CN104079054A - 一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***及方法，能量回收***，设置在巡线机器人机体内部，包括用于驱动所述的高压输电线路巡线机器人运行的驱动电路模块、用于回收电能的充电电路、单向DC/DC转换器、控制器和速度检测单元；本发明利用输电线路悬链状的结构特点，成功节省了巡线机器人下坡时行走电机所需的能量，并且把行走电机作为直流发电机将能量回收至蓄电池中，节省能量并且提升机器人续航能力；巡线机器人本身机械结构无需太大变动，升级成本低，效果好；能避免了巡线机器人下坡速度过快导致的机器人本身的硬件及电路损坏，且保持了发电电压的相对稳定，保证了机器人巡检的可控性与安全性，也减少了行走轮的磨损程度。

Description

一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***及方法

技术领域

本发明属于能源回收利用技术领域，涉及到一种能量回收***及方法，尤其涉及到一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***及方法。

背景技术

传统的输电线路巡检方法主要以人工巡线为主，其巡线效率低，劳动强度大，工人经常野外工作，工作环境恶劣，并且跨越高山，密林，大河的输电线路档段的巡检难度更大。采用直升机巡检效率较高，但是其经济效益差，并且容易忽略输电线路的细微损坏。巡线机器人是一种用于巡检高压输电线路的特种机器人，可用于代替人工巡检，其巡检效率高，成像效果好，是机器人技术与输电线路巡检技术发展相结合的必然趋势。

巡线机器人的行走，越障(通过直流电机和相关电路)以及检测(通过可见光摄像头，红外成像仪等)都需要机器人自带的蓄电池进行供电。巡线机器人续航能力是机器人的关键技术指标，其直接决定巡线机器人的巡线里程及工作时间。如果巡线机器人续航能力较低，则需要人工频繁上塔更换电池，给自动巡线带来极大不便。

巡线机器人重量以及体积的控制使其电池容量不能无限制扩大。因此，在现有电池容量最大化的前提下寻找出在线充能及节能的有效途径是提升巡线机器人续航能力的主要手段。

针对巡线机器人在线充电，主要有以下的方法：一种巡线机器人太阳能充电基站的充电对接与分离装置(申请号：201310083704.5)，巡线机器人充电方法和装置及参数配置方法、巡线机器人(申请号：201210242177.3)，描述了一种在架空输电线路安装太阳能充电基站，利用太阳能电池板给基站蓄电池供电，通过充电装置与巡线机器人对接，从而再将太阳能基站的电能传进巡线机器人蓄电池中，以实现地线上对巡线机器人的充电。本方法可用于地线巡线机器人电能在线补给，但须安装太阳能充电基站，充电时间在一定时间以上才能达到理想效果。

另一种在线电能补给的方法：用于高压输电线路上的感应取电装置(申请号：201010134788.7)以及：用于架空高压输电线路的感应取电装置参数匹配方法(申请号：201010150342.3)主要描述了利用导线交变电磁场通过电磁感应原理将其转化成电能以此给用电装置供电的方法。由于导线交变磁场较强，沿导线巡线的巡线机器人可用此种方法充能，地线磁场信号相对导线较弱，故此种方法不适用于地线巡线机器人。

发明内容

输电线架设在输电杆塔之间，呈悬链结构，杆塔之间线路两端布有防震锤，防震锤之间为无障碍段，无障碍段长度占据输电线路长度绝大部分。巡线机器人由直流电机驱动行走，根据线路结构特点，故可在巡线机器人下坡时利用直流电机的可逆原理将其作为直流发电机回收能量。巡线机器人本身有其最大允许的安全巡检速度，此外，直流电机，减速器也有其最大的速度限制。而巡线机器人下坡发电时直流电机本身不再提供驱动力与制动力。因此，亦需要对巡线机器人发电时的速度进行控制。

为了达到上述技术目的，本发明提供的一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，设置在所述的高压输电线路巡线机器人的巡线机器人机体内部，其特征在于：包括用于驱动所述的高压输电线路巡线机器人运行的驱动电路模块、用于回收电能的充电电路、单向DC/DC转换器、控制器和速度检测单元；

所述的驱动电路模块依次由锂电池组、双向DC/DC转换器、驱动电路、切换电路、直流电机串联组成；所述的充电电路依次由直流电机、切换电路、速度控制单元、双向DC/DC转换器、锂电池组串联组成；当能量由所述的锂电池组向所述的直流电机流动时，所述的直流电机与所述的速度控制单元隔离，当能量由所述的直流电机流向所述的锂电池组时，所述的直流电机与所述的驱动电路隔离；所述的锂电池组通过所述的单向DC/DC转换器向所述的控制器供电，所述的控制器用于控制所述的双向DC/DC转换器能量传输方向，控制所述的速度控制单元中设置的电流控制电路的PWM波占空比以控制所述的速度控制单元的电流及设置在所述的速度控制单元中的制动电阻R消耗的能量，以及控制所述的切换电路根据指令切换至所述的驱动电路或所述的速度控制单元；所述的控制器还接收所述的速度检测单元传来的速度信息，作为调节所述的高压输电线路巡线机器人运行速度的参考。

作为优选，所述的速度控制单元由制动电阻R以及电流控制电路串联组成，用于通过所述的电流控制电路调节所述的速度控制单元的电流，来调整所述的制动电阻R消耗的能量，所述的控制器通过调整所述的电流控制电路PWM波占空比来控制所述的速度控制单元电流，所述的速度控制单元与所述的双向DC/DC转换器并联，调整所述的制动电阻R消耗能量即可调整所述的直流电机发电状态下的负载，以此达到控制速度目的。

作为优选，所述的高压输电线路巡线机器人，包括一对压紧轮、圆周阵列磁钢、霍尔传感器、压紧电机、倾角传感器和加速度传感器；所述的一对压紧轮，左右对称地设置在巡线机器人的压紧轮支架上，贴紧输电线路并与巡线机器人的行走轮上下相对；所述的圆周阵列磁钢，内嵌于压紧轮一侧；所述的霍尔传感器，设置于压紧轮支架上；所述的压紧电机通过弹簧与所述的压紧轮支架连接、用于控制所述的压紧轮支架压紧或松开，所述的倾角传感器和加速度传感器，分别设置于巡线机器人机体内部；所述的霍尔传感器、倾角传感器和加速度传感器由巡线机器人提供电力。

作为优选，所述的直流电机为有刷直流电机。

作为优选，所述的双向DC/DC转换器有两种工作状态：Buck状态与Boost状态；在Buck状态下，所述的锂电池组给所述的直流电机供电，在Boost状态下，所述的直流电机作为直流发电机通过所述的双向DC/DC给所述的锂电池组充电。

作为优选，所述的切换电路，设置在所述的直流电机电源线入口处，可切换至正常行驶时的驱动电路模块以及充电电路，发电时可将所述的直流电机发电产生的不同向的电压转变为相同方向的电压输出。

作为优选，所述的圆周阵列磁钢一侧与所述的压紧轮侧面平齐。

作为优选，所述的霍尔传感器检测面与圆周阵列磁钢端面正对，用于检测到圆周阵列磁钢端面的磁场信号，并将其转化为电平信号输出。

本发明提供的一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收方法，包括以下步骤：

步骤1：判断巡线机器人是否满足充电条件？

若是，则继续执行下述步骤2；

若否，则继续执行下述步骤7；

步骤2：设置巡线机器人充电相关参数，包括直流电机最高转速，巡线机器人倾角，巡线机器人充电距离；

步骤3：切换电路至充电电路；

步骤4：将双向DC/DC转换器调节至Boost模式；

步骤5：判断巡线机器人是否满足巡线机器人转速要求？

若是，则直接回转执行所述的步骤1；

若否，则继续执行下述步骤6；

步骤6：调整速度控制单元PWM波占空比，调整制动电阻R消耗功率，回转执行所述的步骤5；

步骤7：切换电路至驱动电路模块；

步骤8：将双向DC/DC转换器调整至Buck工作模式；

步骤9：判断是否停止巡线机器人巡检？

若是，则巡线机器人停止巡检，本流程结束；

若否，直接回转执行所述的步骤1。

作为优选，步骤5中所述的巡线机器人转速检测是由所述的压紧轮随所述的巡线机器人行走而转动使得所述的圆周阵列磁钢在所述的霍尔传感器检测面产生周期信号，所述的控制器通过频率算出所述的压紧轮线速度，继而得出所述的巡线机器人行走转速。

作为优选，步骤6的具体实现过程为，如果所述的巡线机器人速度低于设定的最佳速度，则减小所述的电流控制电路PWM波占空比，减小所述的制动电阻R消耗或者完全切断电流使所述的制动电阻R无消耗，以减小所述的直流电机负载使其加速；若速度高于设定的最佳速度，则增大所述的电流控制电路PWM波占空比，增大所述的制动电阻R消耗，以增大所述的直流电机负载使其减速，加速与减速通过所述的加速度传感器方向进行判断。

本发明主要用于实现直流行走电机在巡线机器人下坡时将能量回收至蓄电池内，在回收能量期间，并不会影响巡线机器人其他模块的工作，巡线机器人压紧电机，摄像头等检测模块，以及控制电路都在发电过程中正常工作，不会影响巡线机器人的正常巡检。

本发明具有如下优点：利用输电线路悬链状的结构特点，成功节省了巡线机器人下坡时行走电机所需的能量，并且把行走电机作为直流发电机将能量回收至蓄电池中，节省能量并且提升机器人续航能力；巡线机器人本身机械结构无需太大变动，升级成本低，效果好；巡线机器人下坡发电过程中机器人速度可控，从而避免了巡线机器人下坡速度过快导致的机器人本身的硬件及电路损坏，且保持了发电电压的相对稳定，保证了机器人巡检的可控性与安全性；行走轮释放之后减少了由于行走轮速度不完全一致造成机器人结构内约束，也减少了行走轮的磨损程度。

附图说明

图1：为本发明实施例的能量回收***速度检测单元示意图；

图2：为本发明实施例的输电线路结构示意图；

图3：为本发明实施例的能量回收***结构示意图；

图4：为本发明实施例的能量回收***速度控制单元示意图；

图5：为本发明实施例的能量回收***工作流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2、图3和图4，本发明的***所采用的技术方案是：一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，设置在高压输电线路巡线机器人机体8内部，包括用于驱动巡线机器人运行的驱动电路模块、用于回收电能的充电电路、单向DC/DC转换器、控制器和速度检测单元；驱动电路模块依次由锂电池组、双向DC/DC转换器、驱动电路、切换电路、直流电机串联组成；充电电路依次由直流电机、切换电路、速度控制单元、双向DC/DC转换器、锂电池组串联组成；直流电机为有刷直流电机；切换电路，设置在巡线机器人直流电机电源线入口处，可切换至正常行驶时的驱动电路模块以及充电电路，发电时可将巡线机器人直流电机发电产生的不同向的电压转变为相同方向的电压输出；巡线机器人双向DC/DC转换器有两种工作状态：Buck状态与Boost状态；在Buck状态下，巡线机器人锂电池组给直流电机供电，在Boost状态下，直流电机作为直流发电机通过双向DC/DC给巡线机器人锂电池组充电；速度控制单元由制动电阻R以及电流控制电路13串联组成，通过电流控制电路13调节巡线机器人速度控制单元的电流，来调整制动电阻R消耗的能量，控制器通过调整电流控制电路13PWM波占空比来控制速度控制单元电流，速度控制单元与双向DC/DC转换器并联，调整制动电阻R消耗能量即可调整直流电机发电状态下的负载，以此达到控制速度目的；当能量由锂电池组向直流电机流动时，直流电机与速度控制单元隔离，当能量由直流电机流向锂电池组时，直流电机与驱动电路隔离；锂电池组通过单向DC/DC转换器向控制器供电，控制器用于控制双向DC/DC转换器能量传输方向，控制速度控制单元中设置的电流控制电路的PWM波占空比以控制速度控制单元的电流及设置在速度控制单元中的制动电阻R消耗的能量，以及控制切换电路根据指令切换至驱动电路或速度控制单元；控制器还接收速度检测单元传来的速度信息，作为调节巡线机器人运行速度的参考。

本实施例的高压输电线路巡线机器人，包括一对压紧轮3、圆周阵列磁钢2、霍尔传感器4、压紧电机6、倾角传感器12和加速度传感器11；一对压紧轮3，左右对称地设置在巡线机器人的压紧轮支架5上，贴紧输电线路7并与的行走轮1上下相对；圆周阵列磁钢2，内嵌于压紧轮3一侧；霍尔传感器4，设置于压紧轮支架5上；压紧电机6通过弹簧与压紧轮支架5连接、用于控制压紧轮支架5压紧或松开，倾角传感器12和加速度传感器11，分别设置于巡线机器人机体8内部；霍尔传感器4、倾角传感器12和加速度传感器11由巡线机器人提供电力；圆周阵列磁钢2一侧与压紧轮3侧面平齐；霍尔传感器4检测面与圆周阵列磁钢2端面正对，用于检测到圆周阵列磁钢2端面的磁场信号，并将其转化为电平信号输出。

请见图5，本发明的方法所采用的技术方案是：一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收方法，包括以下步骤：

步骤1：检测所有器件能否正常工作，包括：直流电机是否正常；转动压紧轮3，霍尔传感器4是否返回脉冲信号；倾角传感器12与加速度传感器11能否正确返回相关数值；能否调节速度控制单元中设置的电流控制电路的PWM波控制电流及制动电阻R能耗；双向DC/DC转换器能否切换Buck/Boost模式并工作正常，切换电路能否顺利切换驱动电路模块与充电电路。

步骤2：上述准备工作做完后，将巡线机器人挂于输电线路7上巡检，确定适合发电档段，设置巡线机器人发电行走的距离，设置巡线机器人回收能量时的最佳速度，确定最后停止发电的巡线机器人倾角等相关条件。

步骤3：巡线机器人到达指定档段后，通过自身过障设定越过障碍物悬垂线夹10与防震锤9，到达图2所示的b的一端，调整压紧电机6压紧力，使压紧轮3能够贴在线路上随巡线机器人运动而旋转。

步骤4：巡线机器人开始能量回收，先将切换电路由驱动电路模块切换至充电电路，因而直流电机释放，将双向DC/DC转换器改变为Boost模式，锂电池组开始接收由直流电机作为直流发电机传回的能量，并对锂电池组开始充电。巡线机器人在重力作用下开始加速下坡。

步骤5：在巡线机器人下坡过程中，速度检测单元不断对速度进行检测。压紧轮3随巡线机器人运行而旋转，其上的圆周阵列磁钢2与霍尔传感器4检测面周期接近。霍尔传感器4将给控制器返回周期性的脉冲信号。可根据该信号使用公式测得压紧轮3的实际线速度：

$V_p\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{2\mathrm{\π}{R}_p{N}_p}{n_p(t_2-t_1)}=\frac{2\mathrm{\π}{R}_p{N}_p}{n_p\mathrm{\Δt}}$

同时可根据公式测得巡线机器人下坡发电的运行距离:

$L=\frac{2\mathrm{\π}{R}_{p}N}{n_p}$

式中N_p为t₁到t₂时刻测得的脉冲数，n_p为压紧轮3旋转一圈的脉冲数，V_p(Δt)表示在Δt时间段内的平均线速度，R_p为压紧轮3的半径，N为巡线机器人发电之后的总脉冲数。

步骤6：由计算出的速度与给定速度进行比较，如果巡线机器人超过给定的最佳速度，则增大电流控制电路13PWM波占空比，增大通过速度控制单元的电流，增大制动电阻R消耗的功率，使直流电机减速。如果巡线机器人的速度小于该速度，则减少电流控制电路13PWM波占空比，减小制动电阻消耗R的功率，并回到步骤5再次进行检测；

步骤7：如果巡线机器人不满足能量回收的相关条件，包括，坡度不在要求范围；已经超过巡线机器人能量回收设定的距离；巡线机器人检测到障碍或者碰检障碍物；巡线机器人速度超过允许的最高速度；手动停止机器人能量回收等。则巡线机器人跳出能量回收过程，返回正常运行。切换电路将充电电路切换至驱动电路模块。能量回收过程结束。

步骤8：在任何时刻停止巡检，如果巡线机器人正处于能量回收状态，则先切换电路至驱动电路模块，然后通过驱动器控制行走电机刹车。如果处于正常巡检状态，则直接刹车。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，设置在所述的高压输电线路巡线机器人的巡线机器人机体（8）内部，其特征在于：包括用于驱动所述的高压输电线路巡线机器人运行的驱动电路模块、用于回收电能的充电电路、单向DC/DC转换器、控制器和速度检测单元； 

所述的驱动电路模块依次由锂电池组、双向DC/DC转换器、驱动电路、切换电路、直流电机串联组成；

所述的充电电路依次由直流电机、切换电路、速度控制单元、双向DC/DC转换器、锂电池组串联组成；

当能量由所述的锂电池组向所述的直流电机流动时，所述的直流电机与所述的速度控制单元隔离，当能量由所述的直流电机流向所述的锂电池组时，所述的直流电机与所述的驱动电路隔离；

所述的锂电池组通过所述的单向DC/DC转换器向所述的控制器供电，所述的控制器用于控制所述的双向DC/DC转换器能量传输方向，控制所述的速度控制单元中设置的电流控制电路的PWM波占空比以控制所述的速度控制单元的电流及设置在所述的速度控制单元中的制动电阻R消耗的能量，以及控制所述的切换电路根据指令切换至所述的驱动电路或所述的速度控制单元；所述的控制器还接收所述的速度检测单元传来的速度信息，作为调节所述的高压输电线路巡线机器人运行速度的参考。

2.根据权利要求1所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，其特征在于：所述的速度控制单元由制动电阻R以及电流控制电路（13）串联组成，用于通过所述的电流控制电路（13）调节所述的速度控制单元的电流，来调整所述的制动电阻R消耗的能量，所述的控制器通过调整所述的电流控制电路（13）PWM波占空比来控制所述的速度控制单元电流，所述的速度控制单元与所述的双向DC/DC转换器并联，调整所述的制动电阻R消耗能量即可调整所述的直流电机发电状态下的负载，以此达到控制速度目的。

3.根据权利要求1或2所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，其特征在于：所述的高压输电线路巡线机器人，包括一对压紧轮（3）、圆周阵列磁钢（2）、霍尔传感器（4）、压紧电机（6）、倾角传感器（12）和加速度传感器（11）；所述的一对压紧轮（3），左右对称地设置在巡线机器人的压紧轮支架（5）上，贴紧输电线路（7）并与巡线机器人的行走轮（1）上下相对；所述的圆周阵列磁钢（2），内嵌于压紧轮（3）一侧；所述的霍尔传感器（4），设置于压紧轮支架（5）上；所述的压紧电机（6）通过弹簧与所述的压紧轮支架（5）连接、用于控制所述的压紧轮支架（5）压紧或松开，所述的倾角传感器（12）和加速度传感器（11），分别设置于巡线机器人机体（8）内部；所述的霍尔传感器（4）、倾角传感器（12）和加速度传感器（11）由巡线机器人提供电力。

4.根据权利要求1或2所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，其特征在于：所述的直流电机为有刷直流电机。

5.根据权利要求1或2所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，其特征在于：所述的双向DC/DC转换器有两种工作状态：Buck状态与Boost状态；在Buck状态下，所述的锂电池组给所述的直流电机供电，在Boost状态下，所述的直流电机作为直流发电机通过所述的双向DC/DC给所述的锂电池组充电。

6. 根据权利要求1或2所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，其特征在于：所述的切换电路，设置在所述的直流电机电源线入口处，可切换至正常行驶时的驱动电路模块以及充电电路，发电时可将所述的直流电机发电产生的不同向的电压转变为相同方向的电压输出。

7.根据权利要求3所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，其特征在于：所述的圆周阵列磁钢（2）一侧与所述的压紧轮（3）侧面平齐。

8.根据权利要求3所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***，其特征在于：所述的霍尔传感器（4）检测面与圆周阵列磁钢（2）端面正对，用于检测到圆周阵列磁钢（2）端面的磁场信号，并将其转化为电平信号输出。

9.一种利用权利要求5所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收***进行能量回收的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：判断巡线机器人是否满足充电条件？

若是，则继续执行下述步骤2；

若否，则继续执行下述步骤7；

步骤2：设置巡线机器人充电相关参数，包括直流电机最高转速，巡线机器人倾角，巡线机器人充电距离；

步骤3：切换电路至充电电路；

步骤4：将双向DC/DC转换器调节至Boost模式；

步骤5：判断巡线机器人是否满足巡线机器人转速要求?

若是，则直接回转执行所述的步骤1；

若否，则继续执行下述步骤6；

步骤6：调整速度控制单元PWM波占空比，调整制动电阻R消耗功率，回转执行所述的步骤5；

步骤7：切换电路至驱动电路模块；

步骤8：将双向DC/DC转换器调整至Buck工作模式；

步骤9：判断是否停止巡线机器人巡检？

若是，则巡线机器人停止巡检，本流程结束；

若否，直接回转执行所述的步骤1。

10.根据权利要求9所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收方法，其特征在于：步骤5中所述的巡线机器人转速检测是由所述的压紧轮（3）随所述的巡线机器人行走而转动使得所述的圆周阵列磁钢（2）在所述的霍尔传感器（4）检测面产生周期信号，所述的控制器通过频率算出所述的压紧轮（3）线速度，继而得出所述的巡线机器人行走转速。

11.根据权利要求9所述的用于高压输电线路巡线机器人的能量回收方法，其特征在于：步骤6的具体实现过程为，如果所述的巡线机器人速度低于设定的最佳速度，则减小所述的电流控制电路（13） PWM波占空比，减小所述的制动电阻R消耗或者完全切断电流使所述的制动电阻R无消耗，以减小所述的直流电机负载使其加速；若速度高于设定的最佳速度，则增大所述的电流控制电路（13）PWM波占空比，增大所述的制动电阻R消耗，以增大所述的直流电机负载使其减速，加速与减速通过所述的加速度传感器（11）方向进行判断。