架空輸電線路自動巡線機(jī)器人

架空輸電線路自動巡線機(jī)器人 架空輸電線路自動巡線機(jī)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(zhuǎn)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(diǎn)，介紹了一種運(yùn)行于輸電線路上的巡線機(jī)器人。文中首先對機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡單介紹，然后對機(jī)器人的功能及達(dá)到的性能指標(biāo)進(jìn)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(diǎn)多面廣，所處地形復(fù)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(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，必須及時修復(fù)或更換。所以，必須對輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查，隨時掌握和了解輸電線路的運(yùn)行情況，線路周圍環(huán)境和線路保護(hù)區(qū)的變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預(yù)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檢，存在很大的困難，甚至有一些巡檢項(xiàng)目靠常規(guī)方法難以完成，因此，利用機(jī)器人進(jìn)行自動巡線成為保障線路安全運(yùn)行的一種必要手段。 國外在巡線機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較早，從20世紀(jì)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(jī)器人的研究工作。但他們研制的巡線機(jī)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(nèi)關(guān)于輸電線路巡線機(jī)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(jì)劃支持了3個巡線機(jī)器人方面的項(xiàng)目研究，到目前已取得了較大進(jìn)展。本文針對110kV架空輸電線路巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行了闡述。 1巡線機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 巡線機(jī)器人是一個復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動控制、通信、傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個領(lǐng)域。它沿高壓輸電線路自動完成線路的巡檢任務(wù)，巡線機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖1所示。 圖1巡檢機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行示意圖 機(jī)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(zhuǎn)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(diǎn)，故要求機(jī)器人必須具有靈巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)，否則不可能完成巡線任務(wù)。具體地說，巡線機(jī)器人對機(jī)械結(jié)構(gòu)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(yùn)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、懸垂線夾等障礙；能夠跨越弓子線和轉(zhuǎn)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(jī)器人摔落。 其中越障能力又是巡線機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于機(jī)器人懸掛在架空線上，越障時既要保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn)，又要保證與其它導(dǎo)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(shè)計(jì)難度非常大。國外的幾種巡線機(jī)器人未能實(shí)用的最根本的原因就在于沒有解決好這個問題。 針對國內(nèi)110kV輸電線路的實(shí)際情況，筆者參與設(shè)計(jì)開發(fā)的巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)器人本體呈對稱結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(gòu)成，手掌開合裝置安裝在手腕處，機(jī)器人的驅(qū)動裝置和剎車制動裝置安裝在手掌上。為實(shí)現(xiàn)靈活越障，機(jī)器人本體共設(shè)計(jì)了16個驅(qū)動關(guān)節(jié)，每只手臂上都裝有CCD攝像機(jī)、超聲傳感器、接近傳感器和碰撞傳感器等。 注：1驅(qū)動裝置；2柔性臂；3制動裝置；4控制箱；5手掌開合裝置 圖2巡線機(jī)器人本體結(jié)構(gòu) 2巡線機(jī)器人的控制系統(tǒng) 自動巡線機(jī)器人是一種運(yùn)行于高壓架空輸電線路上，具有一定智能的機(jī)器。對于這種特殊的工作環(huán)境，要求巡線機(jī)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。 巡線機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)。 圖3控制系統(tǒng)框圖規(guī)劃層由工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（PC104主板）、控制輸入裝置（檢修、調(diào)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(jī)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(fù)雜，因此規(guī)劃層的運(yùn)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(diào)試時），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(jī)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(jī)器人可靠、快速的越過障礙。由于巡線機(jī)器人在高空作業(yè)，會受到刮風(fēng)及弓子線（跳線）部分導(dǎo)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(shù)，成功地解決了機(jī)器人的避障問題。 規(guī)劃級通過RS-232與直接控制級進(jìn)行通信，指示控制級完成指令規(guī)定的運(yùn)動軌跡。而無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用于接收地面遙控指令，并向地面發(fā)送機(jī)器人一系列的重要狀態(tài)信息，以便于地面手動干預(yù)，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(yùn)動控制。它主要由以下3個部分組成： ?電機(jī)伺服控制單元。由電機(jī)驅(qū)動器、直流電機(jī)，位置傳感器和ATMega128AU單片機(jī)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(gòu)成機(jī)器人姿態(tài)伺服環(huán)。 ?開關(guān)量單元。由I/O板卡，限位開關(guān)等組成，執(zhí)行對執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(wù)還包括收集各關(guān)節(jié)位置傳感器的信息并進(jìn)行預(yù)處理，然后傳送給規(guī)劃級，以便規(guī)劃級進(jìn)行下一輪的運(yùn)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(jié)果送到規(guī)劃級。 3機(jī)器人自主運(yùn)行試驗(yàn) 對所研制的機(jī)器人在試驗(yàn)線路上進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，110kV巡線機(jī)器人樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)了如下功能： 能自主運(yùn)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(jī)及其云臺，分別拍攝線路運(yùn)行故障的紅外熱圖像、線路及其通道的可見光圖像。 4結(jié)束語 本文介紹的110kV輸電線路巡線機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用了三手臂結(jié)構(gòu)，使控制更容易，可靠性更高；運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人基本解決了常規(guī)線路的自主越障問題，但復(fù)雜線路部分有時還需要人工輔助。由于巡線機(jī)器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其作業(yè)環(huán)境為相當(dāng)惡劣的高空、強(qiáng)電磁場且有多種障礙的導(dǎo)線，加以風(fēng)荷、野外光線強(qiáng)弱變化和復(fù)雜背景的影響，要達(dá)到實(shí)用化所要求的完全自動巡線，還有待開展進(jìn)一步的工作。隨著機(jī)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。