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架空輸電線路自動(dòng)巡線機(jī)器人

上傳人:冷*** 文檔編號(hào):18587599 上傳時(shí)間:2020-12-30 格式:DOCX 頁(yè)數(shù):3 大小:14.22KB
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1、架空輸電線路自動(dòng)巡線機(jī)器人 架空輸電線路自動(dòng)巡線機(jī)器人該文針對(duì)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(duì)位置和形態(tài)不固定的特點(diǎn),

2、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(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹,然后對(duì)機(jī)器人的功能及達(dá)到的性能指標(biāo)進(jìn)行了說(shuō)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(zhǎng)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(shí)修復(fù)或更換。所以,必須對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡視檢查,隨時(shí)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(shí)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(duì)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(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(dòng)巡線成為保障線路安全運(yùn)行的一種必要手段。       國(guó)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(kāi)始,日本東京電力公司、美國(guó)TRC公司等先后開(kāi)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(guó)內(nèi)關(guān)于輸電線路巡線機(jī)器人研究起步較晚,2002年開(kāi)始,針對(duì)110kV、220/330kV和500kV輸電線路,國(guó)家863計(jì)劃支持

4、了3個(gè)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(duì)110kV架空輸電線路巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)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(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng),涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制、通信、傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。它沿高壓輸電線路自動(dòng)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。   

5、    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(duì)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(shuō),巡線機(jī)器人對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求有以下5個(gè)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

6、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(shí)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(guó)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(méi)有解決好這個(gè)問(wèn)題。      

7、 針對(duì)國(guó)內(nèi)110kV輸電線路的實(shí)際情況,筆者參與設(shè)計(jì)開(kāi)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(duì)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(guò)渦輪蝸桿減速器連接在控制箱上;每只手由兩個(gè)手掌構(gòu)成,手掌開(kāi)合裝置安裝在手腕處,機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置和剎車制動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置;2柔性臂;3

8、制動(dòng)裝置;4控制箱;5手掌開(kāi)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(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(dòng)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(wú)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(dòng)軌跡規(guī)劃主要是局部越障規(guī)劃,它可以通過(guò)接收來(lái)自控制面板的控制命令(檢修和調(diào)試時(shí))

10、,或地面基站工作人員通過(guò)無(wú)線通信發(fā)過(guò)來(lái)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(dòng)生成下一步的控制策略(自動(dòng)控制方式),確保機(jī)器人可靠、快速的越過(guò)障礙。由于巡線機(jī)器人在高空作業(yè),會(huì)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(cè)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(wèn)題。       規(guī)劃級(jí)通過(guò)RS-232與直接控制級(jí)進(jìn)行通信,指示控制級(jí)完成指令規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。而無(wú)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(jī)器人一系列的重要狀態(tài)信息,以便于地面手動(dòng)干預(yù),避免事故發(fā)生,優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制。       執(zhí)行層是直接面向被控對(duì)象的,用來(lái)完成對(duì)各自由度的運(yùn)動(dòng)控制。它主要由以下3個(gè)部分組成:       ?電機(jī)伺服控制單元。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jué)傳感器和電磁傳感器等構(gòu)成機(jī)器人姿態(tài)伺服環(huán)。   

12、   ?開(kāi)關(guān)量單元。由I/O板卡,限位開(kāi)關(guān)等組成,執(zhí)行對(duì)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(jiàn)光攝像儀,用于對(duì)線路的檢測(cè)。       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(jí),以便規(guī)劃級(jí)進(jìn)行下一輪的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,完成對(duì)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(jí)。       3機(jī)器

13、人自主運(yùn)行試驗(yàn)       對(duì)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(dòng)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(jiàn)光攝像機(jī)及其云臺(tái),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(jiàn)光圖像。       4結(jié)束語(yǔ)   

14、    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(wèn)題,但復(fù)雜線路部分有時(shí)還需要人工輔助。由于巡線機(jī)器人是一個(gè)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(chǎng)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(dòng)巡線,還有待開(kāi)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(duì)輸電可靠性越來(lái)越高的要求,其發(fā)展前景將是非常廣闊的。

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