歐發(fā)斌　廖偉寧　何邦權(quán)　張國永

摘 要：以輸電線路巡線清障裝置為研究對象，采用了線上雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計，以人工可操控的圓形鋸盤清理障礙物。給出了該裝置在驅(qū)動機構(gòu)和清障機構(gòu)方面的硬件設(shè)計概況，并給出了清障車驅(qū)動機構(gòu)電路結(jié)構(gòu)和輔助輪驅(qū)動驅(qū)動電路，以及電機選型等細節(jié)。研究結(jié)論可為類似裝置的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：輸電線路；清障裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TB 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3198（2015）14-0210-02

1 概述

輸電線路巡線機器人是當(dāng)前輸電線路運行維護中的重要工具，同時智能化巡線機器人也是一個非常復(fù)雜的問題，涉及到多個領(lǐng)域，如機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計等多個方面，國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段。國外在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始這個方面的研究，如東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線巡檢移動機器人，美國TRC公司研制的懸臂自治巡檢機器人的樣機系統(tǒng)，加拿大魁北克水電研究院的研究人員開發(fā)的HQ Line Rover遙控小車等。國內(nèi)在這個方面的研究起步要晚得多，水平也相對落后。武漢大學(xué)研制的“220kV單分裂相線巡線機器人”、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的“500kV地線巡檢機器人”、中科院自動化所研制的“110kV輸電線路巡檢機器人”等的樣機在地面已經(jīng)取得了成功，但在自主跨越障礙等方面仍然存在困難，這也是當(dāng)前巡線機器人方面的主要困難之一。因此本文從實用的角度出發(fā)，設(shè)計一種具有線上行走功能，以地面遙控操作為主的巡線清障車裝置，用于輸電線路巡線清障需要。限于篇幅，本文中僅對該巡線清障車裝置的機械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計展開探討。

2 設(shè)計任務(wù)

本文中研究的巡線清障車裝置適用于輸電線路檔距中間漂浮異物帶電消除，將清障車掛于導(dǎo)線上通過地面遠程遙控裝置對該裝置進行操控，代替線路運行人員對導(dǎo)線異物進行帶電消除，并對探視圖像進行分析和判斷，及時對線路進行探傷并完成異物消除工作，成果的實施可解決輸電線路檔距中間漂浮異物無法帶電消除的問題，大幅提高線路清障的效率，全面提高線路的可靠性和安全穩(wěn)定性。

由上述設(shè)計任務(wù)可見，其主要實施途徑包括三個主要方面，一是清障車的線上行走能力，二是圖像實時采集和傳輸能力，三是對輸電線路檔距中間漂浮異物的清理能力。由于本文主要討論的是機械結(jié)構(gòu)方面，因此主要探討滿足清障車線上行走能力和對輸電線路檔距中間漂浮異物的清理能力兩個方面的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 清障車驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

3.1 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計要求

清障車驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計要求主要包括以下幾個方面：（1）從實用的角度要求機構(gòu)小巧、緊湊、輕質(zhì)，便于攜帶及上下線操作；在故障情況下，防止除異物清障車摔落。（2）從運動控制的角度要求機構(gòu)的自由度盡量少，能實現(xiàn)解耦控制，并且具有符合要求的控制精度。（3）具有三個速度等級和前進、后退兩個方向功能，線上清障車采用雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得上線更為容易，同時配合大摩擦系數(shù)的行走輪及大轉(zhuǎn)矩電機，使車體具備一定的爬坡和制動能力。（4）在輸電線路帶電運行情況下對輸電線路進行檢測，抗電磁干擾能力強、傳輸距離遠。（5）設(shè)備體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、功能齊全、操作方便、安全可靠，特別適應(yīng)于除異物應(yīng)用。

在上述各設(shè)計要求中，重點是兩個方面，一是驅(qū)動機構(gòu)，二是抗干擾機構(gòu)。前者主要是滿足在巡線裝置的在線上各種活動需要，后者則是考慮在遙控條件下，裝置本身的低壓直流電源容易受到高壓輸電線路干擾，可能造成誤操作?，F(xiàn)分別對上述兩個方面做相應(yīng)設(shè)計。

3.2 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

在本裝置的驅(qū)動機構(gòu)方面，由于是采用雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計，故將其中一輪作為主動輪，另一輪為輔助輪。對于主動輪的控制采用三級速度控制，而對于輔助輪則只需具備啟停功能。對于主動輪，采用電機驅(qū)動芯片和無刷直流電機組成主動輪的驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)，對于輔助輪，則采用繼電器加直流低速電機組成的驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)。主動輪和輔助輪在控制上的原理相同，如圖1所示。

上述各類機構(gòu)中，主動輪的電機是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，為了滿足設(shè)計要求，主動輪驅(qū)動器采用東菱電機公司生產(chǎn)無刷直流電機D120TYD-D CR 60M-30WG，該電機功率4W-900W。主動輪功率驅(qū)動器采用國際整流器公司的IR2130專用芯片，具有完善的自我保護功能、抗干擾能力強等特點。在主動輪控制方面，采用雙閉環(huán)控制的控制策略對主動輪的無刷直流電機進行控制。

對于輔助輪的電機選型，由于其要求相對不高，故采用啟動轉(zhuǎn)矩大的直流電動機，同時可減少驅(qū)動輔助電路的設(shè)計復(fù)雜程度，對于輔助輪的控制采用開環(huán)控制，以繼電器的方式實現(xiàn)。繼電器對輔助輪的驅(qū)動控制示意圖如圖2所示。

在電源方面，為了滿足大功率和穩(wěn)定性的要求，采用聚合物鋰電池組作為供電電源。為了避免干擾，在設(shè)計電源供電模塊時，采用分別在用戶板上設(shè)計電源供電模塊的方式，避免集中供電帶來的干擾。

減速箱選型方面，考慮電機的輸出額定轉(zhuǎn)矩，電機的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、減速比等因素，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)上的渦輪渦桿和各個關(guān)節(jié)不同的負載需求，計算得到需要的電機和相配的不同的減速齒輪箱，限于篇幅在此不再贅述。

4 清障機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，本文中設(shè)計的清障裝置為采取高速直流電機帶動圓鋸片，利用高速轉(zhuǎn)動將異物打碎，同時增加鋸齒功能，擴大使用范圍，采用遠程遙控控制方 式，對裝置在導(dǎo)線上進行的前進、后退、切割等操作進行控制，滿足操作的微小服務(wù)要求，設(shè)計采用電子調(diào)速模塊控制，實現(xiàn)對小型圓盤鋸的控制。

在圓形鋸盤的電機驅(qū)動方面，由于需要清理的障礙物可能具有多種類型，因此圓形鋸盤應(yīng)具有很好的調(diào)速特性和寬廣的調(diào)速范圍，在這種情況下，采用直流電機是較好的選擇。本設(shè)計中以直流電機驅(qū)動圓形鋸盤，選擇型號的maxon RE36石墨電刷直流電機，齒輪箱減速比33∶1，從而為圓形鋸盤的轉(zhuǎn)速操控等留下足夠的操作空間。在驅(qū)動電路方面，圓形鋸盤的驅(qū)動電路采用H橋方式，H橋器件選用LMD1 8200芯片。該芯片是專用于直流電機驅(qū)動的高性能芯片，具有CMOS控制電路和DMOS功率器件。通過借助主處理器、增量型編碼器等設(shè)備，可形成專用于圓形鋸盤控制的電子調(diào)速模塊，為圓形鋸盤的操控提供足夠的操作精度支撐，滿足操作的微小服務(wù)要求。

5 結(jié)語

輸電線路巡線清障裝置是當(dāng)前輸電線路維護中的重要工具，也是研究熱點。由于具有高度智能化的巡線清障機器人的研制面臨實用性方面的困難，本文中設(shè)計了以人工操控為主的線上遙控清障裝置，可滿足線上行走和清障需求。該裝置可滿足當(dāng)前的清障需求，但作為未來的研究方向，還應(yīng)進一步研究機器人的自主跨越障礙方面的研究，這要求進一步改進機器的行走機構(gòu)，使之具備一定的跨越障礙方面的自主能力，這也是當(dāng)前巡線機器人研究的熱點。作者將在當(dāng)前研究基礎(chǔ)上，未來將進一步改進其行走輪設(shè)計，提高機器的智能化水平。

參考文獻

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