孫璐瑤 于海龍 王鑫鑫 王衛(wèi)證 張佳麗

（山東科技大學(xué)，山東 泰安 271001）

高壓電纜維護往往存在較大的難度以及較高的安全性，在我國電力系統(tǒng)不斷發(fā)展完善的過程中，高壓電纜的數(shù)量也在不斷增加，在這個過程中對于維護效率提出了更高的要求。需要相關(guān)的作業(yè)人員在保證安全的前提下不斷提升維護工作的質(zhì)量以及效率，在傳統(tǒng)的技術(shù)體系下，往往需要人員上塔操作，不僅維護的效率不高，同時也存在較大的安全風險。針對這一問題，通過開發(fā)設(shè)計能夠以無人機作為載具的電纜維護裝置十分關(guān)鍵，該裝置需要能夠靈活操作，滿足電纜維護的需求，因此采取了六軸機械臂的設(shè)計方案，為了促進該裝置能夠盡早投入使用，本文對該裝置的性能特點以及設(shè)計思路進行了進一步說明，希望能夠促進該裝置在電力維護工作中真正的發(fā)揮作用。

1 六軸機械臂高壓電纜維護裝置性能特點

六軸機械臂高壓電纜維護裝置的主體是一個六軸機械臂，因為機械臂的軸比較多，有較大的控制難度，所以該產(chǎn)品用陀螺儀來控制[1]。用陀螺儀采集來的角度信息來控制陀螺儀，使用的時候把陀螺儀固定在頭上或是其他的地方，這樣就可以做一個隨動系統(tǒng)，用于高空高壓電纜的檢修維修。產(chǎn)品配備攝像頭，可以將采集到的圖像實時傳回，也可以通過攝像頭觀察機械臂工作的最新動態(tài)。為了抵抗電纜周圍的電磁場的干擾，機械臂和無人機的受影響部分進行了絕緣包裝。

六軸機械臂與無人機結(jié)合，能方便快速的到達預(yù)定地點，相比于傳統(tǒng)的人力攀爬在效率和安全性上有顯著的提升。從電力維護工作實踐來看，高空作業(yè)環(huán)境往往風力比較大，這對無人機的穩(wěn)定性會造成很大的影響[2]。為了盡量減小這種風力對該裝置穩(wěn)定性的影響，在設(shè)計的過程中，設(shè)計團隊創(chuàng)造性地提出了懸掛式的工作模式——該裝置在借助無人機運輸?shù)诫娎|附近后通過光電傳感器或者是電磁傳感器來確定電纜位置，自動控制無人機通過設(shè)計的對接裝置與電纜對接，掛接在電纜上，這樣既能保證運輸?shù)男剩帜鼙ＷC在掛接后裝置的工作的穩(wěn)定性，同時掛接在電纜上消耗的能量要遠遠小于無人機的飛行時的耗能，大大增加了產(chǎn)品的續(xù)航能力;掛接之后借助對接裝置上的電動滑輪即可實現(xiàn)裝置在電纜上的移動，快捷穩(wěn)定?？梢栽陔娐钒l(fā)生故障時，第一時間到達現(xiàn)場，為后續(xù)的搶修工作提供及時且直觀的材料。

目前市場也存在大量的電力高空作業(yè)設(shè)備，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，六軸機械臂高壓電纜維護裝置配備了更為靈活的機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)多項功能，同時由于設(shè)備能耗較少，因此具有較長的續(xù)航時間，裝置本身配備有攝像頭，能夠?qū)C械作業(yè)情況進行及時回傳，并且可以根據(jù)客戶需要來定制軟件，能夠有效填補國內(nèi)市場的空白。

2 六軸機械臂高壓電纜維護裝置設(shè)計思路

在六軸機械臂高壓電纜維護裝置中，主要包括機械部分、無人載具部分、系統(tǒng)主控部分傳感器部分等。在各系統(tǒng)模塊的有機配合下，從而實現(xiàn)各項功能。

2.1 主控系統(tǒng)設(shè)計

主控系統(tǒng)需要能夠協(xié)調(diào)裝置各組成模塊的運行，依據(jù)控制的要求以及裝置的狀態(tài)，來進行控制指令的輸出，并提升裝置運行的穩(wěn)定性。在六軸機械臂高壓電纜維護裝置中主控系統(tǒng)主要包括主控板、PWM舵機驅(qū)動板、ps2無線遙控手柄、藍牙模塊（XY-MBD07A模塊）等。Arduino Mega 2560為系統(tǒng)主控板，具有USB接口以及54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計。該類型主控板可滿足裝置運行對于信號處理的各項要求。

PWM舵機驅(qū)動板使用PCA9685芯片，是16通道12bit PWM舵機驅(qū)動，用2個引腳通過I2C就可以驅(qū)動16個舵機。

六軸機械臂高壓電纜維護裝置需要根據(jù)電力維護作業(yè)的要求進行遙控，在遙控模塊的設(shè)計上，主要選擇了ps2無線遙控手柄。該遙控手柄的控制選項較為全面，同時具有較為成熟的通信協(xié)議破解方案，能夠用于對六軸機械臂高壓電纜維護裝置的控制，因此選擇此款手柄作為遙控裝置。

藍牙模塊主要選擇XY-MBD07A芯片，在應(yīng)用的過程中可以根據(jù)客戶的實際需求來進行軟件的設(shè)計。

2.2 機械臂設(shè)計

機械手臂是裝置的核心部件，電力維護功能的實現(xiàn)需要依靠能夠靈活控制的機械手臂，因此開發(fā)的過程具有相當?shù)膹?fù)雜性，需要通過建立DH模型進行機械手臂的開發(fā)。

裝置的機械手臂手臂關(guān)節(jié)是可以滑動（線性）的或旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動）的，它可以按任意的順序放置并處于任意的平面。連桿也可以是任意的長度（包括零），它可能被彎曲或扭曲，也可能位于任意平面上。任何一組關(guān)節(jié)和連桿都可以構(gòu)成一個我們想要的東西。首先給每個關(guān)節(jié)指定一個參考坐標系，然后確定從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)（一個坐標到下一個坐標）來進行變換的步驟。如果從基座到第一個關(guān)節(jié)，再從第一個關(guān)節(jié)到第二個關(guān)節(jié)直至到最后一個關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的所有變換結(jié)合起來，就得到了總變換矩陣。

DH模型通過限制原點位置和X軸的方向，人為減少了兩個自由度，因此它只需要用四個參數(shù)（linklength、linkt wist、linkoffset、jointangle）表達關(guān)節(jié)之間原本是六自由度的坐標變換。

此外，機械手臂也安裝了攝像頭，其主要的目的是收集環(huán)境影像資料，為環(huán)境的3D建模提供數(shù)據(jù)[3]。確保在應(yīng)用的過程中能夠準確的感知手臂位置。所選擇的攝像頭需要具有較高的清晰度，保證能夠較好的完成實施同步。在設(shè)計的過程中結(jié)合機械手臂的關(guān)節(jié)角度來定制攝像頭的形狀，從而確保攝像頭的的拍攝范圍符合要求，提升3D建模的精度。

2.3 無人機選型

目前，消費級的無人機在航拍娛樂方面得到了廣泛的應(yīng)用，同時隨著無人機市場的發(fā)展，也出現(xiàn)了性能更為強大的消費級無人機[4]。如果把無人機和機械臂結(jié)合起來，就好像無人機有了手臂一樣，可以完成更高級的工作。在本設(shè)計方案中所采用的無人機是實現(xiàn)基于STM32的無人機組群的超視距控制的四旋翼無人機，主要以STM32為控制核心，用ST的LET模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)可以通過網(wǎng)絡(luò)來遠程控制去往目的地。無人機體積小，重量輕，成本低，性價比高。

2.4 對接設(shè)計

要想將裝置自動掛接在電纜上，首先需要知道裝置與電纜的相對位置，根據(jù)現(xiàn)有的相對位置才能確定下一步無人機應(yīng)該往哪里飛，因此裝置使用紅外激光測距雷達、電磁以及光電等傳感器來實現(xiàn)位置的確定。

考慮到控制精度、成本、飛行器的重量等個方面因素，在設(shè)計的過程中決定采用紅外激光測距的方式，由于傳感器為單點測距，需要配合云臺一起使用，以此來測量無人機上空的環(huán)境，測量方法與單點測距類似，云臺旋轉(zhuǎn)帶動激光測距一起轉(zhuǎn)動，以此來測量無人機上空與前進方向垂直平面上的距離信息，這種測距的方式不僅要記錄距離信息，還要記錄相應(yīng)的角度信息，通過數(shù)據(jù)處理可以解算出無人機采集到的電纜的位置。

不過，想要讓無人機與電纜自動對接，只有距離還不夠，還要確定電纜的方向，簡單來說就是當無人機與電纜不朝同一方向時，激光測距也能測得距離信息，但是無法確定無人機的方向，這樣是無法對接的，此時就需要電磁或者是光電傳感器來幫忙。眾所周知，交變電流會在空間中產(chǎn)生交變磁場，磁場的變化頻率與交流電的頻率有關(guān)，電磁傳感器就是借助Rcl振蕩電路來實現(xiàn)對電纜周圍特定頻率交變磁場的檢測，此方法不受天氣光照的影響，可靠性較高，同時經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理后可以解算出位置，但是此方法會受到旁邊電路的影響。

當然確定無人機的朝向也可以使用光電傳感器，也就是攝像頭采集圖像信息，處理后即可得到朝向，此方法簡單直觀，控制精度也較高，但是容易受到光線的影響，可以將電磁與光電采集到的的信息進行融合處理后得到相對更加準確的數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

與無人機結(jié)合的六軸機械臂裝置功能強大，在高壓電纜的維護工作中能夠發(fā)揮重要的作用，同時該裝置在設(shè)計的過程中，應(yīng)用了目前市場中較為成熟的無人機產(chǎn)品以及其他構(gòu)建模塊，因此能夠較好的控制成本，實現(xiàn)了成本與功能之間的平衡。與傳統(tǒng)的電力維護裝置相比，該裝置具有性能優(yōu)勢以及經(jīng)濟優(yōu)勢，因此具有廣闊的市場前景。