鄭焱月 楊鈺 趙英偉 陳燕民 王國慶 劉華

摘 要：設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52單片機(jī)的高壓線除冰機(jī)器人。該機(jī)器人可通過藍(lán)牙通訊、短信通信和自我檢測(cè)完成在高壓線上的行走、除冰和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和調(diào)整，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：機(jī)械除冰；光強(qiáng)檢測(cè)；高壓線路

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0048-03

Abstract： A high-voltage deicing robot based on STC89C52 microcontroller is designed. The robot can perform the functions of walking， deicing and data real-time monitoring on high-voltage lines through Bluetooth communication， short message communication and self-detection. Through the laboratory test and adjustment， the expected function is well realized.

Keywords： mechanical deicing； light intensity detection； high voltage line

改革開放以來，我國的電力行業(yè)得到迅速發(fā)展，電網(wǎng)覆蓋面積擴(kuò)大，線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜，輸電線路冰災(zāi)事故更為頻發(fā)。嚴(yán)重的輸電線路覆冰會(huì)導(dǎo)致桿塔傾斜、倒塌、斷線，絕緣子閃絡(luò)，而且線路不均勻覆冰和不同期脫冰還會(huì)引起導(dǎo)線舞動(dòng)現(xiàn)象，這些情況會(huì)引發(fā)線路跳閘、供電中斷等事故，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成嚴(yán)重影響。

目前，國內(nèi)外除冰方法有30余種，根據(jù)除冰機(jī)理可分為機(jī)械除冰法與熱力融冰法兩類。機(jī)械除冰方法能耗較小，但是除冰效率低，而且一般需要人工參與；熱力融冰較機(jī)械除冰速度快，安全性高，但實(shí)際應(yīng)用中限制因素太多，不能廣泛適用。對(duì)于較為嚴(yán)重的導(dǎo)線覆冰一般以人工上線除冰最為有效，但人工除冰危險(xiǎn)性很高且效率較低。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)邏輯可分為四部分，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1，整體實(shí)物圖如圖2。

檢測(cè)部分：數(shù)據(jù)采集，根據(jù)覆冰影響光強(qiáng)的原理[1]，通過激光和光敏傳感器檢測(cè)高壓線的覆冰情況，利用AD芯片PCF8591將信號(hào)采集到核心控制器。

行走機(jī)構(gòu)：采用懸掛式行走機(jī)構(gòu)，通過步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)除冰機(jī)器人在高壓線上前后自由行動(dòng)。

除冰機(jī)構(gòu)：采用機(jī)械敲擊的方法，利用高速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)除冰剪刀手對(duì)高壓線覆冰進(jìn)行清除。

上位機(jī)：實(shí)驗(yàn)室條件下，利用手機(jī)通過藍(lán)牙模塊和機(jī)器人進(jìn)行通信，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操控和數(shù)據(jù)監(jiān)管。遠(yuǎn)程條件下可考慮使用短信通信模塊。

2 模塊功能

2.1 檢測(cè)模塊

利用PCF8591八位ADDA轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)兩路光敏電阻實(shí)時(shí)采集的光信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將數(shù)字化的光信號(hào)強(qiáng)弱與預(yù)期值對(duì)比，從而得出機(jī)器人是否進(jìn)行自主除冰。預(yù)期值來自多次試驗(yàn)所取的平均值。PCF8591電路圖如圖3。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

利用LM298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，完成對(duì)機(jī)器人行走方向以及除冰啟停的控制。由于LM298驅(qū)動(dòng)模塊是2路的H橋驅(qū)動(dòng)，所以可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，使能ENA ENB之后，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速和方向可以分別從IN1 IN2輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)；電機(jī)2的轉(zhuǎn)速和方向可以分別從IN3 IN4輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物如圖4。

2.3 藍(lán)牙模塊

利用HC-06藍(lán)牙模塊與手機(jī)對(duì)接，實(shí)時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)，同時(shí)也可以通過手機(jī)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行控制。藍(lán)牙模塊可以讓你原來使用串口的設(shè)備擺脫線纜的束縛在10米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線串口通信。使用該模塊無需了解復(fù)雜的藍(lán)牙底層協(xié)議，只要簡(jiǎn)單的幾個(gè)步驟即可享受到無線通信的便捷。藍(lán)牙模塊如圖5。

藍(lán)牙模塊通信距離較短，在考慮到實(shí)際使用中信息傳輸距離較遠(yuǎn)，建議更換為短信通信模塊，以便更好地進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息通信。

3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于高壓線比較粗，市場(chǎng)上沒有合適的凹輪和凹槽，我們對(duì)高壓線進(jìn)行物理測(cè)量后，繪制了合適的凹輪和凹槽的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并利用3D打印機(jī)打印出了滿足我們要求的元器件。檢測(cè)部分的凹槽里面安裝了一定數(shù)量的發(fā)光二極管和激光發(fā)生器作為光源，并安裝了光敏傳感器用來實(shí)時(shí)采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)[2]。實(shí)物圖如圖6：

3.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用雙凹槽滑輪懸掛式行走機(jī)構(gòu)[3]，利用左右兩個(gè)滑輪將機(jī)器人懸掛在高壓線上，驅(qū)動(dòng)滑輪的步進(jìn)電機(jī)兩邊各分布一個(gè)，以此來增加穩(wěn)定性。凹槽滑輪通過步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來進(jìn)行前后的行走。由于市場(chǎng)上沒有適合高壓線用的凹槽滑輪，我們同樣利用3D打印機(jī)打印出了滿足要求的器件。同時(shí)為了保證滑輪在覆冰上行走的穩(wěn)定性，滑輪和高壓線的接觸面設(shè)計(jì)成了不光滑的凹凸面，以增加摩擦力[4]。實(shí)物圖如7。

3.3 除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除冰結(jié)構(gòu)采用類似剪刀的結(jié)構(gòu)，將兩根鋁合金管交叉固定，上半部分用強(qiáng)彈性彈簧連接，底部用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)尺寸合適的橢圓圓盤進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，頭部連接鋒利的除冰刀刃。通過做圓周運(yùn)動(dòng)的橢圓圓盤長短邊的交替，加以強(qiáng)彈簧形變產(chǎn)生的拉力使除冰剪刀手結(jié)構(gòu)做開合動(dòng)作，動(dòng)作的同時(shí)鋒利的除冰刀刃對(duì)高壓線的覆冰進(jìn)行敲擊和切割，以達(dá)到對(duì)高壓線覆冰的清除[5]。實(shí)物圖如圖8。

4 軟件設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人通過檢測(cè)結(jié)構(gòu)檢測(cè)覆冰高壓線路的光強(qiáng)變化。為了提高檢測(cè)的精確度，檢測(cè)模塊中添加了激光發(fā)生器，通過光敏傳感器收集光強(qiáng)信息。檢測(cè)信息輸入單片機(jī)，與單片機(jī)的預(yù)設(shè)數(shù)值進(jìn)行比較后輸出信號(hào)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分和除冰部分工作，開始對(duì)結(jié)冰的高壓線進(jìn)行除冰。

除冰機(jī)器人有兩種工作方式，第一種是手動(dòng)操作方式，利用手機(jī)APP對(duì)光強(qiáng)信息進(jìn)行采集，同時(shí)人工控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和除冰機(jī)構(gòu)的開啟和關(guān)閉；第二種是自動(dòng)模式，啟動(dòng)機(jī)器人在高壓線上巡檢，將采集的光強(qiáng)數(shù)值時(shí)刻與預(yù)設(shè)值比較，進(jìn)行自我判斷除冰。運(yùn)行流程圖如圖9。

為了可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并且可以人為控制該機(jī)器人，添加了一個(gè)藍(lán)牙模塊來進(jìn)行外部通信。通過藍(lán)牙模塊，利用手機(jī)App對(duì)機(jī)器人發(fā)出指令來控制它做出相應(yīng)動(dòng)作，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)部分傳來的數(shù)據(jù)，人為判斷線路的覆冰情況。手機(jī)App界面如圖10。

因?yàn)樗{(lán)牙模塊通信距離較近，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)完全可以滿足要求?？紤]到實(shí)際操作中，通信距離較遠(yuǎn)，可將藍(lán)牙模塊更換為短信通信模塊，以滿足實(shí)際操作的需求。

5 結(jié)束語

高壓線除冰機(jī)器人以STC89C52單片機(jī)為核心處理器，檢測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)檢測(cè)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)輸入核心處理器進(jìn)行處理，核心處理器處理后輸出指令驅(qū)使運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和除冰結(jié)構(gòu)動(dòng)作。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室下可以通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并發(fā)出動(dòng)作指令。遠(yuǎn)程距離可以使用短信通信模塊替代藍(lán)牙模塊。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)覆冰高壓線的監(jiān)測(cè)和覆冰清理，較高效率的代替人工工作除冰，減輕工作人員的負(fù)擔(dān)、保證工作人員的安全，同時(shí)保障電力設(shè)施的正常運(yùn)行、提升了工業(yè)用電和日常生活用電的穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益得到了明顯的提高。

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