线路机器人-华北科技项目可行性研究报告

华北电网有限公司科技项目可行性研究报告项目名称：输电线路智能巡线机器人申请单位：起止时间：年月至年月项目负责人：通信地址：邮政编码：联系电话：传真：申请日期：年月一、目的和意义电能传输必须依靠高压输电线路。由于输电线路分布点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，电力线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，必须及时修复或更换。所以，必须对输电线路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的运行情况，线路周围环境和线路保护区的变化情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡检，存在很大的困难，甚至有一些巡检项目靠常规方法难以完成，因此，利用机器人进行自动巡线成为保障线路安全运行的一种必要手段。国内外目前见诸报道的输电线路机器人，都是功能单一型机器人，要么只能巡线，要么只能除冰。本方案提出一种以轻量级机器人底盘技术为基础，通过添加模块化功能单元进行功能/性能扩充的机器人设计思路，不仅可实现目前输电线路巡线、除冰的需求，而且系统具备极强的可升级性，适应智能电网未来新需求。二、国内外研究水平综述国外对高压输电线路巡检机器人的研究始于上世纪80年代，由日本、美国、加拿大等发达国家先后展开了对高压输电线路巡检机器人的研究。从国内外巡检机器人的发展来看，用于巡检机器人的行走机构主要有步进式行走机构和轮式行走机构。步进式行走机构通过多只手臂的交替移动完成在线爬行，行走移动为间断式，其移动速度缓慢，效率低。轮式行走机构依靠由电机驱动的行走轮与线路之间的摩擦，驱动机器人前进。轮式爬行行走机构具有移动平稳、速度快和效率高的特点，因此，目前巡检机器人多采用此种轮式行走机构。如：日本东京电力公司研制的光纤复合架空地线巡检机器人如图l所示。它采用两轮同时驱动行走机构实现在线行走，这种机器人行走机构具有结构紧凑，驱动力矩大的特点。加拿大魁北克水电研究院研制的HQLine—Rover遥控小车如图2所示。它靠上方三个轮子实现驱动行走，下方轮子起到辅助行走及刹车的作用。该机器人靠轮式行走机构实现了在直线线路段的稳定行走。日本HideoNakamura等人开发的蛇形巡检机器人如图3所示。该机器人有多个小车组合连接而成，每个小车自身携带驱动轮，通过各个小车协调驱动来实现机器人的在线移动。国内在巡检机器人的研究方面主要有武汉大学、沈阳自动化研究所、中科院自动化研究所和山东科技大学等单位。如武汉大学研制的架空高压输电线路自动爬行机器人如图4所示。该机器人通过一对伞形轮来现行走。亦采用了轮式行走机构。图4自动爬行机器人从高压输电线路巡检机器人的研究现状来看，轮式行走机构倍受研究人员的青睐，但在爬坡能力、运行的速度及运行的稳定性等方面还有待于进一步完善。三、项目的理论和实践依据1.项目研究内容的原理简述机器人完成一次巡检任务的工作过程为：首先通过绝缘斗臂车或人工爬到线塔上吊装的方式将机器人安装到相线上；然后地面监控计算机发出开机控制命令,机器人本体计算机在接收到运行命令后，驱动机器人沿输电线行走;行走过程中,检测装置不断检测前方障碍物的情况,同时高速球摄像机对线路进行拍摄,拍到的图像通过无线设备实时传输到地面工作基站,地面工作基站对线路情况进行判断,决定是否对线路实施维护;同时对机器人本身的工作状态进行监控,决定是否对机器人的运动给予干预。2.项目研究内容的理论或者实践依据巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统,涉及机械结构、自动控制、通信、多传感器信息融合、电源技术等多个领域。但机械机构是整个系统的核心技术,是目前制约巡线机器人走向实用化的障碍之一。巡线机器人对机械结构的要求有:(1)从机构运动学角度要求机构能实现滚动、蠕动、跨越和避让输电线路上的各种障碍物,并且末端执行器能够进行空间位置姿态的灵活调整。(2)从机器人系统的角度要求机构要有一定的负载能力,便于安装各种监测仪器、信息传输设备,并与导线形成等电势体。(3)从实用的角度要求机构小巧、紧凑、轻质,便于携带及上下线操作;在故障情况下,防止机器人摔落。(4)从运动控制的角度要求机构的自由度尽量少,能实现解耦控制,并且具有符合要求的控制精度。3.项目研究的关键和难点巡线机器人系统由巡检机器人、塔上智能充电坞和地面控制系统组成。巡检机器人包括系统电源、机器人本体、控制器、摄像机、导航系统、图像及数据无线传输系统（机载部分），塔上智能充电坞包括风光互补供电系统、机器人承载平台和导航模块，地面控制系统包括监控系统、图像及数据无线传输系统（基站部分）及监视器。实现上述功能的巡线机器人需要解决的关键技术有：1)线上行走/攀爬机构完成机器人沿输电线路行走/攀爬的功能，并能跨越防震锤等较小障碍物。2)导航系统采用图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。3)垂直起降/越障机构采用创新的四旋翼机构，解决了机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。4)智能控制系统完成机器人系统的控制功能。5)机器人供电系统负责为巡线机器人供电，采用2种创新技术解决。6)塔上智能充电坞借鉴军事上应用成熟的加油机技术，独创塔上充电坞，完成机器人充电，避免人工更换电池。四、项目研究内容和实施方案1.项目研究内容巡线机器人系统由巡检机器人、塔上智能充电坞和地面控制系统组成。巡检机器人包括系统电源、机器人本体、控制器、摄像机、导航系统、图像及数据无线传输系统（机载部分），塔上智能充电坞包括风光互补供电系统、机器人承载平台和导航模块，地面控制系统包括监控系统、图像及数据无线传输系统（基站部分）及监视器。实现上述功能的巡线机器人需要解决的关键技术有：1)线上行走/攀爬机构完成机器人沿输电线路行走/攀爬的功能，并能跨越防震锤等较小障碍物。2)导航系统采用图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。3)垂直起降/越障机构采用创新的四旋翼机构，解决了机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。4)智能控制系统完成机器人系统的控制功能。5)机器人供电系统负责为巡线机器人供电，采用2种创新技术解决。6)塔上智能充电坞借鉴军事上应用成熟的加油机技术，独创塔上充电坞，完成机器人充电，避免人工更换电池。2.技术路线思明公司采用自主研发核心技术，外聘专业人员协作的方式进行产品研发、生产。具体为：壳体、线路板、传感器、软件的设计开发，自主完成，零部件采用外购，机械部分外协加工，外围配件直接购买的方式。公司下设质量检验部对外协零件严格把关验收，再由装配部进行调试安装。采用此方式可节约大量固定资产的投入。技术路线如下：冻雨模拟实验室现场测试-XX输电线路导航系统线上行走/攀爬机构智能机器人本体智能机器人实验室测试机器人供电系统外部电源系统电源系统实验室测试成套设备实验室测试成套设备现场测试设备验收鉴定检测过程生产线研发智能控制系统塔上智能充电坞垂直起降/越障机构3.实施方案3.1线上行走/攀爬机构移动机器人机构是巡线机器人系统中关键的核心技术。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,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。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,提出了由2小臂操作手机构、1个公共的变长大臂机构、2个小臂与变长大臂间各分别有1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。如图所示为巡线机器人机构的原理简图。图中,2个小臂操作手机构是由小臂3、绕水平轴回转的关节4、绕铅垂轴回转的关节5、转轴6、转台7和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2和夹紧机构组成（图2（b））；夹紧机构是由夹杆1-1、回转副1-2、有限约束的回转副1-3和夹爪1-4组成,且沿导线横截面对称布置；绕水平轴回转关节4的轴线与绕铅垂轴回转关节5的轴线垂直相交,移动关节4的轴线与关节5的轴线垂直相交；2个小臂机构和与其相联的移动关节8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4和关节5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8实现2个臂交互滑移异位。相对于国内外一般采用臂及臂以上机器人技术而言,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。3.2导航系统下图1是220kV单分裂输电线路的结构示意图，该图显示了巡线机器人遇到的典型障碍有防震锤、悬垂线夹、耐张线夹等。巡线机器人采双轮结构在导线上行进，当遇到障碍时，通过轮子下方两个夹爪依次夹紧导线，抬升机器人本体，以错臂的方式跨越障碍。巡线机器人视觉系统安装在机器人下方，其中视觉传感器(摄像机)安装在机器人的本体前端，光轴与机器人前进方向的夹角约为5°。该系统由摄像机、采集卡、嵌入式计算机等组成。防震锤、悬垂线夹、耐张线夹等障碍既无丰富的表面纹理,也无鲜明的颜色特征，且相互铰接，因而难以分割成单独的区域。但它们在摄像机成像平面上投影后会得到一些相对简单的图形基元，如直线、圆(圆弧)、角点等，如果能同时结合输电线路结构特点对上述图形基元进行结构约束，去除掉环境中一些干扰的图形基元，就可判断出障碍物的存在及其类型。障碍识别的基本方法是：①对视觉传感器(摄像机)采集到的图像进行预处理，消除图像噪声，并采用经Otsu算法改良后的Canny算子提取图像边缘。②在边缘图像中运用霍夫变换等方法分别检测直线、圆和角点等图形基元，并利用导线与障碍的位置关系以及障碍本身的特点来进行结构约束，识别出障碍物。3.3垂直起降/越障机构巡线机器人在实际应用过程中需要从地面可靠地固定到输电线路上，并且能够在运行过程中跨越遇到的防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等各种障碍。目前在线路上实验运行的巡检机器人需人工安放到巡检线路上，且跨越障碍能力不强。在此方案中，提出一种新型的垂直起降/越障机构，可达到机器人自动上线（从地面自主导航/人工遥控安放到巡检线路上）、跨越障碍以及降落塔上智能充电坞上进行充电等功能。实现技术如下：巡线机器人在两侧各装备2个可收放的旋翼，如下图所示：旋翼旋翼导线制动机构滚轮滚轮张开后即形成一个四旋翼无人机，可完成起降、跨越障碍等功能。1.结构型式四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图所示。2.工作原理四旋翼通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。四旋翼飞行器结构形式如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴