CN108555910A - 高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***及控制方法 - Google Patents

高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，控制***包括：电流传感器，用于检测避障臂内旋转线圈电流大小；倾角传感器，用于检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动角度；加速度传感器，用于检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动加速度；控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器传感器的检测，控制所述旋转线圈电流的大小，进而控制平衡力矩，使机器人处于竖直向下状态。本公开通过对旋转线圈的电流进行调节，控制平衡横风力矩，保证磁力机器人在巡航过程中处于稳定的姿态。

Description

高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及高压输电线路巡线机器人技术领域，具体涉及高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***及控制方法。
背景技术
目前高压输电线路巡线机器人已成为国内外研究的热点，传统的巡线机器人多采用轮臂复合式机构，外形尺寸大，机身笨重，由于轮臂式机器人的滑轮与高压线直接接触，存在摩擦和打滑等问题，降低巡线机器人的工作效率。湖北工业大学徐显金等人提出一种磁悬浮式磁力悬浮和磁力驱动机器人的方案，利用高压线周围产生的磁场实现磁力悬浮和磁力驱动，这种方案减小了机器人的外形尺寸，简化了结构，并且完全消除了摩擦和打滑等问题，但在机器人巡检过程中，会在横向风力作用下产生摆动，导致机器人运行不平稳，为保证机器人巡检过程中保持稳定的姿态，本发明通过控制机器人力矩平衡装置中旋转线圈的电流，使机器人悬臂始终处于稳定的竖直向下状态并能稳定越过各种障碍结构，适应高压线坡度变化，提高机器人的自动化程度。
发明内容
本公开一方面的目的在于提供一种高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，包括：电流传感器，用于检测避障臂内旋转线圈电流大小；倾角传感器，用于检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动角度；加速度传感器，用于检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动加速度；控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器传感器的检测，控制所述旋转线圈电流的大小，进而控制平衡力矩，使机器人处于竖直向下状态。
在上述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，在非越障状态下，所述机器人摆动角度θ时，所述控制器将所述旋转线圈的电流调整为
式(1)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为磁芯的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数。
在上述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，在越障状态下，所述机器人摆动倾斜角度θ时，所述控制器将所述旋转线圈的电流调整为
式(2)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为强导磁材料的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数，m为避障臂的数量，i为越障时处于打开状态的避障臂数量。
在上述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，旋转线圈所在磁芯的内环上对称地设有对中线圈；缆保护套内壁设有相对于磁芯中心成中心对称的测距传感器，用于检测检测高压输电线与线缆保护套内部之间的距离。
本公开另一方面的目的在于提供一种高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，包括以下控制步骤：倾角传感器检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动角度，电流传感器检测避障臂内旋转线圈电流大小，基于所述倾角传感器和电流传感器的检测将旋转线圈的电流调整到使机器人在高压输电线上处于竖直状态时所需的电流值；加速度传感器检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动加速度，基于所述加速度传感器的检测调整旋转线圈的电流，使机器人的摆动加速度为零，达到维持机器人稳定的竖直向下姿态的目的。
在上述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，在非越障状态下，所述机器人摆动角度θ时，将所述旋转线圈的电流调整为
式(3)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为磁芯的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数。
在上述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，在越障状态下，所述机器人摆动倾斜角度θ时，将所述旋转线圈的电流调整为
式(4)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为强导磁材料的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数，m为避障臂的数量，i为越障时处于打开状态的避障臂数量。
在上述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，旋转线圈所在磁芯的内环上对称地设有对中线圈，缆保护套内壁设有相对于磁芯中心成中心对称的测距传感器，基于所述测距传感器的检测调整对中线圈的电流使高压输电线位于线缆保护套中心轴线上。
磁力机器人在横风力的作用下会产生摆动，影响机器人的稳定运行，本公开通过对旋转线圈的电流进行调节，控制平衡横风力矩，保证磁力机器人在巡航过程中处于稳定的姿态。
附图说明
图1为根据本公开的一个实施方式的高压直流输电线磁力机器人结构示意图。
图2为根据本公开的一个实施方式的避障臂打开后的结构示意图。
图3为根据本公开的一个实施方式的旋转线圈的旋转力分析图。
图4为根据本公开的一个实施方式的磁芯的结构示意图。
图5为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人整体摆动受力分析图。
图6为根据本公开的一个实施方式的控制***框图。
图7为根据本公开的一个实施方式的旋转线圈电流的控制电路图。
图8为根据本公开的一个实施方式的高压输电线截面平面内的二维坐标系。
图9为根据本公开的一个实施方式的距离检测传感器分布图。
图10为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人旋转力控制流程图。
图11为根据本公开的一个实施方式的第一避障臂张开时磁力机器人受力分析图。
图12为根据本公开的一个实施方式的第二避障臂张开时磁力机器人受力分析图。
图13为根据本公开的一个实施方式的第三避障臂张开时磁力机器人受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细的说明。
本公开主要针对现有技术中的磁悬浮式磁力驱动机器人在横向风力作用下产生摆动，导致机器人运行不平稳的问题，对机器人中旋转线圈的电流进行控制，进而实现对旋转力的控制，为机器人提供平衡力矩，保证磁力机器人在巡航过程中处于稳定的姿态。
高压直流磁力机器人的旋转力可由安培力提供，根据安培力的公式F＝BIL，当通有电流的导线经过磁场区域时，带电导线会受到安培力的作用。安培力的方向由左手定则判断，即伸开左手，使拇指与其它四指垂直且在同一平面内，让磁感线从手心流入，四指指向电流的方向，大拇指指向就是安培力的方向。安培力大小的计算公式为F＝BIL，其中B表示的为磁场区域的磁场强度，I表示带电导线的电流大小，L表示处于磁场中带电导线的长度。根据右手螺旋定则得到高压输电线周围产生的磁场的方向，即用右手握住高压输电线，右手大拇指指向高压输电线中电流的方向，四指的方向为磁场的方向，规定在平面内，导线中电流的方向垂直平面向外用“·”表示，电流的方向垂直平面向内用“×”表示。
旋转线圈2的结构及其在避障臂的磁芯14上的安装方式可参见公开号CN105006333A，名称为“架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置”的专利申请。图3为磁力机器人在输电线上旋转力分析图，由图可知，旋转力方向始终处于高压输电线1切线方向，根据安培定律可得每根线圈有效长边所受的安培力为F1＝B1I1Lsinθ。强导磁材料的聚磁作用可强化有效长边所在磁场，有效长边所在磁场强度为由于通电线圈与高压线周围的环形磁感应线相互垂直，即θ＝90°，所以线圈的每个有效长边所受的安培力为该条有效长边的磁力矩为M＝F1·l＝uru0I0I1L/2π。由于磁力矩与r1无关，即每条有效长边所受的力矩相等，整个旋转线圈所受的磁力矩为ur为磁芯的相对磁导率，u0为空气磁导率(u0＝4π×10-7H/m)，I1为旋转线圈电流，I0为高压线电流，L为有效长边长度，n为旋转线圈的匝数，r1为有效长边与高压线的距离，即有效长边的分布半径。
磁力机器人在横风力的作用下产生绕高压输电线1的摆动，机器人的整体受力情况如图5所示，为保证机器人悬臂处于竖直向下稳定的姿态，在高压输电线1的截面方向上，应当满足其中M0为平衡力矩，F0为横向的风力，a表示为磁力机器人的底部5到高压输电线1中心的距离，θ为磁力机器人的摆动角度，代入M0得，旋转线圈2中的电流与摆动角度θ的关系式为
机器人共有m个避障臂，机器人进行越障时，避障臂会依次张开，之后再依次闭合，假设机器人越障时，同时打开i个避障臂，此时张开的避障臂中的旋转线圈不再提供旋转力，由剩下的m-i个避障臂提供旋转力矩维持机器人的平衡，则每个避障臂提供的力矩均为每个避障臂中旋转线圈2的电流与倾角θ的关系式为
基于上述对旋转力的分析，一种高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，如图6所示，包括电流传感器6、倾角传感器7、加速度传感器8、直流电源9和控制器11。
电流传感器6检测机器人避障臂内旋转线圈2电流大小。由于机器人一般具有多个避障臂，且每个避障臂内的旋转线圈2的控制相对独立，因此每个旋转线圈2都具有一个电流传感器。如图1所示，磁力机器人具有三个避障臂，因此在旋转力控制***中设置三个电流传感器6，分别为电流传感器A、电流传感器B和电流传感器C。
倾角传感器7实时检测机器人在高压输电线1截面平面内的摆动角度θ，并反馈给控制器11。控制器11通过调节如图7所示的电流控制电路中晶体管的开合程度，对旋转线圈2的电流进行调节，进而实现对旋转力的控制，为机器人提供平衡力矩，将机器人调整到竖直向下状态。在非越障状态下，将旋转线圈2的电流调节到在越障状态下，将旋转线圈2的电流调节到
加速度传感器8实时检测机器人在高压输电线1截面平面内的摆动加速度值，并反馈给控制器11。在高压输电线1的截面平面内，建立如图8的坐标系，以高压输电线1的中心点位原点O，水平向右方向为X轴，垂直X轴方向为Y轴，规定加速度沿X轴方向为正方向。当机器人位于竖直状态，即摆动角度θ为零时，若加速度传感器8检测到机器人具有摆动加速度，由控制器11适当调整旋转线圈2的电流的大小，平衡加速度值，保证加速度值为零，维持机器人稳定向下的竖直姿态。
在如图3、图4所示，磁芯14的内环15上对称地设有对中线圈4，通过调节对中线圈4电流的大小，将高压输电线1调整到线缆保护套3的中心轴线上。为了精确测量高压输电线1在线缆保护套3内的位置，在如图9所示一种实施方式中，线缆保护套3内壁设有相对于磁芯14中心成中心对称的测距传感器13，例如两个测距传感器13对称地安装在线缆保护套3内壁的左侧和右侧。s1为线缆保护套3内壁左侧与高压输电线1之间的距离，s2为保护套3内壁右侧与高压输电线1之间的距离，若s1不等于s2，由控制器11适当调整对中线圈4的电流的大小，保证高压输电线1位于线缆保护套3的中心轴线上，即机器人处于左右对中状态。可以按如下的方式进行调节，当s1＞s2时，当前避障臂的位置偏左，控制器11调节PWM占空比改变类似图7电流控制电路的晶体管的开合程度，减小当前避障臂中对中线圈4中的电流值；当s1＜s2时，当前避障臂的位置偏右，增大当前避障臂中对中线圈4中的电流值，保证机器人处于左右对中状态。每个避障臂中对中线圈4电流值的调节相互独立，因此在每个避障臂内都设有测距传感器13。图1中具有三个避障臂的磁力机器人设有测距传感器A、测距传感器B和测距传感器C。
直流电源9用于给旋转线圈2、对中线圈4及其它直流器件提供电能。
一种高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，如图10所示，包括以下控制步骤：倾角传感器7检测机器人在高压输电线1截面平面内的摆动角度θ，电流传感器6检测避障臂内旋转线圈2电流大小，基于所述倾角传感器7和电流传感器6的检测将旋转线圈4的电流调整到机器人在高压输电线1上处于竖直向下状态时所需的电流值，其中在越障和非越障状态下电流取值可参见上述的旋转力控制***实施例；加速度传感器8检测机器人在高压输电线1截面平面内的摆动加速度值，适当调整旋转线圈2的电流的大小，平衡加速度值，保证加速度值为零，维持机器人稳定向下的竖直姿态；测距传感器13检测位于避障臂的线缆保护套3内的高压输电线1与保护套3中心轴线之间的距离，调整对中线圈4的电流使高压输电线1位于保护套3中心轴线上。
当机器人在高压直流输电线1上穿越障碍物时，避障臂会张开，越过障碍后会再次闭合，每当避障臂张开时会断开该避障臂中旋转线圈2的直流电，此时张开的避障臂中的旋转线圈2不会再受到安培力的作用。其中避障臂的开合方式可采用现有技术，例如可参见公开号CN106505463A，名称为“一种高压直流磁悬浮巡检机器人避障装置”的专利申请。下面以图1所示的具有三个避障臂的磁力机器人为例，对越障过程中旋转力的控制进行详细说明。
下面对图1所示的一种具有三个避障臂的机器人越障时的平衡力矩控制过程进行说明，三个避障臂分别为依次前后顺序设置的第一避障臂10、第二避障臂11和第三避障臂12。
(1)第一避障臂10张开进行越障时，第二避障臂11和第三避障臂12闭合，第一避障臂10旋转线圈2的电流IA1＝0，平衡力矩MA1＝0，为保证机器人处于竖直向下的状态，则应该满足其中，MB1为第二避障臂11提供的平衡力矩，MC1为第三避障臂12提供的平衡力矩，可参见图11。根据安培力公式可知旋转线圈2所受安培力与所通电流成正比关系，旋转线圈2内的电流与倾角θ之间的关系式为其中IB1为第二避障臂11中旋转线圈2内流通的电流，IC1为第三避障臂12中的旋转线圈2内流通的电流。
(2)第一避障臂10越过障碍物后，第一避障臂10再次闭合，第二避障臂11张开进行越障，第三避障臂12闭合，此时第二避障臂11中旋转线圈2的电流IB2＝0，平衡力矩MB2＝0，为保证机器人处于竖直向下的状态，则应该满足其中，MA2为第一避障臂10提供的平衡力矩，MC2为第三避障臂12提供的平衡力矩，可参见图12。旋转线圈2内的电流与倾角θ之间的关系式为其中IA2为第一避障臂10中旋转线圈2内流通的电流，IC2为第三避障臂12中的旋转线圈2内流通的电流。
(3)当第二避障臂11越过障碍物后，第二避障臂11再次闭合，第三避障臂12张开进行越障，第一避障臂10闭合，此时第三避障臂12中旋转线圈2的电流IC3＝0，平衡力矩MC3＝0，为保证机器人处于竖直向下的状态，则应该满足其中，MA3为第一避障臂10提供的平衡力矩，MB3为第二避障臂11提供的平衡力矩，可参见图13。旋转线圈2内的电流与倾角θ之间的关系式为其中IA3为第一避障臂10中旋转线圈2内流通的电流，IB3为第二避障臂11中的旋转线圈2内流通的电流。
当第三避障臂12越过障碍物后会再次闭合，此时机器人完成越障动作，三个避障臂均处于闭合状态。

Claims (8)

1.一种高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，其特征在于，包括：
电流传感器，用于检测避障臂内旋转线圈电流大小；
倾角传感器，用于检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动角度；
加速度传感器，用于检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动加速度；
控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器传感器的检测，控制所述旋转线圈电流的大小，进而控制平衡力矩，使机器人处于竖直向下状态。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，其特征在于，在非越障状态下，所述机器人摆动角度θ时，所述控制器将所述旋转线圈的电流调整为
式(1)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为磁芯的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数。
3.根据权利要求1所述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，其特征在于，在越障状态下，所述机器人摆动倾斜角度θ时，所述控制器将所述旋转线圈的电流调整为
式(2)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为强导磁材料的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数，m为避障臂的数量，i为越障时处于打开状态的避障臂数量。
4.根据权利要求1所述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制***，其特征在于，磁芯的内环上对称地设有对中线圈，缆保护套内壁设有相对于磁芯中心成中心对称的测距传感器。
5.一种高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，其特征在于，包括以下控制步骤：
倾角传感器检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动角度，电流传感器检测避障臂内旋转线圈电流大小，基于所述倾角传感器和电流传感器的检测将旋转线圈的电流调整到使机器人在高压输电线上处于竖直状态时所需的电流值；
加速度传感器检测机器人在高压输电线截面平面内的摆动加速度，基于所述加速度传感器的检测调整旋转线圈的电流，使机器人的摆动加速度为零。
6.根据权利要求5所述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，其特征在于，在非越障状态下，所述机器人摆动角度θ时，将所述旋转线圈的电流调整为
式(3)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为磁芯的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数。
7.根据权利要求5所述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，其特征在于，在越障状态下，所述机器人摆动倾斜角度θ时，将所述旋转线圈的电流调整为
式(4)，中F0为机器人受到的横向风力，a为磁力机器人的底部到高压输电线中心轴线的距离，θ为机器人的摆动角度，ur为强导磁材料的相对磁导率，u0为空气磁导率，I0为高压输电线电流，L为旋转线圈有效边长度，n为旋转线圈的匝数，m为避障臂的数量，i为越障时处于打开状态的避障臂数量。
8.根据权利要求5所述的高压直流输电线磁力机器人旋转力控制方法，其特征在于，磁芯的内环上对称地设有对中线圈，缆保护套内壁设有相对于磁芯中心成中心对称的测距传感器，基于所述测距传感器的检测调整对中线圈的电流使高压输电线位于线缆保护套中心轴线上。
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