高压输电线路自主巡检机器人的研究

【摘要】高压输电线路故障而引发停电，给人民生活、工业企业和国家造成了巨大的经济损失。需要及时发现输电线路的隐患和缺陷，并进行修复，防患于未然，必须对输电线进行定期的巡检。输电线路的缺陷主要有断股、松股、生锈、缺损、缺失、移位、雷击、污秽、磨损、腐蚀等，尤其是输电线路上金具的氧化腐蚀、接头松动以及绝缘子老化、开裂和击穿等缺陷及故障严重威胁输电系统的安全运行。巡检机器人是一种近距离巡检线路和修复缺陷的工具。巡检机器人以高压输电线路的地线为作业路径，通过利用各种传感器及其检测获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，根据目标进行轨迹规划运动，完成巡检任务。机器人在执行巡检任务时，由工作人员在地面工作站通过无线通信来进行监控。巡检机器人的电气系统由PC104控制中心、驱动电机、伺服驱动器、传感器、电源等组成。机械系统由双臂、轮子、爪子、导轨和机箱组成。巡检机器人采用双臂同侧升降式结构，具有沿线移动、越障、巡检等功能。机器人采用锂电池做为动力电源，采用700MHz的无线路由器作为无线通讯系统。机器人的越障用传感器由光电开关、激光平面测距扫描仪、水平仪、摄像机等组成。机器人的巡检用传感器由雷达、可见光照相机、可见光摄像机，红外线摄像机、紫外线摄像机等组成。巡检机器人的软件由关节调试软件、自主控制软件、视频监控软件、输电线路缺陷检测软件等软件组成。建立了巡检机器人运动学方程。巡检机器人在越障时，给定每个关节的运动量，根据正向运动学方程，计算出每个关节的位置和姿态；反之，给定某关节的位置和姿态，根据逆向运动学方程，计算出关节的运动量。利用运动学方程来完成巡检机器人的位置姿态的控制。建立了巡检机器人拉格朗日动力学方程和牛顿欧拉动力学方程。给定每个关节的位置、速度、加速度，可以计算出每个关节的力或转矩，并利用其计算结果，进行关节机电传动系统的设计。提出了一整套巡检机器人的轨迹规划方法。机器人在行驶过程主要依靠滚轮滚动前行，遇到上陡坡，滚轮滚不上去时，需要采用攀爬的轨迹规划方法。机器人在巡航过程中会遇到障碍物，需要采取的合适轨迹规划方法来避开障碍物。典型的障碍物有防振锤、悬垂线夹、耐张塔等。翻越防振锤、单悬垂线夹不需要在塔头架设机器人的辅助通道，而翻越双悬垂线夹和耐张塔等跨度大的障碍物，需要在塔头架设辅助通道。在塔头架设过桥的目的是提高巡航的速度，提高机器人的作业效率。开发了巡检机器人的自主控制软件，提出了自主抓线方法。利用产生式专家系统的知识形成规则库，利用机器人示教训练的知识形成动作库，利用输电线路的参数形成参数库。规则库、动作库及参数库组成数据库。采用ACCESS数据库和VC++软件编程来实现自主控制。在机器人调试实践中，提出了两个光电开关自主抓线方法、三个光电开关的自主抓线方法、轮子自主转弯的方法。把小波理论、神经网络与非线性自回归移动平均控制NARMA-L2模型相结合起来，提出了小波神经网络反馈线性化的控制方法。仿真结果表明，利用该控制方法对无刷直流电机的速度进行了控制，取得了较好的控制效果。开发了一套关节伺服驱动器，其实验表明该驱动器能完成转矩、转速及位置的控制功能。研制了高压输电线路巡检机器人的样机，在模拟输电线路的实验室中完成了调试实验。在实际500KV高压输电线路的地线上完成了现场巡检实验，完成了在地线上的行驶实验，翻越了防振锤、耐张塔等障碍物，实验结果表明该机器人具有自主越障能力和巡检能力，具有结构精简，操控方便，行为自主，巡检高效等特点，适合山区高压输电线路的巡检。巡检机器人为输电线路智能化巡检提供了一整套切实有效的解决方法。
【作者】李正；
【导师】阮毅；
【作者基本信息】上海大学，电力电子与电力传动，2013，博士
【关键词】高压输电线；巡检机器人；自主越障；运动学；动力学；机器人控制；

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