架空高压输电线路巡线机器人样机研制

架空高压输电线路巡线机器人样机研制

第

电

力

系

统

自动

化,

架空高压输电线路巡线机器人样机研制吴功平,

肖晓晖

,

肖

华

,

戴锦春,

,

鲍务均。。

,

胡

杰

武汉大学动力与机械学院

湖北省武汉市。

该机器人的特点是用最少的自由度和小巧紧凑的机械结构以及多传感器与机器视觉混合伺服方法实现了机器人在一根相线全程

摘要

介绍了所研制的

架空高压输电线路巡线机器人

,

线路上的自主行驶运动滚动爬行和跨越避让障碍物。

、

用电流互感器技术实现了机器人电能消,

耗的在线自动补给用可见光摄像机和红外热成像仪实现了线路的巡视与机械电器故障的检测诊断巡检线路及其信息实现了计算机管理该机器人已通过了现场带电线路上的运行试验具有广阔的应用前景。

关键词

巡线机器人

架空高压输电线

自主越障

电能在线补给

检测诊断与管理

中图分类号

引言架空高压输电线路是长距离输送电力的重要设

是具有跨越障碍物功能但由于其结构尺寸大和重量重因而实用性差并大多仍处在实验室研制阶,

,

,

备主要包括输电导线及其金具绝缘子串组合杆塔和地基以及输电线路的安全通道在交变机械,,。

、

、

段另一类是只能在,。

载荷电器闪络材料老化和自然灾害等因素的综合作用下输电线路会产生机械电器故障杆塔及其地基和交叉跨越安全距离等变化若不及时发现和修复将造成严重的停电事故和人身生命安全隐患,、

、

、

个杆塔间的直线段巡线不具备跨越障碍物功能因而其巡线作业范围受到了很大限制国内巡线机器人的研究始于年代末作,,

,

,

。

者所在的课题组开展巡线机器人的研究工作曾先后研制成功了用于单分裂导线直线杆塔段不含耐‘‘张杆塔的遥控操作小车和蠕动爬行机器人〔〕尤,一

,

因此对输电线路机械电器故障和安全隐患进行早,

期检测巡视和修复将事故隐患消除在萌芽状态对确保线路的安全正常运行具有十分重要的意义目前对输电线路的巡检主要采用人工巡线和直升飞,,。

其是从计划的连续年开始在国家十五次资助下已研制成功了具有沿单分裂导线全程

线路行驶和巡检作业的巡线机器人样机并,,,

“

”

,

人工巡线费用低廉但巡检精度低劳动强度大且存在巡检盲区即人工不能到达的地方直升飞机巡线效率高可机载多种巡检仪,,,,

机巡线

种方法

。

在机器人机构电能在线补给机器人局部自治和系统与技术集成等关键技术上取得了实质性的突破。

、

、

该样机已通过了现场线路的带电运行试验并表现,

出良好的应用发展前景

。

器设备尤其比较适用于,,,

及以上电压等级,

巡线机器人样机的主要技术功能巡线机器人样机如图所示。

的超高压输电线路的巡检并在国内已进行了一些成功的试验但它对气候条件要求严格存在飞行安全隐患且巡线费用极其昂贵,,。

由于机器人巡线具有,,

近距离高精度巡检不存在巡检盲区巡线费用相对于直升飞机而言要低得多因此巡线机器人已成为

特种机器领域的一个研究热点国外巡线机器人的研究始于世纪年代。末日本东京电力公司公等人日本司美国公司加拿大魁北克水电研究院等人先后开展了巡线机器人的研,、、、

。

究〔们收稿

一

。

他们研制的巡线机器人可以分为一一。

类一类图

日期

在现场线路上的巡线机器人

中国高技术研究发展计划一,一。

计划

资助项

目

架空高压输电线路巡线机器人样机研制

新技术新产品

吴功平等

,

架空高压输电线路巡线机器人样机研制

通过,

单分裂线路的现场带电运行的反。

成用于对线路障碍物的探测识别与机器人的位置,

复试验巡线机器人样机已实现如下主要技术功能沿单根相线行驶功能,

姿态检测并作为机器人自动导航的伺服控制反馈,

自动跨越振锤悬垂

、

环节

。

绝缘子和直线夹组合障碍物自动并辅助地面遥控,

图像扫描检测系统

。

由可见光摄像机红外,。

、

跨越耐张线夹在无障碍物直线线路上的滚动或蠕动爬行在引流线上的自动蠕动爬行,。

热成像仪和二自由度的扫描云台构成分别用于对线路及其通道的外观和机械电器故障的扫描成像通信系统。

电能消耗的在线补给功能,

。

在无需更换蓄电。

由数据无线收发装置和图像的,。

池条件下实现了沿输电线路的全程行驶扫

描巡检功能。

无线发射装置组成并与地面遥控接收移动站构成数据的半双工无线传输和图像传输控制系统由机器人执行机构的位置检测传。

通过云台的水平和俯仰运动和预先设定的拍摄方式由可见光摄像机和红外成,

像仪分别连续或定点拍摄线路杆塔地基及其通道的可见光图像以及导线压接和联接绝缘子的红外图像在机器人巡检作业过程中可见光和红外图像,、

、

、

感器和手爪抓握力检测的力传感器等构成的位置与力反馈环节导航系统的伺服控制反馈环节作业规、

、

,

划器和运动控制器等组成实现机器人的遥控操作,

存储在机器人中图像分析处理与巡检作业管理机器人后台分析管理软件功能巡检作业完成后将存储在机器人中的图像信息导人到后台分析管理软件中由多媒体播放器回放可见光和红外图像供人工观察分析而红外图像还可进一步由专业分析软件进行分析处理以确定线路的运行故障所有的原始图像分析处理结果巡检线路和巡检作业等也由后。

。

与自动控制屏蔽机箱,

。

。

与机械系统和导线构成等电位。

,

,

体在电器上用于电磁场的屏蔽以上系统构成了沿相线移动和巡检作业的机器人地面遥控接收移动站由数据无线收发装置图像无线接收装置和图像捕捉卡笔记本电脑和电、。、

,

,

,

源等构成用于接收机器人的状态信息发送地面遥,

、

、

、

,

台软件进行管理

。

控指令接收与保存巡检数据与图像另外由红外热图像分析诊断软件和数据库管,

、

。

巡线机器人样机的主要技术指标如下总重量

理软件及相应的系统软件构成分析诊断与巡检管理系统用于红外热图像的离线分析处理与诊断以及对巡检线路和巡检的原始图像信息诊断结果巡检,,、、

为,

,

外形尺寸为长,,

、

宽

、

高,

通信距离为

蓄电池容量为,

,

平均功耗为,

电能补给的有效功率为

作业等的计算机管理

。

导线负载电流为滚动坡度为”。。

滚动行驶速度为,

巡线机器人关键技术移动机器人机构移动机器人机构是巡线机器人系统中关键的核

。,

爬行速度为

爬

行坡度为图

可见光摄像机和红外成像仪可按用

户

的技术要求定制

所示的巡线机器人样机适用于。

及

以下电压等级的单分裂线路沿相线巡线

从机构运动学角度要求机构能实现滚动蠕动跨越和避让障碍物以及末端执行器具有空间,、

心技术

。

、

,

巡线机器人样机的系统组成机械系统。

位姿调整运动从运动控制角度要求机构的自由度少机构运动学逆解可实现解藕控制且运动控制的,、

,

提供所需的全部机械运动并按,,,

精度高从巡线机器人系统角度要求机构具有一定的负载能力且与导线构成等电位体从应用角度,,,

如下方式沿相线的全程线路行驶在无障碍物直线线路上的滚动或蠕动爬行在引流线上的蠕动爬行、、、。

要求机构具有小巧紧凑轻质的机械结构且容易上下线作业和便于携带等巡线机器人机构包括机构,。

、

跨越避让防振锤直线夹压接管耐张线夹等组合型障碍物电源和电能在线补给与监控系统人在运行或静止状态下由取电装置将,,,。

的组成原理机构的运动学和动力学机械结构及其材料的选用和加工的工艺性等。

、

、

这里只从机构的,。

巡线机器

组成原理角度对机器人机构进行简要介绍,,

单导线周围的磁能转换为电能并向机器人上的可充电蓄电池进行充电且蓄电池的容量能自动监控,。。

根据输电线路的结构特征以及巡线作业的任务要求通过多种可行方案的对比分析和对机构的巧妙组合以及样机原型的反复试验和改进提出了,,

同时取电装置能实现机械开合运动因此机器人在线路上运行时可实时在线补给电能无需人工带,,,

电作业更换电池导航系统

。

个公共的变长大臂机构个小臂与变长大臂间各分别有个绕铅垂轴和水平轴旋转的关节组成的双臂协调移动的机器人机构模型。

由

个小臂操作手机构

、

、

。

由多电磁传感器和机器视觉组

架空高压输电线路巡线机器人样机研制

电图

力

系。

玩图

自

动,

住

,

所示为巡线机器人机构的原理简图、、、

紧急处理其中地面遥控优先于自动作业

。

绕水平轴回转转轴转台和绕铅垂轴回转的关节以小臂为机架的末端执行器组成末端执行器是由主动滚轮和夹紧机构组成图夹紧机构是回转副和

夹由夹杆有限约束的回转副爪组成且沿导线横截面对称布置绕水平轴回转关节的轴线与绕铅垂轴回转关节的轴线垂直相交移动关节的轴线与关节的轴线垂直相交个小臂机构和与其相联的移动关节沿导线轴向呈反对称布置主动滚轮完成沿直线无障碍物段的行驶关节和关节分别实现机械臂小臂机构和大臂机构在导线平面内的升降和旋转在过障和路径转移时通过单臂夹爪夹紧导线另一臂通过运动规划实现过障的各种分解动作关节实现个臂交互滑移异位中,

个小臂操作手机构是由小臂

的关节

、

巨

马

一

、

一

、

一

一

,

董葬作业规划器器切路换开一

「单片机系统

,

电机

,

据收发发无线数模块

。

关

。

。

,

,

。

。

多路开关板卡

’

无线图像发射模块

图

控制系统

运动控制器是依据作业规划器的作业类型及其

相应的参数面向控制对象的直接控制,

。

它主要包

括如下几部分伺服控制、。

由电机驱动器多路电子切换开

、

双臂机器人机构,

夹紧机构一一

关直流伺服电机和,,

单片机系统组成。

一

夹紧机构滚轮小臂绕水平轴回转关节,统铅垂轴回转关节回转副导线转台移动关节变长大臂夹杆转轴有限约束回转副一夹爪

的位置闭环控制此外它还与作业规划器的机器视觉和电磁传感器构成机器人的位置姿态伺服闭环开关量的输人输出、。

图,

巡线机器人机构

由,。

板卡电子开

、

妙

关执行机构的限位开关组成用于对执行机构的极限位置检测和电源开关的控制臂以上机器人红外成像仪和可见光摄像机的电子控制以,

相对于国内外一般采用,,,

臂及

技术而言该机器人机构有如下特点机构的自由度少机构长度尺寸小加以采用嵌人式机械结构和高强度的铝合金材料机械结构紧凑重量轻,,。

及二选一视频图像的通道切换,,,

。

其中

,

个驱动器。

通过多路电子开关的组合控制实现了系统的最小配置从而减轻了系统的重量降低了系统的能耗控制系统的控制算法包括机器视觉和电磁传感器信息的融合算法作业规划算法和运动控制算法限于篇幅在此不进行介绍,。、

控制系统图所示为控制系统的硬件

组成包括作业规,。

,

划器和运动控制器

作业规划器是由检修调试用的手动控制面板机器视觉用的摄像机和图像采集卡、、

、

、

电能在线补给与电源监控系统图成框图、。

路电磁传感工控机,

所示为电能在线补给与电源监控系统的组

器及其信号调理板无线收发模块和组成。

它包括以载流导线为原边和以铁磁线圈为、

由机器视觉对障碍物进行探测与识别并对,

副边的取电装置电流互感器电池监控电路和,

开关电源可充电蓄

、

机器人与障碍物的相对位置进行初定位由电磁传感器对障碍物的位置进行精确定位并检测机器人越障运动的姿态业类型,、。

一

模块

。

取电装置输出的交流电经开关电源变换为直流恒流源输出向蓄电池充电或提供系统用电

。

作业规划器通过对机器视觉与电,

磁传感器的信息融合确定机器人下一步的自动作

铁磁材料为剖分式结构由安装在图,,,

其中小臂上的执,

。

无线数据收发模块用于接收地面遥控指,、

令并向地面发送机器人重要的状态信息例如电池容量作业类型夹持器的夹紧力等以便地面进行,

行机构图中未画出实现开合运动并作为机器人的一个末端执行器与小臂一起实现跨越障碍物运动当蓄电池电量由电流传感器和电压传感器进行

架空高压输电线路巡线机器人样机研制

新技术新产品

吴功平等,

架空高压输电线路巡线机器人样机研制

监测已充满或取电装置要进行开合运动时为了,,

的防尘防雨与电磁兼容的一体化设计以提高巡线,

、

减小执行机构的电磁阻力线圈应进行短路控制,

。

机器人对作业环境的适应性拓展其应用范围,

。

目

经理论分析和大量单参数或多参数的正交试验分

前以上研究工作已取得良好的进展,

。

析获得了不同软磁材料及其结构尺寸线圈匝数,

、

、

导线电流蓄电池负载等参数与取电能量间的关系

、

,

对电能在线补给系统的各参数进行了优化匹配感应取能部件二次绕组

。

一开关电簿电压监侧

架空线路

衷心感谢计划机器人技术主题专家组尤其是电力作业机器人责任专家东南大学戴先中教授的指导和支持感谢宁波公牛机器人有限公司武汉

汉阳供电公司甘肃兰州供电公司河南南阳供电公司中国科学院自动化研究所的协作和支持,、、

、

、

、

。

参考文献及控制电机

供控制回路

」

,

,

图

电能在线补给与电源监控系统〔」

,

,

一

,

,

一

」一

,

,

巡线机器人样机的试验巡线机器人已通过如下环境条件下的试验在实验室和抗强磁场干扰试验,,

一

玩

亏,

一

,

,

。

模拟线路上的自动运行试验模拟线路的物理结构为标准,

,

一

仁〕

,

单分裂线路线路的负载电流由大电流发生器提供与调节调节范围为当负载电流在变化时机器人均能自动运行,。

玉一

,

,

,

,

一

在高压大厅的耐压及其抗强电场干扰试验机器人在运行状态下线电压逐渐加到,

。

〕,

,

,

,

机器人均能正常工作但通过紫外线仪观察电晕强度分布线电压下机器人电晕明显高于前种线电,,,,

和

并分别维持

,

,

一

张运楚梁自泽谭民架空电力线路巡线机器人的研究综述机,,

压且伴有明显的电晕噪声,

。

器人

,

,

一

多次通过了在武汉汉阳供电公司的一条

,

,

单分裂现场线路上的带电运行试验,,、

。

导线,

一

—,,,,

,

,

最大负载电流机器人的最小负载电流自动跨越直线杆塔段的全部障碍物自动且辅助地面遥控跨越耐张线夹一次连续运行线路的最大长,

吴仁」功平戴锦春郭应龙等具有自动越障功能的高压线巡线小

车水利电力机械

一

,

,

度

,

数据和图像通信的最长距离约。

。

图,,

为跨越双联悬垂绝缘子和直线夹的一个姿态

一

结语巡线机器人是一个非常复杂的系统尤其是它的作业环境是高空强电磁场环境未知的有障缆,、、

吴〕功平戴锦春郭应龙等输电导线机械破损的红外检测与故,,,

障诊断仪器仪表学报,

,

,

一

,

,

君

,

,

索加以风载和野外光照变化和复杂背景的影响要,,

一

达到实用化所要求的自动巡线作业仍需在如下,

个方面做大量艰苦的工作一是基于电磁场检测、

、

吴功平器人一、

一、

,

男教授主要研究方向为特种作业机,,。

机器视觉与视觉伺服线路结构数据库和全球定位系统的环境信息融合分层决策与规划的自,、

检测技术复杂机电系统动态分析与

故降诊断下转第

动导航系统以提高机器人的智能二是巡线机器人

页

架空高压输电线路巡线机器人样机研制

现场经验

陈海涵等,

配电网无功补偿降损效果的评估

事实上虚拟补偿前网络的线损率与补偿后相,

差不会太大,

。

因此将补偿后的线损率当做起始值,,

核实技改工作的经济效益根据在几个试点配电网的研究表明定功率因数补偿回报年限一般约为,

。

迭代次数就会大大减少迭代时间几乎察觉不黄布线。

年

。

对于供电质量较差的边远农网补偿回报年,。

出来和

。

用虚拟补偿前网络法重新计算

限则缩短至年以内虚拟补偿前网络法是这一阶段试验项目的初步

工业线补偿前线损结果见表,

成果已形成实用化软件将用于指导广东电网今后,,

表

条

配电线虚拟补偿前网络的线损率以洛

无功补偿优化工作

。

虚拟补偿前网络法在今后大规。

模的工程实践中将得到更精细的考验和改进

企无功补偿投人后时段一一

一

一

参考文献〕小龙配电网功率因数定值运行初探电力电容器郭一

试验线路黄布线工业线天香线

虚拟补偿前网络法推出没有补偿

补偿投人后线

,

会发生的线损率

损率

写

,

,

一

仁」。

一一

电力网电能损耗计算导则

注

括号内数字为另一未补偿时段的线损率

可见

,

条试验的配线补偿后的线损率实际低。

陈海涵程启诚等值电阻法计算配电网线损的理论与实践广〕,

于补偿前的线损率

东电力

,

,

一

,

结语,,

虚拟补偿前网络中的虚拟是指未发生的事件而它是基于实际运行数据形成的网络能反映其科学的真实性例如表中的天香表,,。

“

”

一

,

、

陈海涵

一

,

女硕士高级工程师研究方向为电,

,

,

线补偿前后时段的日平均视在功率很接近所以用虚拟补偿前网络法计算出的线损率与补,,,

力系统经济运行与电能质量管理邓昌辉力系统自动化。

。

偿前时段的线损率

比较接近。

。

这也从另一个

一一,

,

男硕士,

,

高级工程师研究方向为电,,

侧面证实该方法的真实性用虚拟补偿前网络法定量地得出无功补偿的降损效果就可以确定配电网无功补偿投资回报年限,,

程启诚自动化、

男高级工程师研究方向

为电力系统,

,

上接第肖晓辉

页

印一,

女博士副教授主要研究方向为特,,,。

肖、

华

一。

,

男副教授主要研究方向为特种机器,,

种机器人技术机器人动力学

、

一

人技术制造装备

艺

,

艺,

,

诬,

,

,

泛

〕

一

,

,

,

。

一

,

,

,

一

,

一

一

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