CN110466760B - 一种电力巡检无人机用辅助机械臂及其控制*** - Google Patents

Abstract

一种电力巡检无人机用辅助机械臂及其控制***，包括绝缘环氧树脂制成的无人机底板，无人机底板下方铰装连接有翻转横梁，该翻转横梁的内部绝缘并转动连接转臂；无人机底板的底部固装有为翻转横梁及转臂提供翻转动力的第一舵机；翻转横梁的一端固装有为转臂提供旋转动力的第二舵机。该辅助机械臂及其控制***，为电力巡检无人机提供了多种检测设备的搭载平台，有效提升了无人机在电力巡检作业中的功能性，并且充分考虑了无人机机身防护，无人机接触带电部位对飞机的影响等，并同时通过综合通信、自动控制、绝缘技术等多个技术领域，完成辅助人工或替代人工进行架空输电线路检修作业。

Description

一种电力巡检无人机用辅助机械臂及其控制***

技术领域

本发明涉及电力巡检技术领域，涉及电力巡检无人机，尤其是一种电力巡检无人机用辅助机械臂及其控制***。

背景技术

在电力***中，高压架空输电线路是地区电力输送的主动脉，高压架空线路检修是保障高压输电网络安全运行的基本技术保证。高压架空输电线路的检修工作用来保障电网的安全、稳定、高效运行，但输电线路设备长期暴露在户外，导线、避雷线、绝缘子、金具在长时间运行后，由于各种因素的长期作用，产生倒塔、磨损、断股、锈蚀、过热等情况，绝缘子还存在被雷击损坏、树枝引起高压放电以及绝缘老化、异物覆盖而导致输电线路事故，杆塔存在被偷盗等意外情况，必须及时发现并处理这些情况。

无人机已成为不可或缺的线路巡检手段，无人机电力巡检技术融合了多个尖端学科，涵盖了包括航空、通信、图像识别等技术领域，可以搭载光学相机、红外热成像、紫外成像以及激光雷达等一系列的平台进行对架空输电线路杆塔进行巡视。

但是无人机在检修领域尚在起步，并且无法单独依靠无人机实施电力巡检的许多接触式工作，即除去远程观测外，无法进行高压线路上的异物清理，传统依靠人工杆塔检修的作业方式，检修工作消耗体力大、存在高空坠落风险，大量检修工作需要停电进行、带电检修危险性大，威胁检修人员生命安全，同时复杂的地理环境导致一些作业方式无法开展、传统人工检修方式消耗了大量的人力和物力，同时整体效率不高。

经对公开专利进行检索，发现与本技术方案最相关的如下专利文献：

公开号为CN208915446U的中国专利文献《一种电力架空线路消缺无人机机体》，主要介绍了一种采用遥控控制对的无人机机体，装置能够快速准确消除电力传输线路缺陷，确保线路安全稳定运行。但装置本身只有清除异物功能，不具备巡检验电与零值检测能力。同时，该装置底板、立柱、机架和电机支座均采用镂空碳纤维板制成，在未做绝缘处理的情况下，机体极易被高压击穿。

公开号为CN109941436A的中国专利文献《一种可带电作业检修电力线路故障的无人机》，通过采用多点位图像采集、3D可视化多维度控制与GPS和北斗定位等多个***，实现地面人员对无人机飞行和线路故障消除机械臂的精确控制，对电力线路设备故障进行快速巡检、准确定位，但装置仍不具备验电与零值检测功能。同时***包含的可利用电力线路周围电磁场进行无线充电的电源装置也可能对无人机本身电路产生影响。

公开号为CN109270329A的中国专利文献《一种基于无人机的接触式验电***及其工作方法》，整合了无人机技术与传统验电***，通过传感器对接触式验电器进行信号采集并运用无线传输技术将信号传输至地面工作人员，检修人员可在地操控无人机，减少验电耗时，但***本身没有异物清除与零值检测功能。同时，装置在光声信号采集板、ARM微控制器的电磁干扰抑制设计方面存在明显不足。

通过对上述公开专利文献的对比分析，申请人认为，本申请在机械臂绝缘处理、机械臂活动姿态及结构等方面与现有技术存在较大差异，经分析上述专利不影响本申请的新颖性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种电力巡检无人机用辅助机械臂及其控制***，该无人机用辅助机械臂为电力巡检无人机提供了多种检测设备的搭载平台，有效提升了无人机在电力巡检作业中的功能性，并且充分考虑了无人机机身防护，无人机接触带电部位对飞机的影响等，并同时通过综合通信、自动控制、绝缘技术等多个技术领域，完成辅助人工或替代人工进行架空输电线路检修作业。

一种电力巡检无人机用辅助机械臂，包括绝缘环氧树脂制成的无人机底板，无人机底板下方铰装连接有翻转横梁，该翻转横梁的内部绝缘并转动连接转臂；无人机底板的底部固装有为翻转横梁及转臂提供翻转动力的第一舵机；翻转横梁的一端固装有为转臂提供旋转动力的第二舵机。

而且，无人机底板的底部固装有第一固定板及第二固定板，其中第一固定板上固装第一舵机；第一舵机的输出轴沿水平方向穿透第一固定板、翻转横梁及第二固定板，其中翻转横梁与第一舵机的输出轴周向固定连接，第二固定板及第一固定板均与第一舵机的输出轴周向转动连接。

而且，翻转横梁的底部依次同轴并间距可调连接有第一支架、第二支架及第三支架，其中第一支架的中部固装第二舵机，且第一支架的顶部固定叠放有多个制有散热孔的绝缘配重片；第二支架及第三支架的内部均嵌装有金属轴承，该金属轴承的外部包覆有绝缘套，且金属轴承的中部穿透并转动连接转臂。

而且，转臂的一端与第二舵机的输出轴同轴固定连接，转臂的另一端通过绝缘螺栓连接机械爪、伸缩验电笔以及零值检测仪。

而且，第一支架、第二支架及第三支架均由绝缘的环氧树脂制成，其中第二支架及第三支架内部均喷涂有绝缘漆层，该绝缘漆层内壁与绝缘套外壁间隙配合连接。

一种电力巡检无人机用辅助机械臂的控制***，包括为控制***供电的电源，还包括安装在无人机上的控制器、第一舵机、第二舵机、无线接收模块、图像实时传输模块及电源管理模块，其中控制器与地面基站远程信号连接，且控制器通过无线接收模块远程信号连接电源管理模块、图像实时传输模块、第一舵机及第二舵机，由控制器控制无人机飞行、接收及发射图像实时传输模块传回的图像信息、以及第一舵机和第二舵机运行。

而且，无线接收模块还用于控制器与地面基站之间的控制命令和信息的交互。

本发明的优点和技术效果是：

本发明的一种电力巡检无人机用辅助机械臂，通过绝缘环氧树脂制成的无人机底板，将机械臂与各种型号的电力巡检无人机绝缘连接；通过机械臂内的翻转横梁，实现机械臂在无人机作业方向的进行上、下翻转运动；由第一舵机带动翻转横梁翻转运动，由第二舵机带动转臂旋转运动。

本发明的一种电力巡检无人机用辅助机械臂，由第一固定板及第二固定板提供机械臂的支撑，其中第一固定板固定第一舵机，并且通过第一固定板及第二固定板铰接翻转横梁。

本发明的一种电力巡检无人机用辅助机械臂，通过第一支架固定第二舵机，并且为翻转横梁提供配重；通过第二支架及第三支架转动并绝缘支撑转臂，并且由第二舵机带动转臂在翻转横梁内部进行旋转运动。

本发明的一种电力巡检无人机用辅助机械臂，通过在转臂端部绝缘连接机械爪、伸缩验电笔以及零值检测仪，替代人工完成电力巡检中验电、零值检测、异物清除等工作；由第二支架及第三支架内部均喷涂的绝缘漆层，以及金属轴承外包覆的绝缘套，进一步实现转轴与第二支架及第三支架的绝缘连接。

本发明的一种电力巡检无人机用辅助机械臂的控制***，采用具有测距功能的图像实时传输模块，使无人机能够有效且及时的测出机体离杆塔和电线的距离并且安全的接近目标，同时通过极低延时传输技术、低畸图像技术，保障无人机的图传的速度及质量，方便工作人员远距离操控无人机，在保障架空电力线路与无人机的安全下，进行接近和接触架空输电线路导线、绝缘子操作机械臂进行带电验电、零值检测、异物清除操作。

本发明的一种电力巡检无人机用辅助机械臂及其控制***，解决了采用无人机实施电力巡检工作中，无法进行多种接触式检测或异物清除作业等问题，并且无需停电作业，安全性高，尤其适用于复杂的地理环境及检测人员无法靠近检查的工况，节省了大量的人力物力，大大提升了电力巡检效率及精度，是一种具有较高创造性的电力巡检无人机用辅助机械臂及其控制***。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为图1的侧视图；

图3为图2中A-A截面的剖视图；

图4为本发明第一支架的正视图；

图5为本发明第二支架的正视图；

图中：1-第一支架；2-第二支架；3-翻转横梁；4-转臂；5-无人机底板；6-第三支架；7-机械爪；8-第二固定板；9-第一固定板；10-第一舵机；11-第二舵机；12-绝缘配重片；13-散热孔；14-绝缘漆层；15-绝缘套；16-金属轴承。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

一种电力巡检无人机用辅助机械臂，包括绝缘环氧树脂制成的无人机底板5，无人机底板下方铰装连接有翻转横梁3，该翻转横梁的内部绝缘并转动连接转臂4；无人机底板的底部固装有为翻转横梁及转臂提供翻转动力的第一舵机10；翻转横梁的一端固装有为转臂提供旋转动力的第二舵机11。

而且，无人机底板的底部固装有第一固定板9及第二固定板8，其中第一固定板上固装第一舵机；第一舵机的输出轴沿水平方向穿透第一固定板、翻转横梁及第二固定板，其中翻转横梁与第一舵机的输出轴周向固定连接，第二固定板及第一固定板均与第一舵机的输出轴周向转动连接。

而且，翻转横梁的底部依次同轴并间距可调连接有第一支架1、第二支架2及第三支架6，其中第一支架的中部固装第二舵机，且第一支架的顶部固定叠放有多个制有散热孔13的绝缘配重片12；第二支架及第三支架的内部均嵌装有金属轴承16，该金属轴承的外部包覆有绝缘套15，且金属轴承的中部穿透并转动连接转臂。

而且，转臂的一端与第二舵机的输出轴同轴固定连接，转臂的另一端通过绝缘螺栓连接机械爪7、伸缩验电笔以及零值检测仪。

而且，第一支架、第二支架及第三支架均由绝缘的环氧树脂制成，其中第二支架及第三支架内部均喷涂有绝缘漆层14，该绝缘漆层内壁与绝缘套外壁间隙配合连接。

一种电力巡检无人机用辅助机械臂的控制***，包括为控制***供电的电源，还包括安装在无人机上的控制器、第一舵机、第二舵机、无线接收模块、图像实时传输模块及电源管理模块，其中控制器与地面基站远程信号连接，且控制器通过无线接收模块远程信号连接电源管理模块、图像实时传输模块、第一舵机及第二舵机，由控制器控制无人机飞行、接收及发射图像实时传输模块传回的图像信息、以及第一舵机和第二舵机运行。

而且，无线接收模块还用于控制器与地面基站之间的控制命令和信息的交互。

另外，本发明优选的机械爪、伸缩验电笔、零值检测仪、第一舵机及第二舵机均采用现有技术中的成熟产品。

另外，本发明优选的，可根据实际工况需要，采用绝缘螺栓选择性连接连接机械爪、伸缩验电笔或零值检测仪。除了可以实现可接触作业外，还能实现对电力高塔的常规数据检查。

另外，本发明优选的，本发明所采用的环氧树脂为高耐压材料，其具有每毫米10kV的耐压值，能够保证机械臂工作于35kV的高压环境。

为更清楚的说明本发明的具体实施方式，下面提供一种实例：

本发明的一种电力巡检无人机用辅助机械臂的控制***的控制方法中，零值检测与验电均需手动进行操作，操作者根据图像实时传输模块传递回来的的深度图像，进行对准操作完成测试。

另外本发明的异物清除方法的具体步骤如下：

步骤(1)：启动，控制***初始化；

步骤(2)：无人机相关参数设定，该参数包括无人机位姿PID控制器参数、机体飞行步进值、图传相机对焦时间、两个个伺服舵机转速与转角步进值、电源电量报警值等；

步骤(3)：判断控制指令是手动还是自动(即是异物清除作业还是验电零值检测作业)，如果选择为手动，则进入远程无线控制状态，结束；如果选择为自动，则转入步骤(4)；

步骤(4)：根据步骤(2)的预设参数进行步进自动识别；

步骤(5)：自动巡检过程中，无人机总控部分对比多个方位状态下的高压输电线路，通过识别图像实时传输模块生成的深度图，自动识别高压线路异物，并经由检测警报模块向基站发送异物信息，最后进行异物拖拽清除；

步骤(6)：结束。

本发明主要采用以下手段保证电力巡检无人机接触式检测的安全作业：

一、机械臂绝缘处理：为保障无人机近导线作业时，机械臂在接触导线瞬间不会产生过大的电流对无人机的电路和通信造成损害，故机械臂采取绝缘操作，选用合理的、耐压值高的环氧树脂材料对机械臂进行加工。同时，本设备中与导线等电位接触的机械操纵装置能够独立进行通讯、供电，材料同上。

二、无人机电磁干扰抑制设计：为防止接触作业时，高强度的电磁场对无人机电路***的电子元器件造成损坏，需对无人机电子***主要部分进行屏蔽处理。同时为确保电路不受损伤，还在屏蔽的基础上再做均压和滤波处理。装置屏蔽部位主要包括：源屏蔽、印制板屏蔽、电缆屏蔽、通风口屏蔽、导电玻璃屏蔽、导电光缆屏蔽、导电胶和导电带屏蔽；为保证无人机的稳定姿态飞行，在技术层面上采用自适应手段[实时动态载波相位差分技术，又称RTK(Real Time Kinematic)技术]避免高强度电磁场干扰。

三、无人机通信***抗电磁干扰设计：高强度电磁场会对无人机的接收机、GPS和磁罗盘产生影响，为保障无人机与地面端的正常通信，保证无人机的稳定姿态飞行，需要在地面端的地面站遥控***和天空端的接收机之间加设信号中继(地面基站等)，使信号能够得到放大；并且在技术层面上采用自适应手段抑制高强度电磁场干扰，使无人机的通信***的信号能够在空间、频率和功率上适应高强度电磁场，以此达到双重的抗电磁干扰的效果。

四、无人机位姿控制器设计与选择：除去无人机所搭载机械臂运动带来的扰动外，还有外界因素干扰带来的外部扰动，如自然风对无人机***位姿的扰动和作业过程产生的反作用力等。所以还需要建立控制器来消除外部扰动。本装置位姿控制器采用PID控制器，无人机在进行悬停作业任务的同时，其内部的位姿检测单元会将及此时的飞行数据实时传输到控制器中，控制器通过计算期望目标信号和实际输出信号的误差，实时修正控制器内的参数，从而减小误差，让无人机保持悬停状态，保证检修作业的完成。

五、极低延时传输技术、低畸传输技术：针对一般无人机测距精度低、图传设备延迟高和成像易畸变的问题，提出高精度传感器精确测距方法和极低延迟低畸传高清图传设备的无人机可视化测距***。建立双目测距子***进行物距测量，利用两个平行的摄像头进行拍摄，然后根据两幅图像之间的差异(视差)，利用三角测量得到深度信息，当数据足够时还能生成深度图。

六、***参考点位选择：为了实现无人机机械臂***作业中的零值检测功能，要通过在***中设立参考点位点来完成，设计在无人机***电路板上设立参考电位点最为合理，该功能易实现且相对稳定。

七、可拆卸作业终端：通过设计通用型接口(转臂自由端的接头)，可以快速更换不同用途的作业终端，可以在一个机械臂上完成零值检测、抓取异物、验电以及后续其它类型的检修作业。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种电力巡检无人机用辅助机械臂，包括绝缘环氧树脂制成的无人机底板，其特征在于：所述无人机底板下方铰装连接有翻转横梁，该翻转横梁的内部绝缘并转动连接转臂；所述无人机底板的底部固装有为翻转横梁及转臂提供翻转动力的第一舵机；所述翻转横梁的一端固装有为转臂提供旋转动力的第二舵机；所述无人机底板的底部固装有第一固定板及第二固定板，其中第一固定板上固装第一舵机；所述第一舵机的输出轴沿水平方向穿透第一固定板、翻转横梁及第二固定板，其中翻转横梁与第一舵机的输出轴周向固定连接，第二固定板及第一固定板均与第一舵机的输出轴周向转动连接；所述翻转横梁的底部依次同轴并间距可调连接有第一支架、第二支架及第三支架，其中第一支架的中部固装第二舵机，且第一支架的顶部固定叠放有多个制有散热孔的绝缘配重片；所述第二支架及第三支架的内部均嵌装有金属轴承，该金属轴承的外部包覆有绝缘套，且金属轴承的中部穿透并转动连接转臂；

所述转臂的一端与第二舵机的输出轴同轴固定连接，转臂的另一端通过绝缘螺栓连接机械爪、伸缩验电笔以及零值检测仪；

所述第一支架、第二支架及第三支架均由绝缘的环氧树脂制成，其中第二支架及第三支架内部均喷涂有绝缘漆层，该绝缘漆层内壁与绝缘套外壁间隙配合连接。

2.一种如权利要求1所述的电力巡检无人机用辅助机械臂的控制***，包括为所述控制***供电的电源，其特征在于：还包括安装在无人机上的控制器、第一舵机、第二舵机、无线接收模块、图像实时传输模块及电源管理模块，其中控制器与地面基站远程信号连接，且控制器通过无线接收模块远程信号连接电源管理模块、图像实时传输模块、第一舵机及第二舵机，由控制器控制无人机飞行、接收及发射图像实时传输模块传回的图像信息、以及第一舵机和第二舵机运行。

3.根据权利要求2所述的一种电力巡检无人机用辅助机械臂的控制***，其特征在于：所述无线接收模块还用于控制器与地面基站之间的控制命令和信息的交互。

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