基于多傳感器的超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人越障控制

宋樹偉，阮毅，李正

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)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(shí)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(yùn)行是國家經(jīng)濟(jì)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(shì)必產(chǎn)生各種故障。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，將造成嚴(yán)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?zhǔn)綖?zāi)害，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)和生活等諸多方面的社會(huì)問題。為保證輸電線路可靠運(yùn)行，定期檢查和維護(hù)輸電線路是十分必要的。目前主要采用人工和直升飛機(jī)巡線對(duì)輸電線路進(jìn)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(xiǎn)性高;直升飛機(jī)巡線效率高，但受限于氣候等因素，且費(fèi)用極高。人工和直升飛機(jī)巡線的缺陷為巡檢機(jī)器人技術(shù)研究提供了空間，國際上對(duì)輸電線路巡檢機(jī)器人技術(shù)的研究始于20世紀(jì)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(jī)株式會(huì)社研制的高壓線巡檢機(jī)器人樣機(jī)［1-2］，研究成果表明:機(jī)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(jī)器人完成巡線作業(yè)任務(wù)的需求增加，輸電線路巡檢機(jī)器人成為國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［3-5］。國內(nèi)的研究起始于20世紀(jì)90年代，主要的研究單位包括中科院沈陽自動(dòng)化研究所、武漢大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所等［6］。

機(jī)器人自主跨越架空線上的障礙物是巡檢機(jī)器人研究中的關(guān)鍵內(nèi)容。作者針對(duì)巡檢機(jī)器人越障軌跡的要求，完成對(duì)控制系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)及優(yōu)化;根據(jù)機(jī)器人的工作環(huán)境和作業(yè)內(nèi)容，通過人機(jī)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(dòng)作組合，完成知識(shí)庫的建立和修改;分析巡檢機(jī)器人跨越障礙原理，針對(duì)越障過程中手臂上線時(shí)空間定位這一難點(diǎn)，提出采用多傳感器二次定位的方法，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省手臂上線時(shí)間，提高空間定位的準(zhǔn)確性。

1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻越障礙是巡檢機(jī)器人工作的難點(diǎn)，也是其關(guān)鍵技術(shù)。因此所設(shè)計(jì)機(jī)器人，不僅要滿足正常滾動(dòng)，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(shí)的快速性、穩(wěn)定性和安全性要求，此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人采用雙手臂輪臂復(fù)合結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)樣機(jī)如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人樣機(jī)圖

機(jī)器人的手臂是翻越故障的主要執(zhí)行機(jī)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(dá)340 mm，滿足跨越障礙的要求。每個(gè)手臂有5個(gè)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(dòng)、手臂轉(zhuǎn)動(dòng)、滾輪和手爪閉合的電機(jī)，手臂2與之對(duì)稱位置安裝著5個(gè)控制電機(jī)，M6是實(shí)現(xiàn)機(jī)箱左右移動(dòng)的電機(jī)，機(jī)箱最大移動(dòng)幅值可達(dá)1 300 mm，實(shí)現(xiàn)質(zhì)心的調(diào)節(jié)。

巡檢機(jī)器人是以地線為作業(yè)路徑，完成輸電線路的檢測(cè)和拍攝任務(wù)。圖1中S1～S5為手臂2上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的5個(gè)光電傳感器，手臂1與之對(duì)稱位置同樣安裝著5個(gè)光電傳感器;W1、W2攝像頭和云臺(tái)實(shí)現(xiàn)巡線時(shí)拍攝功能;機(jī)器人箱體主要用來攜帶云臺(tái)攝像頭、機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)器等電子設(shè)備，機(jī)箱內(nèi)部分布圖如圖2所示。

圖2 機(jī)箱內(nèi)部分布圖

1.2 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)實(shí)行分級(jí)控制，即遠(yuǎn)程管理主機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)器人本體控制系統(tǒng)，機(jī)器人本體控制系統(tǒng)包括機(jī)器人本體主控機(jī)和執(zhí)行層。控制系統(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(yuǎn)程管理主機(jī)主要是對(duì)巡檢工作的機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制。機(jī)器人本體主控機(jī)采用PC104嵌入式計(jì)算機(jī)，通過無線通信接收遠(yuǎn)程主機(jī)下發(fā)的控制命令，并將其解釋為各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)序列，依次發(fā)送給執(zhí)行層進(jìn)行執(zhí)行。

機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)以嵌入式 PC104工控機(jī)為核心，其組成主要有:CPU模塊、DC/DC模塊、串行口擴(kuò)展模塊及圖像采集模塊等?？刂乞?qū)動(dòng)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(jī)器人在自主越障時(shí)，它根據(jù)傳感器檢測(cè)信息，結(jié)合專家知識(shí)庫就能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作規(guī)劃和動(dòng)作調(diào)整相結(jié)合的越障動(dòng)作。機(jī)器人本體主控機(jī)通過圖像采集卡采集機(jī)器人巡檢圖像，并將圖像實(shí)時(shí)地傳輸給遠(yuǎn)程管理主機(jī)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。

2 專家數(shù)據(jù)庫的建立

巡檢機(jī)器人可控關(guān)節(jié)多，越障動(dòng)作過程比較復(fù)雜。要實(shí)現(xiàn)其自主越障功能，可事先進(jìn)行離線動(dòng)作學(xué)習(xí)，且機(jī)器人在翻越相同類型的障礙時(shí)重復(fù)同一套操作動(dòng)作，因此可通過在實(shí)驗(yàn)室模擬越障過程，離線形成操作知識(shí)庫，實(shí)際越障時(shí)自動(dòng)調(diào)用操作知識(shí)庫完成越障動(dòng)作過程。

機(jī)器人在進(jìn)行越障作業(yè)時(shí)，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(gè)電機(jī)的動(dòng)作組合，所以設(shè)計(jì)的知識(shí)庫由線路庫、障礙庫和電機(jī)的動(dòng)作庫組成。根據(jù)已知條件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)知識(shí)庫組合如圖4所示。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)知識(shí)庫組合

不同的障礙物，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定機(jī)器人的動(dòng)作。為了方便、快速、準(zhǔn)確地生成動(dòng)作庫數(shù)據(jù)，利用軟件Visual C++6.0設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人手動(dòng)操作界面，包括滾輪、手臂滑動(dòng)、手爪閉合、手臂轉(zhuǎn)動(dòng)、手臂滑動(dòng)和箱體滑動(dòng)6個(gè)界面，控制11臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的手動(dòng)控制，手動(dòng)操作界面如圖5所示。

圖5 手動(dòng)操作界面

手動(dòng)操作界面中運(yùn)行模式選擇速度模式，手動(dòng)操作各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)翻越已知障礙物，獲得各關(guān)節(jié)翻越障礙時(shí)所需的位移，從而生成電機(jī)的動(dòng)作庫。圖6為障礙物是防震錘時(shí)的電機(jī)動(dòng)作庫。

圖6 障礙物是防震錘時(shí)的電機(jī)動(dòng)作庫

3 巡檢機(jī)器人越障

3.1 巡檢機(jī)器人越障原理

圖7為巡檢機(jī)器人翻越防震錘示意圖，當(dāng)巡檢機(jī)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(hào)，系統(tǒng)發(fā)送停止信號(hào)使機(jī)器人停車，并根據(jù)障礙物信息調(diào)用知識(shí)庫，執(zhí)行越障動(dòng)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(shí)通過移動(dòng)機(jī)箱調(diào)節(jié)機(jī)器人質(zhì)心，保持機(jī)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(jìn)行巡線后調(diào)節(jié)機(jī)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(dòng)作翻越防震錘，完成翻越防震錘的動(dòng)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(gè)關(guān)鍵問題:線路辨識(shí)、巡檢機(jī)器人上線手臂相對(duì)于地線的空間位置定位和機(jī)器人本體質(zhì)心的調(diào)節(jié)，其中機(jī)器人本體質(zhì)心的調(diào)節(jié)如圖7中通過機(jī)箱內(nèi)水平傳感器反饋的數(shù)據(jù)移動(dòng)機(jī)箱實(shí)現(xiàn)。

圖7 巡檢機(jī)器人翻越防震錘示意圖

3.2 線路辨識(shí)

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(shí)的精度、靈敏度和準(zhǔn)確率直接影響整個(gè)越障過程。如圖8所示，在每個(gè)機(jī)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(gè)光電傳感器，當(dāng)傳感器光斑被導(dǎo)線遮擋時(shí)，光電傳感器輸出高電平信號(hào)，辨識(shí)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(dāng)機(jī)器人手臂通過動(dòng)作規(guī)劃越過障礙物后，要實(shí)現(xiàn)夾爪和行走輪與架空導(dǎo)線的準(zhǔn)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(gè)水平光電傳感器二次定位的方法實(shí)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(duì)位置，傳感器S4的反饋信號(hào)經(jīng)相關(guān)算法處理，再經(jīng)過動(dòng)作函數(shù)的處理后得到預(yù)定的運(yùn)行軌跡，從而實(shí)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(jī)器人的水平定位動(dòng)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(shí)狀態(tài)如圖 (a)，首先未脫線手臂順時(shí)或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到傳感器S3達(dá)到地線為止，此時(shí)狀態(tài)如圖 (b)所示。在搜索到一點(diǎn)后，脫線手臂根據(jù)S3先于S1碰到地線，做出手臂需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的判斷，當(dāng)S1到達(dá)地線后不停止，但開始記錄從此時(shí)開始直到S2達(dá)到地線為止所轉(zhuǎn)過的角度，當(dāng)S2檢測(cè)到地線后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，狀態(tài)如圖 (d)所示。隨后取記錄所轉(zhuǎn)過角度的1/2進(jìn)行反向補(bǔ)償，這是一個(gè)近似值但在實(shí)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(duì)準(zhǔn)于地線，狀態(tài)如圖 (e)所示，至此水平定位完成。這時(shí)的狀態(tài)是機(jī)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(jī)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(dá)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(gè)三維空間中找到導(dǎo)線位置，大大縮短了定位的時(shí)間消耗，空間定位速度的提高也擴(kuò)大了機(jī)器人的巡檢范圍，使其更具有實(shí)用性。而且此定位方法能更好地克服由于機(jī)器人本體在外力作用下的晃動(dòng)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(gè)傳感器時(shí)有了比較明顯的提高。

4 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

巡檢機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為按照實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(jī)器人能在實(shí)驗(yàn)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(shí)分別約為:8、12 min，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人運(yùn)行正常，整個(gè)越障過程中機(jī)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(zhǔn)確、快速地定位線路，保障作業(yè)安全、連貫地進(jìn)行。

5 總結(jié)

越障是巡檢機(jī)器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)器人手臂上線是越障的難點(diǎn)和重點(diǎn)，作者采用多傳感器二次定位方法實(shí)現(xiàn)空間定位是一種全新嘗試。實(shí)驗(yàn)證明:作者所設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人在無障礙移動(dòng)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(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)由于風(fēng)及慣性造成的機(jī)器人多次重復(fù)辨識(shí)定位才能正確上線的難題，還能有效縮短翻越障礙的時(shí)間，提高巡檢機(jī)器人的效率。

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