航空標志球裝置及裝卸機器人系統(tǒng)研究

賈永剛，程志勇，郭 銳，李 勇，欒貽青

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南 250101；3.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南 250001）

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航空標志球裝置及裝卸機器人系統(tǒng)研究

賈永剛1，2，程志勇1，2，郭 銳1，李 勇3，欒貽青2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南 250101；3.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南 250001）

摘 要：針對架空輸電線路航空標志球裝卸的需要，設(shè)計了航空標志球裝卸機器人系統(tǒng)及適合機器人裝卸的航空標志球裝置。機器人系統(tǒng)包括線上行走機器人機械本體、機載控制系統(tǒng)及地面遙控系統(tǒng)。機械本體設(shè)計輕巧，機載控制系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計方法，地面控制站與機器人本體采用無線通信形式。實驗表明，本系統(tǒng)穩(wěn)定、魯棒性強，可高效地實現(xiàn)架空輸電線路航空標志球的裝卸作業(yè)。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；航空標志球；機器人；安裝和拆除；無線通訊

0　引言

架空輸電線路對日常生活、工農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟健康發(fā)展起著關(guān)鍵性作用，在輸送電能的同時也帶來了危險和事故隱患，因此，在架空輸電線路上懸掛警示裝置具有廣泛的工程價值和現(xiàn)實意義。航空標志球作為普遍的航空警示裝置已被廣泛應(yīng)用在在飛機場附近，跨越鐵路、河流、山谷等架空輸電線路上，無航空標志導航的輸電線路已經(jīng)引發(fā)了嚴重事故。

國內(nèi)外都有輸電線路警示裝置的研究和產(chǎn)品［1，2］，作為安全標識大多安裝在架空地線、架空導線或桿塔上?，F(xiàn)有航空標志球的安裝需要在停電的情況下人工完成，屬于高空作業(yè)，施工極為不便，且具有一定的危險性。機器人技術(shù)的發(fā)展為輸電線路警示裝置的安裝提供了新的平臺。但架空輸電線路帶電作業(yè)機器人技術(shù)研究主要集中在巡線機器人［3～6］、絕緣子串檢測機器人［7，8］、除冰機器人［9，10］及斷股修補［11］作業(yè)機器人等方面，在輸電線路上懸掛警示球也有相應(yīng)的機器人［12］，國內(nèi)還未出現(xiàn)航空標志球裝卸機器人的報道和文獻。

國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院聯(lián)合山東魯能智能技術(shù)有限公司研發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的新型航空標志球裝置［13］，該裝置能夠適合機器人自動裝卸。同時研發(fā)了航空標志球裝卸機器人系統(tǒng)［14］，該機器人可以完成架空輸電線路航空標志球自動裝卸，避免了人工作業(yè)風險。

1　航空標志球裝置

一般情況下，航空標志球安裝在架空地線或OPGW線纜上，航空標志球每間隔30m安裝一個，高壓輸電線路兩桿塔間距大都在400m～500m之間，兩桿塔最大間距高達上千米?，F(xiàn)有的航空標志球多采用上下兩薄殼半球體扣合，通過四螺栓鎖緊與上下半球連接的線夾將球體安裝在線纜上。國內(nèi)航空標志球多采用人工安裝方式，特別是在已架設(shè)的高壓輸電線路上安裝航空標志球，安裝難度大，危險性高。

針對上述缺點提出了一種適合機器人裝卸的航空標志球，該航空標志球可以實現(xiàn)與航空標志球機器人的對接，通過一個旋轉(zhuǎn)動作完成航空標志球的裝卸。航空標志球由上下兩薄殼半球體、內(nèi)部連接裝置、旋轉(zhuǎn)接頭和夾持架組成。內(nèi)部連接裝置連接上下兩半球，主要由連接板、蝸桿機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)、卡線槽、行走輪等結(jié)構(gòu)組成。

該航空標志球的旋轉(zhuǎn)接頭與機器人對接，通過一個旋轉(zhuǎn)動作完成機器人對航空標志球的裝卸；旋轉(zhuǎn)接頭采用鉗口形機構(gòu)，解決了螺栓結(jié)構(gòu)精確對位的難題；兩薄殼半球體扣合后形成一個球體，采用球體外形起到防風效果；連接裝置采用具有放松效果的蝸輪蝸桿機構(gòu)，避免了球體鎖緊后因外力作用產(chǎn)生的松動；卡線槽內(nèi)設(shè)置橡膠襯墊，橡膠的壓縮彈性具有一定的放松效果，同時避免了鎖緊后因振動等因素對架空線纜造成的磨損；航空標志球內(nèi)部設(shè)置行走輪，方便機器人攜帶沿架空地線行走。

航空標志球結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　航空標志球

2　航空標志球裝卸機器人系統(tǒng)

航空標志球裝卸機器人系統(tǒng)主要由機器人機械結(jié)構(gòu)、機載控制系統(tǒng)和地面站組成。

2.1機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計輕型的航空標志球裝卸專用機器人，要求機器人具備沿地線平穩(wěn)行走，具備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，與航空標志球裝置對接完成自動裝卸航空標志球裝任務(wù)。航標球裝卸機器人主要由移動本體、壓緊裝置和航空標志球裝卸機構(gòu)組成。該機器人采用輪式小車行走機構(gòu)，能夠在架空線纜上平穩(wěn)行走；機器人的壓緊裝置可以防止機器人從線纜上跌落；機器人具有一定的爬坡能力，爬坡角度不小于20度；機器人具有視頻監(jiān)控功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測機器人運行狀態(tài)及航空標志球裝卸情況。

航空標志球裝卸機器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　航空標志球裝卸機器人

航空標志球裝卸過程如下：

1）航空標志球安裝：作業(yè)人員登上塔頂，將機器人和航空標志球放置在桿塔一側(cè)，控制手抓抓住航空標志球并完成對接，此時航空標志球兩半球為打開狀態(tài)，控制機器人行走至航空標志球安裝點，啟動旋轉(zhuǎn)電機將航空標志球鎖緊在線纜上，利用攝像頭實時觀測航空標志球安裝情況，完成安裝后機器人行駛回桿塔處。

2）拆卸航空標志球：作業(yè)人員登上塔頂，將機器人放置在航空標志球安裝側(cè)，控制機器人沿線纜行走至航空標志球安裝處，通過攝像頭觀察完成與航空標志球的對接，啟動旋轉(zhuǎn)電機解除航空標志球鎖緊狀態(tài)，拖回航空標志球至桿塔側(cè)。

2.2機載控制系統(tǒng)設(shè)計

1）硬件設(shè)計

航空標志球裝卸機器人控制系統(tǒng)由遙控器和機載控制系統(tǒng)組成，機載控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。無線通信模塊AC4490接收來之遙控器的控制指令，通過UART接口與控制器連接。其主要參數(shù)：工作電壓3.3V～5.5V，調(diào)制方式FHSS FSK，工作頻率902MHz～928MHz，輸出功率5mW～200mW，接收靈敏度-110dB，傳輸距離6.5km。控制器選用STM32F103ZET6，該芯片為100腳TQFP封裝，3.3V供電，具有豐富的外設(shè)資源和IO口?？刂破鹘馕鯝C4490傳來的指令控制機器人相應(yīng)電機運動，實現(xiàn)航空標志球的裝卸。

圖3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

航標球機器人的動作分別是由行走電機、工具電機、手爪電機等三個電機的轉(zhuǎn)動來完成。行走電機需要比較精確的速度控制，使用MAXON 150W/24V電機并配合AMC驅(qū)動器模塊DZRALTE020L080，該方案驅(qū)動器連續(xù)輸出電流可達12A，采用PWM加方向的控制方式。電機編碼器為500線，經(jīng)4倍頻，電機選擇一周可得到2000個脈沖。控制器通過采集編碼器信號實現(xiàn)對機器人行駛距離的閉環(huán)控制。

2）軟件設(shè)計

航標球機器人控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，根據(jù)功能劃分為五個模塊，分別為控制命令接收、解析模塊；行走電機控制模塊；工具電機控制模塊；手爪電機控制模塊；編碼器采集處理模塊。

（1）控制命令接收、解析模塊接口函數(shù)：void ControlFun（void）

函數(shù)說明：通過USART2接收無線通訊模塊AC4490的控制命令，控制機器人運動，采用中斷方式。UART2 配置為：串口波特率：38400bit/s；數(shù)據(jù)長度：8bit；無校驗。串口接收到新的有效命令后，將命令寫入命令緩沖區(qū)。通過該接口函數(shù)查詢緩沖區(qū)新的有效命令，當檢測到命令緩沖區(qū)有新的命令時，自動進行命令解析，對機器人進行控制。

（2）行走電機控制模塊

接口函數(shù)如下：void RobotMove（int16_t speed）

函數(shù)說明：設(shè)置機器人行走的速度，速度值范圍為-100～100，代表了設(shè)置速度與額定轉(zhuǎn)速的百分比。

（3）工具電機控制模塊

接口函數(shù)如下：void ToolMove（int16_t speed）

函數(shù)說明：設(shè)置工具電機的速度，速度值范圍為-100～100，代表了設(shè)置速度與最高轉(zhuǎn)速（3500r/min）的百分比。

（4）手爪電機控制模塊

接口函數(shù)：void HandAuto（int8_t action）函數(shù)說明：給定工具電機的旋轉(zhuǎn)方向。

（5）編碼器采集處理模塊

接口函數(shù)：void GetEncoderCounter（uint16_t motor）

函數(shù)說明：給定電機編號，自動返回當前電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、累加距離以及相對距離等信息，并自動存儲到當前電機的緩沖區(qū)中。

2.3地面站設(shè)計

在外作業(yè)業(yè)時，地面操作人員手持遙控器給機器人發(fā)出各種指令控制機器人完成航標球的裝卸。航空標志球的安裝步驟依次為：1）將航空標志球放置在地線上；2）將航空標志球推送至指定位置；3）緊固航空標志球。

航空標志的拆卸步驟依次為：1）機器人到達指定位置；2）將航空標志球擰松；3）將航空標志球拖回到桿塔側(cè)。

為了便于實現(xiàn)航空標志球裝卸過程中的每一個步驟。遙控器功能設(shè)計如圖4所示：其中，B0、B1、B2為開關(guān)B的三個檔位，VA、VB為旋鈕，C0、C1為開關(guān)C的兩個檔位，E0、E1為開關(guān)E的兩個檔位。

圖4　遙控器控制流程圖

航標球機器人前端裝有微型高清攝像頭，機器人運行過程中線路、航空標志球以及機器人的狀態(tài)信息由COFD圖傳系統(tǒng)以圖像形式實時傳輸?shù)降孛婵刂贫恕２僮髡呖梢酝ㄟ^圖傳接收箱了解到當前航標球被推送至的位置及航空標志球是否已經(jīng)安裝或拆卸完成。

3　航空標志球裝卸實驗

航空標志球裝置和裝卸機器人系統(tǒng)研制成功后，在實驗室線路上進行反復模擬試驗，經(jīng)過多次調(diào)整和修改，機器人能夠完成航空標志球裝卸任務(wù)。

機器人在山東電網(wǎng)華德線路上進行了實際線路航空標志球裝卸實驗，實驗結(jié)果表明機器人可以有效的完成航空標志球裝卸作業(yè)，操作簡單，安全可靠。

圖5　航空標志球裝卸實驗

4　結(jié)束語

本文研制了航空標志球裝置及裝卸機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了架空輸電線路機器人自動裝卸航空標志球作業(yè)。成功實現(xiàn)了架空輸電線路實驗，實驗結(jié)果表明機器人裝卸航空標志球具有自動化程度高、準確度高、安全可靠等優(yōu)點。

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Intelligent aircraft warning spheres device for over-head power transmission lines and robot for installation and removal

JIA Yong-gang1，2， CHENG Zhi-yong1，2， GUO Rui1， LI Yong3， LUAN Yi-qing2

中圖分類號：TP373

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0037-04

收稿日期：2015-12-07

作者簡介：賈永剛（1982 -），男，山東聊城人，碩士，研究方向為電力機器人機械系統(tǒng)設(shè)計。