兩種工作方式，并具有在惡劣環(huán)境中可靠工作的能力。 　　 　　

9、 巡線機器人控制系統(tǒng)的組成如圖3所示，由兩大部分組成：地面遙控/數(shù)據(jù)接收移動基站和本體控制單元，其中機器人本體控制單元采用由規(guī)劃層和執(zhí)行層組成的兩層分布式計算機控制結構。 　　 　　 圖3控制系統(tǒng)框圖規(guī)劃層由工控計算機系統(tǒng)（PC104主板）、控制輸入裝置（檢修、調試用控制面板）、圖像采集卡、I/O板卡及無線收發(fā)裝置等組成。巡線機器人沿輸電線路爬行，要跨越防震錘、耐張線夾、懸垂線夾等各種障礙。由于線路情況復雜，因此規(guī)劃層的運動軌跡規(guī)劃主要是局部越障規(guī)劃，它可以通過接收來自控制面板的控制命令（檢修和調試時）

10、，或地面基站工作人員通過無線通信發(fā)過來的遙控命令（遙控操作），或利用傳感器提供的機器人周圍的局部環(huán)境信息，自動生成下一步的控制策略（自動控制方式），確保機器人可靠、快速的越過障礙。由于巡線機器人在高空作業(yè)，會受到刮風及弓子線（跳線）部分導線不規(guī)則形狀的影響，并且環(huán)境中障礙物的形狀各異，尺寸較小，因此使用了超聲傳感器、激光測距儀、CCD等多種傳感器，并采用多傳感器的信息融合技術，成功地解決了機器人的避障問題。 　　 　　 規(guī)劃級通過RS-232與直接控制級進行通信，指示控制級完成指令規(guī)定的運動軌跡。而無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用于接

11、收地面遙控指令，并向地面發(fā)送機器人一系列的重要狀態(tài)信息，以便于地面手動干預，避免事故發(fā)生，優(yōu)先級高于自動控制。 　　 　　 執(zhí)行層是直接面向被控對象的，用來完成對各自由度的運動控制。它主要由以下3個部分組成： 　　 　　 ?電機伺服控制單元。由電機驅動器、直流電機，位置傳感器和ATMega128AU單片機系統(tǒng)組成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)；另外它還與視覺傳感器和電磁傳感器等構成機器人姿態(tài)伺服環(huán)。 　　

12、　　 ?開關量單元。由I/O板卡，限位開關等組成，執(zhí)行對執(zhí)行機構的限位和電源系統(tǒng)的操作。 　　 　　 ?紅外成像儀和可見光攝像儀，用于對線路的檢測。 　　 　　 另外，執(zhí)行層的任務還包括收集各關節(jié)位置傳感器的信息并進行預處理，然后傳送給規(guī)劃級，以便規(guī)劃級進行下一輪的運動軌跡規(guī)劃，完成對控制器、功率放大器的故障診斷，并把診斷結果送到規(guī)劃級。 　　 　　 3機器

13、人自主運行試驗 　　 　　 對所研制的機器人在試驗線路上進行了運行試驗。運行實驗表明，110kV巡線機器人樣機已實現(xiàn)了如下功能： 　　 　　 能自主運行，自動避讓或跨越防振錘、懸垂線夾、壓接管等組合型障礙物；可攜帶紅外熱成像儀、可見光攝像機及其云臺，分別拍攝線路運行故障的紅外熱圖像、線路及其通道的可見光圖像。 　　 　　 4結束語 　　

14、 　　 本文介紹的110kV輸電線路巡線機器人機械結構上采用了三手臂結構，使控制更容易，可靠性更高；運行實驗表明，該機器人基本解決了常規(guī)線路的自主越障問題，但復雜線路部分有時還需要人工輔助。由于巡線機器人是一個復雜的系統(tǒng)，其作業(yè)環(huán)境為相當惡劣的高空、強電磁場且有多種障礙的導線，加以風荷、野外光線強弱變化和復雜背景的影響，要達到實用化所要求的完全自動巡線，還有待開展進一步的工作。隨著機器人各種性能的不斷完善和人們對輸電可靠性越來越高的要求，其發(fā)展前景將是非常廣闊的。