CN111740345A - 一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***和方法，***包括蛇形爬线机器人、通信装置和后台控制装置，蛇形爬线机器人包括机器人本体、驱动器、摄像头、光电测距传感器、互感取电单元、智能控制单元和为整个蛇形爬线机器人供电的电源，驱动器、摄像头、光电测距传感器和互感取电单元均连接智能控制单元，智能控制单元通过通信装置连接后台控制装置，机器人本体预先缠绕在待巡检的输电线路中。与现有技术相比，本发明输电线路在线巡检***和方法可跨越障碍物，并将机器人自主行走与后台人工操控相结合，有效填补人工及无人机作业的不足，有效提升巡视质量和巡视频次，提高工作效率。

Description

一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***和方法

技术领域

本发明涉及输电线路巡检领域，尤其是涉及一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***和方法。

背景技术

电能的远距离传输依靠特、超高压输电线路。由于输电线路分布点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，输电线路本体及附属设施长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、电气应力等综合因素的影响，容易出现导线断股、磨损、腐蚀，防震锤移位，玻璃绝缘子自爆，合成绝缘子发热异常等缺陷，必要时须及时修复或更换。另外由于输电线路通道环境较为复杂多变，风筝线、彩钢板、农用遮阳纱等易飘物类一旦缠绕在输电线路上，将导致线路故障跳闸，同时例如线路保护区内各类隐患点使用大型机械，如泵车吊车等，一旦突破安全距离，也会发生线路故障跳闸，直接影响上海主网架输电线路的安全可靠运行。因此，必须对输电线路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路，特别是上海境内的重要输电线路的运行情况和通道环境的变化情况，以便及时发现并消除本体缺陷和通道隐患，预防事故的发生，确保供电安全。

传统的地面人工巡检方法不仅工作量大而且难度突出，特别是过江大跨越段和“三跨”区段的输电线路的巡检，由于地面巡视时，人工视角的限制，较难发现局部的微小的缺陷，特别是细小的经常引起线路跳闸的异物类的风筝线。随着无人机巡线越来越多的得到使用，有效提升了巡线的工效和质量，但无人机巡线也一定程度上存在着不足，主要表现在受高压电磁场干扰大，巡检往往需要靠近高压导、地线，此时会出现遥控操作失灵、图线画面不清晰。另外无人机续航能力不足、受天气环境影响较大、操控存在一定的难度，且操控距离有一定的限制，且无人机受区域限制较大，特别在上海境内，禁飞区较多，广泛适用性存在不足。

国内外在输电线路自动巡检装置方面已经取得了不少成果，但诸多都是停留在理论研究，形成的产品功能较单一，要么只是带电作业，要么只能除冰、除异物。

国外在巡线机器人领域的研究起步较早，1988年，日本东京电力公司Sawada等人研制了光纤复合架空地线(OPGW)巡检移动机器人，并于1989年开发出样机一台，如图1和图2所示。

该装置利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线(OPGW)爬行，能跨越地线上防震锤、螺旋减震器等障碍物。遇到线塔时，该装置采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧，待装置的夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。装置携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线(OPGW)铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。此装置携带的导轨约100kg，装置自身过重，对电池供电也有较高的要求。

加拿大魁北克水电研究院(IREQ-Quebec Research Institute On Electricity)的Serge Montambault等人2000年开始了HQ LineROVer遥控小车的研制工作。HQLineROVer遥控小车如图3所示。遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线和地线更换、导线清污和除冰等带电作业，已在工作电流为800A的315kv电力线上进行了多次现场测试。但HQ LineROVer无越障能力，只能在两线塔间的电力线上工作。

如图4和图5所示，中国科学院沈阳自动化研究所研制出的具有自主知识产权的超高压输电线路巡检机器人并于2006年4月12日与锦州超高压局合作开展了现场带电巡检试验，在其所管辖的500kV超高压输电线(东辽二线)上成功地完成了沿线行走，但没有越障能力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，包括蛇形爬线机器人、通信装置和后台控制装置，所述蛇形爬线机器人包括机器人本体、驱动器、摄像头、光电测距传感器、互感取电单元、智能控制单元和为整个蛇形爬线机器人供电的电源，所述驱动器、摄像头、光电测距传感器和互感取电单元均连接所述智能控制单元，所述智能控制单元通过所述通信装置连接所述后台控制装置，所述机器人本体预先缠绕在待巡检的输电线路中。

进一步地，所述蛇形爬线机器人由多个节单元集成。

进一步地，所述节单元包括节单元主体、节单元驱动微电机和节单元行走轮，所述节单元驱动微电机分别连接所述节单元主体和节单元行走轮，所述节单元驱动微电机连接所述智能控制单元，两个所述节单元间通过关节弹性铰链相连，所述节单元驱动微电机组成所述驱动器。

进一步地，位于所述蛇形爬线机器人的蛇头的节单元包括摄像头、攀爬触手、钩爪旋转微电机和节单元主体，所述节单元主体分别连接所述摄像头和所述钩爪旋转微电机，所述钩爪旋转微电机连接所述攀爬触手，所述摄像头和所述钩爪旋转微电机均连接所述智能控制单元。

进一步地，所述摄像头为二维度旋转摄像头。

进一步地，所述智能控制单元包括微处理器、I/O接口和通信接口，所述微处理器通过所述I/O接口连接所述摄像头，所述微处理器通过所述通信接口连接所述通信装置。

进一步地，所述微处理器为STM32F417系列微处理器。

进一步地，所述机器人本体的头部和尾部均设有所述光电测距传感器。

进一步地，所述蛇形爬线机器人为金属外壳或非金属外壳内夹金属网结构。

进一步地，所述互感取电单元包括互感线圈和自恢复保护电路，所述互感线圈环绕在所述输电线路外侧，所述自恢复保护电路分别连接所述互感线圈和所述智能控制单元。

进一步地，所述自恢复保护电路通过TVS管控制电压。

进一步地，所述蛇形爬线机器人还设有电机保护电路，该电机保护电路分别连接所述驱动器和智能控制单元。

本发明还提供一种如上述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***的输电线路在线巡检方法，包括以下步骤：

开机启动步骤：后台控制装置发出开机控制命令，蛇形爬线机器人接收开机控制命令，沿待巡检的输电线路行走；

图像采集步骤：蛇形爬线机器人通过摄像头实时采集图像，并传输到后台控制装置；

自动越障步骤：蛇形爬线机器人通过光电测距传感器检测障碍物与自身的相对距离，并传输到智能控制单元，智能控制单元通过控制蛇形爬线机器人头部和尾部的驱动器的偏转拍动角度避开障碍物；

后台监控步骤：后台管理人员通过后台控制装置查看线路情况，生成对应的控制命令。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明蛇形爬线机器人，通过互感取电单元，能在输电线路段长期在线运行；通过摄像头、光电测距传感器和智能控制单元，可跨越耐张线夹、直线悬垂串、防震锤、间隔棒等障碍物；通过通信装置和后台控制装置，实现对蛇形爬线机器人的智能控制，将机器人自主行走与后台人工操控相结合，有效填补人工及无人机作业的不足，有效提升巡视质量和巡视频次，提高工作效率，从而产生巨大的经济效益和社会效益。

(2)本发明蛇形爬线机器人采用节模块化设计，对节单元进行集成，提高便捷性，减小了对输电线路安装的影响。

(3)本发明在蛇形爬线机器人的头部和尾部设置的光电测距传感器，能够进行空间位置姿态的灵活调整。

(4)本发明蛇形爬线机器人为金属外壳或非金属外壳内夹金属网结构，对机器人内部设计起到屏蔽作用，避免高压线路强电磁环境影响机器人内部设备正常运行。

(5)本发明在互感取电单元内部设有自恢复保护电路，通过TVS管控制电压，抑制抗浪涌冲击，具有防雷等多级保护，保护互感取电单元的稳定工作。

(6)通过本发明的输电线路在线巡检***，后台工作人员方便对线路情况，进行判断，决定是否对线路实施维护；同时机器人工作状态数据可在后台进行查看，决定是否对机器人的运动给予干预。

附图说明

图1为背景技术中光纤复合架空地线巡检移动机器人的第一示意图；

图2为背景技术中光纤复合架空地线巡检移动机器人的第二示意图；

图3为背景技术中HQ LineROVer遥控小车的示意图；

图4为背景技术中超高压输电线路巡检机器人的第一示意图；

图5为背景技术中超高压输电线路巡检机器人的第二示意图；

图6为本发明具有自动越障功能的输电线路在线巡检***的结构示意图；

图7为本发明蛇形爬线机器人的第一结构示意图；

图8为本发明蛇形爬线机器人的第二结构示意图；

图9为本发明蛇形爬线机器人的工作状态示意图；

图10为本发明智能控制单元的结构示意图；

图11为本发明电机保护电路的示意图；

图中，1、蛇形爬线机器人，11、节单元主体，12、节单元驱动微电机，13、节单元行走轮，14、关节弹性铰链，15、攀爬触手，16、二维度旋转摄像头，17、钩爪旋转微电机，2、通信装置，3、后台控制装置，4、输电线路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，包括蛇形爬线机器人1、通信装置2和后台控制装置3，蛇形爬线机器人1包括机器人本体、驱动器、摄像头、光电测距传感器、互感取电单元、智能控制单元、电机保护电路和为整个蛇形爬线机器人1供电的电源，驱动器、摄像头、光电测距传感器和互感取电单元均连接智能控制单元，电机保护电路分别连接驱动器和智能控制单元，智能控制单元通过通信装置2连接后台控制装置3，机器人本体预先缠绕在待巡检的输电线路4中。

下面对各部件进行详细描述。

1、蛇形爬线机器人1

蛇形爬线机器人1采用蛇形运动机理，由多个节单元集成。节单元包括节单元主体11、节单元驱动微电机12和节单元行走轮13，节单元驱动微电机12分别连接节单元主体11和节单元行走轮13，节单元驱动微电机12连接智能控制单元，两个节单元间通过关节弹性铰链14相连，节单元驱动微电机12组成驱动器。

位于蛇形爬线机器人1的蛇头的节单元包括摄像头、攀爬触手15、钩爪旋转微电机17和节单元主体11，节单元主体11分别连接摄像头和钩爪旋转微电机17，钩爪旋转微电机17连接攀爬触手15，摄像头和钩爪旋转微电机17均连接智能控制单元。摄像头为二维度旋转摄像头16。

机器人本体的头部和尾部均设有光电测距传感器。

为保障巡检机器人采集数据的准确性，提高无线通性的可靠性，蛇形爬线机器人1的防护性能要求达到IP54标准，具备各种环境下野外工作条件，整个机器人采用金属外壳或者非金属外壳内夹金属网形式，对机器人内部设计起到屏蔽作用，避免高压线路强电磁环境影响机器人内部设备正常运行。

从机构运动学角度，蛇形爬线机器人1能实现滚动、蠕动、跨越和避让障碍物，以及首末端执行器具有空间位置调整运动；从运动控制角度，蛇形爬线机器人1的自由度少，且与导线构成等势体；从适用角度，蛇形爬线机器人1具有小巧紧凑、轻质的机械结构，且容易上下线作业和便于携带等。

2、互感取电单元

互感取电单元包括互感线圈和自恢复保护电路，互感线圈环绕在输电线路4外侧，自恢复保护电路分别连接互感线圈和智能控制单元。

机器人互感取电从高压导线上获得电能，互感线圈从导线上取得交变的电压，通过自恢复保护电路控制取电电流，将主回路电流控制在3.0A以下从而保护电路部分能稳定工作在1600A以内。TVS瞬态抑制抗浪涌冲击，选用200V的TVS管将电压钳在200V以内。防雷等多级保护，并由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成开关稳压部分，再经充电管理IC为锂电池进行充电。

电磁铁芯选型，由磁路欧姆定律得出，其计算表达式为：

得出：

得出：

上式中磁路的磁导率μ不是常数(随励磁电流而变)，往往要借助于磁场强度H这个物理量，磁场强度的计算表达式为：

IN＝Hl (2)

铁芯线圈中通入交流电流i时，在铁芯线圈中产生变磁通，其参考方向可用右螺旋定则确定，绝在部分磁通穿过铁芯中闭合，称为主磁通Φ。交变磁通产生电动势，其大小和方向可用法拉第-楞茨电磁感应定律确定。

根据Φ＝BS与式(3)得出。感应电动势U与铁芯截面积成正比。

U≈E＝4.44fNΦ (3)

由(1)(2)式得出已知导线电流I、铁尺寸材质、空气隙长度，就可以计算出感应线圈输出电压U。因μ不是常数(随励磁电流而变)，可通过已知的电流I，与测量的感应电动势U来推算铁芯的尺寸。

3、智能控制单元

智能控制单元包括微处理器、I/O接口和通信接口，微处理器通过I/O接口连接摄像头，微处理器通过通信接口连接通信装置2。

基于低功耗和低成本需求，微处理器为STM32F417系列微处理器。该处理器主频168MHz，在此工作频率下其处理性能可达210MIPS，而功耗仅为38.6mA*3.3V。通过I/0口直接与摄像头相连减少外设，处理器完成图像采、传感器数据采集，电机驱动控制。

如图10所示，本实施例中微处理器通过I/O接口连接有摄像头模组、云台驱动、4G模组、WIFI模块、RJ45接口、SD卡和其它拓展；通过SPI接口连接传感器；通过A/D转换接口连接传感器；通过PWM接口连接驱动器；设有JTAG接口、RTC接口、复位电路和晶振电路。摄像头模组由二维度旋转摄像头16组成，驱动器由节单元驱动微电机12和钩爪旋转微电机17组成，通过I/O接口连接4G模组及WIFI模块实现机器人的远程及本地控制。

4、电机保护电路

电机运行时常见的情况是超出额定负载，电机如果长时间工作在超负荷的情况下，可能会出现各种故障，本实施例设置电机保护电路保护节单元驱动微电机12。

如图11所示，电机保护电路中R3为采样器，MAX4372信号放大器，R4，C2组成RC滤波电路，滤波后的信号ADSI送给处理器进行AD采样，R3的两端分别连接被保护电机电路和接地，R3的两端还分别连接MAX4372信号放大器的两个信号输入端，MAX4372信号放大器的电源端连接有电源电路，该电源电路包括依次连接的接地端、电容C1、3.3V电源和MAX4372信号放大器的电源端，MAX4372信号放大器的输出端和接地端连接RC滤波电路，RC滤波电路包括R4，C2和D1，D1并联在R4和C2两端，R4和C2间连接有ADSI信号输出线，将滤波后的信号ADSI送给处理器。

在实际应用中，为将低R3上的发热，一般提高U1放大倍数，选择较小的采样电阻。为使测量准确，电源的纹波要尽量的小。智能控制单元通过电机保护电路，一旦测量到电机发生电流异常，先要作出预警，同时提高采样速率，进一步的比较判断，如果继续异常，作出报警。报警发生后智能控制单元控制节单元驱动微电机12的运行状态来对节单元驱动微电机12进行保护。

5、通信装置2

通信装置2包括依次连接的主控器和4G/5G通信模组，实现蛇形爬线机器人1与后台控制装置3的通信。

6、后台控制装置3

后台管控***的核心部分包括：组织架构管理、角色管理、权限管理、用户管理、密码策略配置、首页自定义、模块自定义、文档上传、修改密码、视频、图像采集呈现、分屏、存储、调用、分析等。

后台管控软件功能如表1所示。

表1

本实施例还一种上述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***的输电线路在线巡检方法，包括以下步骤：

开机启动步骤：后台控制装置3发出开机控制命令，蛇形爬线机器人1接收开机控制命令，沿待巡检的输电线路4行走；

图像采集步骤：蛇形爬线机器人1通过摄像头实时采集图像，并传输到后台控制装置3；

自动越障步骤：蛇形爬线机器人1通过光电测距传感器检测障碍物与自身的相对距离，并传输到智能控制单元，智能控制单元通过控制蛇形爬线机器人1头部和尾部的驱动器的偏转拍动角度避开障碍物；

具体地，采用传感器自动检测、图像和无线通讯相结合的方式完成蛇形爬线机器人1的导航，蛇形爬线机器人1自主行走与后台人工操控相结合。蛇形巡检机器在行走过程中，遇到典型障碍如防震锤、悬垂线夹、耐张线夹时，通过机器人头、尾部安装的光电测距传感器检测到与自身的相对距离。微处理器控制头、尾部的偏转摆动角度来自动避开障碍物。

后台监控步骤：后台管理人员通过后台控制装置3查看线路情况，生成对应的控制命令。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，包括蛇形爬线机器人(1)、通信装置(2)和后台控制装置(3)，所述蛇形爬线机器人(1)包括机器人本体、驱动器、摄像头、光电测距传感器、互感取电单元、智能控制单元和为整个蛇形爬线机器人(1)供电的电源，所述驱动器、摄像头、光电测距传感器和互感取电单元均连接所述智能控制单元，所述智能控制单元通过所述通信装置(2)连接所述后台控制装置(3)，所述机器人本体预先缠绕在待巡检的输电线路(4)中。

2.根据权利要求1所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，所述蛇形爬线机器人(1)由多个节单元集成。

3.根据权利要求2所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，所述节单元包括节单元主体(11)、节单元驱动微电机(12)和节单元行走轮(13)，所述节单元驱动微电机(12)分别连接所述节单元主体(11)和节单元行走轮(13)，所述节单元驱动微电机(12)连接所述智能控制单元，两个所述节单元间通过关节弹性铰链(14)相连，所述节单元驱动微电机(12)组成所述驱动器。

4.根据权利要求3所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，位于所述蛇形爬线机器人(1)的蛇头的节单元包括摄像头、攀爬触手(15)、钩爪旋转微电机(17)和节单元主体(11)，所述节单元主体(11)分别连接所述摄像头和所述钩爪旋转微电机(17)，所述钩爪旋转微电机(17)连接所述攀爬触手(15)，所述摄像头和所述钩爪旋转微电机(17)均连接所述智能控制单元。

5.根据权利要求1所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，所述智能控制单元包括微处理器、I/O接口和通信接口，所述微处理器通过所述I/O接口连接所述摄像头，所述微处理器通过所述通信接口连接所述通信装置(2)。

6.根据权利要求1所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，所述机器人本体的头部和尾部均设有所述光电测距传感器。

7.根据权利要求1所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，所述蛇形爬线机器人(1)为金属外壳或非金属外壳内夹金属网结构。

8.根据权利要求1所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，所述互感取电单元包括互感线圈和自恢复保护电路，所述互感线圈环绕在所述输电线路(4)外侧，所述自恢复保护电路分别连接所述互感线圈和所述智能控制单元。

9.根据权利要求1所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***，其特征在于，所述蛇形爬线机器人(1)还设有电机保护电路，该电机保护电路分别连接所述驱动器和智能控制单元。

10.一种如权利要求1所述的一种具有自动越障功能的输电线路在线巡检***的输电线路在线巡检方法，其特征在于，包括以下步骤：

开机启动步骤：后台控制装置(3)发出开机控制命令，蛇形爬线机器人(1)接收开机控制命令，沿待巡检的输电线路(4)行走；

图像采集步骤：蛇形爬线机器人(1)通过摄像头实时采集图像，并传输到后台控制装置(3)；

自动越障步骤：蛇形爬线机器人(1)通过光电测距传感器检测障碍物与自身的相对距离，并传输到智能控制单元，智能控制单元通过控制蛇形爬线机器人(1)头部和尾部的驱动器的偏转拍动角度避开障碍物；

后台监控步骤：后台管理人员通过后台控制装置(3)查看线路情况，生成对应的控制命令。

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