宋樹偉，阮毅，李正

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海200072)

架空高壓輸電線路長距離輸送電力能有效地降低輸送電力時的損耗，是我國長距離傳輸電力的主要方式。它安全可靠地運行是國家經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展和人民正常生活的可靠保障。但架空高壓輸電線路的主要設(shè)備輸電線、桿塔等長期暴露在空氣中，在自然因素、持續(xù)張力和材料老化等的影響下，輸電線路勢必產(chǎn)生各種故障。若不能及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，將造成嚴重的停電事故和人身生命安全隱患，如2008年1月南方持續(xù)降雪之所以轉(zhuǎn)變成為特大雪災(zāi)，其中最重要的原因之一是架空高壓輸電線路遭到破壞且不能夠盡快修復(fù)，電網(wǎng)大面積斷電從而導(dǎo)致一系列鏈式災(zāi)害，造成嚴重的生產(chǎn)和生活等諸多方面的社會問題。為保證輸電線路可靠運行，定期檢查和維護輸電線路是十分必要的。目前主要采用人工和直升飛機巡線對輸電線路進行定期檢查，但是人工巡線精度低、難度大而且在惡劣環(huán)境下危險性高;直升飛機巡線效率高，但受限于氣候等因素，且費用極高。人工和直升飛機巡線的缺陷為巡檢機器人技術(shù)研究提供了空間，國際上對輸電線路巡檢機器人技術(shù)的研究始于20世紀80年代，國際上有代表性的研究成果包括日本東京電力公司及日本三菱電機株式會社研制的高壓線巡檢機器人樣機［1-2］，研究成果表明:機器人能用來協(xié)助或替代人完成輸電線巡檢作業(yè)，且近年來隨著采用機器人完成巡線作業(yè)任務(wù)的需求增加，輸電線路巡檢機器人成為國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的研究熱點之一［3-5］。國內(nèi)的研究起始于20世紀90年代，主要的研究單位包括中科院沈陽自動化研究所、武漢大學(xué)、中科院自動化研究所等［6］。

機器人自主跨越架空線上的障礙物是巡檢機器人研究中的關(guān)鍵內(nèi)容。作者針對巡檢機器人越障軌跡的要求，完成對控制系統(tǒng)整體的設(shè)計及優(yōu)化;根據(jù)機器人的工作環(huán)境和作業(yè)內(nèi)容，通過人機交互界面，在模擬環(huán)境中摸索出所需要的翻越各種障礙物的動作組合，完成知識庫的建立和修改;分析巡檢機器人跨越障礙原理，針對越障過程中手臂上線時空間定位這一難點，提出采用多傳感器二次定位的方法，其優(yōu)點是節(jié)省手臂上線時間，提高空間定位的準確性。

1 巡檢機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 巡檢機器人機構(gòu)設(shè)計

翻越障礙是巡檢機器人工作的難點，也是其關(guān)鍵技術(shù)。因此所設(shè)計機器人，不僅要滿足正常滾動，關(guān)鍵是在遇到架空地線上的障礙物后能夠安全、快捷、穩(wěn)定地翻越［7］。為滿足翻越各種障礙時的快速性、穩(wěn)定性和安全性要求，此次試驗設(shè)計的巡檢機器人采用雙手臂輪臂復(fù)合結(jié)構(gòu)，試驗設(shè)計樣機如圖1所示。

圖1 巡檢機器人樣機圖

機器人的手臂是翻越故障的主要執(zhí)行機構(gòu)，如圖1示，兩手臂位于線路的同一側(cè)，即同側(cè)懸掛式結(jié)構(gòu)，雙手臂可以自由上下伸縮，最大伸縮距離可達340 mm，滿足跨越障礙的要求。每個手臂有5個控制部分，圖1中M1～M5分別是控制手臂1的手臂升降、手臂滑動、手臂轉(zhuǎn)動、滾輪和手爪閉合的電機，手臂2與之對稱位置安裝著5個控制電機，M6是實現(xiàn)機箱左右移動的電機，機箱最大移動幅值可達1 300 mm，實現(xiàn)質(zhì)心的調(diào)節(jié)。

巡檢機器人是以地線為作業(yè)路徑，完成輸電線路的檢測和拍攝任務(wù)。圖1中S1～S5為手臂2上實現(xiàn)檢測功能的5個光電傳感器，手臂1與之對稱位置同樣安裝著5個光電傳感器;W1、W2攝像頭和云臺實現(xiàn)巡線時拍攝功能;機器人箱體主要用來攜帶云臺攝像頭、機器人主控制器、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、電機驅(qū)動器等電子設(shè)備，機箱內(nèi)部分布圖如圖2所示。

圖2 機箱內(nèi)部分布圖

1.2 巡檢機器人控制系統(tǒng)

機器人的控制系統(tǒng)實行分級控制，即遠程管理主機控制系統(tǒng)和機器人本體控制系統(tǒng)，機器人本體控制系統(tǒng)包括機器人本體主控機和執(zhí)行層?？刂葡到y(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

遠程管理主機主要是對巡檢工作的機器人進行實時監(jiān)視和遠程控制。機器人本體主控機采用PC104嵌入式計算機，通過無線通信接收遠程主機下發(fā)的控制命令，并將其解釋為各個電機的運動序列，依次發(fā)送給執(zhí)行層進行執(zhí)行。

機器人本體的控制系統(tǒng)以嵌入式 PC104工控機為核心，其組成主要有:CPU模塊、DC/DC模塊、串行口擴展模塊及圖像采集模塊等?？刂乞?qū)動器采用位置、速度、電流三閉環(huán)工作方式，能夠很方便地適應(yīng)多種復(fù)雜位置、速度和力矩控制方面的應(yīng)用。機器人在自主越障時，它根據(jù)傳感器檢測信息，結(jié)合專家知識庫就能實現(xiàn)動作規(guī)劃和動作調(diào)整相結(jié)合的越障動作。機器人本體主控機通過圖像采集卡采集機器人巡檢圖像，并將圖像實時地傳輸給遠程管理主機進行監(jiān)視，實現(xiàn)故障檢測。

2 專家數(shù)據(jù)庫的建立

巡檢機器人可控關(guān)節(jié)多，越障動作過程比較復(fù)雜。要實現(xiàn)其自主越障功能，可事先進行離線動作學(xué)習(xí)，且機器人在翻越相同類型的障礙時重復(fù)同一套操作動作，因此可通過在實驗室模擬越障過程，離線形成操作知識庫，實際越障時自動調(diào)用操作知識庫完成越障動作過程。

機器人在進行越障作業(yè)時，首先是根據(jù)線路，確定障礙物的類型，然后根據(jù)障礙物的類型選擇各個電機的動作組合，所以設(shè)計的知識庫由線路庫、障礙庫和電機的動作庫組成。根據(jù)已知條件設(shè)計實驗室模擬實驗知識庫組合如圖4所示。

圖4 模擬實驗知識庫組合

不同的障礙物，需要經(jīng)過實驗室反復(fù)實驗確定機器人的動作。為了方便、快速、準確地生成動作庫數(shù)據(jù)，利用軟件Visual C++6.0設(shè)計了巡檢機器人手動操作界面，包括滾輪、手臂滑動、手爪閉合、手臂轉(zhuǎn)動、手臂滑動和箱體滑動6個界面，控制11臺電機實現(xiàn)巡檢機器人各個關(guān)節(jié)的手動控制，手動操作界面如圖5所示。

圖5 手動操作界面

手動操作界面中運行模式選擇速度模式，手動操作各關(guān)節(jié)實現(xiàn)翻越已知障礙物，獲得各關(guān)節(jié)翻越障礙時所需的位移，從而生成電機的動作庫。圖6為障礙物是防震錘時的電機動作庫。

圖6 障礙物是防震錘時的電機動作庫

3 巡檢機器人越障

3.1 巡檢機器人越障原理

圖7為巡檢機器人翻越防震錘示意圖，當巡檢機器人手臂B靠近障礙物后，通過遇障傳感器獲取障礙物信息并反饋障礙信號，系統(tǒng)發(fā)送停止信號使機器人停車，并根據(jù)障礙物信息調(diào)用知識庫，執(zhí)行越障動作。圖(a)、(b)中手臂B遇障礙，手臂A上的夾爪夾緊地線，手臂B上升脫離地線，同時通過移動機箱調(diào)節(jié)機器人質(zhì)心，保持機器人平衡，手臂 B向前平移跨越防震錘;圖(c)中手臂B上的滾輪進行巡線后調(diào)節(jié)機器人質(zhì)心;圖(d)、(e)中手臂B上的夾爪夾緊地線，手臂A重復(fù)手臂B的動作翻越防震錘，完成翻越防震錘的動作。

如圖7中(b)、(c)兩圖所示，手臂B翻越障礙后滾輪B需要重新上線，而上線存在3個關(guān)鍵問題:線路辨識、巡檢機器人上線手臂相對于地線的空間位置定位和機器人本體質(zhì)心的調(diào)節(jié)，其中機器人本體質(zhì)心的調(diào)節(jié)如圖7中通過機箱內(nèi)水平傳感器反饋的數(shù)據(jù)移動機箱實現(xiàn)。

圖7 巡檢機器人翻越防震錘示意圖

3.2 線路辨識

架空地線由多股線絞合成直徑為16 mm的導(dǎo)線，外形不規(guī)則，因此，辨識的精度、靈敏度和準確率直接影響整個越障過程。如圖8所示，在每個機器人手臂上夾爪與滾輪的中心線兩邊上共安裝成等腰三角形分布的3個光電傳感器，當傳感器光斑被導(dǎo)線遮擋時，光電傳感器輸出高電平信號，辨識出高壓線。采用德國施克光電公司的WT9L光電開關(guān)，光源為紅色激光，能保證良好的精度與靈敏度。

圖8 傳感器安裝俯視圖

3.3 空間定位

當機器人手臂通過動作規(guī)劃越過障礙物后，要實現(xiàn)夾爪和行走輪與架空導(dǎo)線的準確空間定位，采用手臂上安裝的激光掃描傳感器S4和滾輪前后S1、S2、S3三個水平光電傳感器二次定位的方法實現(xiàn)空間定位。

激光掃描傳感器S4完成初定位，即通過傳感器S4得知夾爪和行走輪與架空導(dǎo)線的初始相對位置，傳感器S4的反饋信號經(jīng)相關(guān)算法處理，再經(jīng)過動作函數(shù)的處理后得到預(yù)定的運行軌跡，從而實現(xiàn)夾爪和行走輪與架空導(dǎo)線的初定位。工作原理如圖9所示。

圖9 巡線原理圖

再定位即水平定位，參與水平定位的傳感器有S1、S2、S3，安裝位置俯視圖如圖8所示。

機器人的水平定位動作由于手臂的初始位置不同可分為2種不同狀態(tài)，如圖10和圖11所示。

圖10 脫線手臂姿態(tài)一

圖11 脫線手臂姿態(tài)二

假設(shè)脫線手臂傾斜如圖11所示，開始定位時狀態(tài)如圖 (a)，首先未脫線手臂順時或逆時針旋轉(zhuǎn)，直到傳感器S3達到地線為止，此時狀態(tài)如圖 (b)所示。在搜索到一點后，脫線手臂根據(jù)S3先于S1碰到地線，做出手臂需要順時針旋轉(zhuǎn)的判斷，當S1到達地線后不停止，但開始記錄從此時開始直到S2達到地線為止所轉(zhuǎn)過的角度，當S2檢測到地線后停止轉(zhuǎn)動，狀態(tài)如圖 (d)所示。隨后取記錄所轉(zhuǎn)過角度的1/2進行反向補償，這是一個近似值但在實踐過程中證明其精確度已足夠。經(jīng)過調(diào)整后就能使手臂完全對準于地線，狀態(tài)如圖 (e)所示，至此水平定位完成。這時的狀態(tài)是機器人的手臂還凌駕于導(dǎo)線之上，所以再通過垂直定位的結(jié)果直接下降，在下降過程中保持S1、S2、S3都打到地線，如果出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，為保證機器人的安全性，則重新開始定位工作。圖11所示的是手臂的另一種傾斜姿態(tài)，區(qū)別在于傳感器S1先于傳感器S3達到地線，所以其手臂旋轉(zhuǎn)的方向與圖10相反，其他步驟與圖10相類似。

空間二次定位方法能夠使手臂非常精確地在一個三維空間中找到導(dǎo)線位置，大大縮短了定位的時間消耗，空間定位速度的提高也擴大了機器人的巡檢范圍，使其更具有實用性。而且此定位方法能更好地克服由于機器人本體在外力作用下的晃動而引起的傳感器偏移，其速度及精度相比于只采用滾輪前后兩個傳感器時有了比較明顯的提高。

4 實驗及其結(jié)果

巡檢機器人的實驗環(huán)境為按照實際現(xiàn)場搭建的一條1∶1比例的輸電線路，線路總長度約為30 m，地線直徑為16 mm，線路上安裝有防振錘、直線塔 (單金屬器)、線夾等500 kV輸電線路上較為典型的線路設(shè)施。

所研制的機器人能在實驗條件快速、穩(wěn)定地翻越搭建的1∶1模擬輸電線障礙，翻越防振錘、直線塔的耗時分別約為:8、12 min，現(xiàn)場實驗機器人運行正常，整個越障過程中機器人的姿態(tài)穩(wěn)定，無碰撞等事故發(fā)生。作業(yè)臂在跨越障礙物后，能準確、快速地定位線路，保障作業(yè)安全、連貫地進行。

5 總結(jié)

越障是巡檢機器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)，機器人手臂上線是越障的難點和重點，作者采用多傳感器二次定位方法實現(xiàn)空間定位是一種全新嘗試。實驗證明:作者所設(shè)計的巡檢機器人在無障礙移動和越障上都有著良好的性能，所采用的空間定位方法，不僅能克服機器人在現(xiàn)場由于風及慣性造成的機器人多次重復(fù)辨識定位才能正確上線的難題，還能有效縮短翻越障礙的時間，提高巡檢機器人的效率。

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【3】吳功平，肖曉暉，郭應(yīng)龍，等.架空高壓輸電線自動爬行機器人的研制［J］.中國機械工程，2006，17(3):237-240.

【4】付雙飛，王洪光，房立金，等.超高壓輸電線路巡檢機器人越障控制問題的研究［J］.機器人，2005，27(4):341-345.

【5】王魯單，王洪光，房立金，等.一種輸電線路巡檢機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機器人，2007，29(1):7-11.

【6】徐顯金，李維峰，吳功平，等.沿架空地線行駛的自主巡檢機器人及應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2010，43(6):752-756.

【7】吳功平，肖曉暉，肖華，等.架空高壓輸電線路巡線機器人樣機研制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(13):90-93.