張樹立++楊天順++陳運正++馬曉歡

[摘 要]隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鄉(xiāng)建設(shè)速度的加快，架空輸電線路所處的地理環(huán)境發(fā)生了很大的變化，原本偏僻的曠野和農(nóng)田現(xiàn)在變成了居民區(qū)和開發(fā)區(qū)，人類活動的增多加大了架空輸電線路發(fā)生事故的隱患，如春秋季風(fēng)把風(fēng)箏、地膜等異物刮落并纏繞在導(dǎo)地線活桿塔上，如果不及時清理可能引發(fā)架空輸電線路的跳閘故障?；诖?，本文研究并設(shè)計了一種定點巡視與帶電清理平臺，可以利用機械臂、無人機等進行導(dǎo)地線異物的帶電清理，對于確保架空輸電線路的供電可靠性具有重要的現(xiàn)實意義。

[關(guān)鍵詞]定點巡視；帶電清理；無人機；機械臂；航拍攝像機

中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0092-01

1 問題提出

以往架空輸電線路上纏繞異物的清理，主要有如下兩種方式：

第一種是停電處理，即對于已經(jīng)跳閘線路和垂直排列的導(dǎo)線等帶電處理安全距離不夠的情況，采用停電后由人工進行登塔處理。

第二種是帶電處理，比較常見的有懸掛軟梯處理法和穿全套屏蔽服處理法，前者是在纏繞異物的導(dǎo)地線上安裝絕緣軟梯，然后由等電位作業(yè)人員攀登軟梯進入電場進行異物處理；后者是等電位作業(yè)人員采用吊籃法、載人旋轉(zhuǎn)式平梯法直接沿耐張絕緣子串進入強電場，然后清理纏繞異物。

上述兩種方式都存在很大的不足之處，如停電處理不僅會影響用戶的正常用電，而且受到停電時間和運行方式的限制，因此并不適宜大面積使用；帶電處理存在一定的安全隱患，使用流程也比較繁瑣?；诖耍绾螛?gòu)建一種安全、高效且適宜大范圍使用的定點巡視與帶電清理平臺就迫在眉睫了。

2 定點巡視與帶電清理平臺的設(shè)計

2.1 總體思路

本文所設(shè)計的定點巡視與帶電清理平臺，將在多旋翼無人機上安裝機械臂、航拍攝像機及適用的鉤子等部件，針對架空線路上的風(fēng)箏、包裝帶等異物，利用無人機帶電進入現(xiàn)場、帶電消除的方法與措施，來降低勞動強度，提高異物清理的安全性。

2.2 多旋翼無人機

根據(jù)無人機的結(jié)構(gòu)，可將其分為如下三類：（1）固定翼無人機，其飛行速度可達到100～200km/h，并且持續(xù)時間長，適合進行大范圍、大面積及長距離巡檢，但不能懸停，只能沿線路進行單方向快速巡檢；（2）無人直升機，其能夠定點起飛、降落及固定懸停，飛行速度多在100km/h以內(nèi)，但續(xù)航時間較短，不適宜長距離巡線；（3）多旋翼無人機，其體積小且巡線時不會占用航道，可快速充電來保障持續(xù)飛行，具有車載大范圍機動和個人攜帶能力，可實行高精度控制來獲取目標(biāo)高清圖像。

無人機的價格比較高，固定翼無人機和無人機直升機的價格都是百萬以上，性能較的甚至超過了千萬。這樣的成本對于一般的電力部門是難以承受的，而且現(xiàn)階段超長距離的整體巡線頻率也不高，因此價格便宜而且巡線方式靈活的多旋翼無人機是現(xiàn)階段最容易得到推廣的機型，故本文最終選擇了多旋翼無人機，如圖1所示。

2.2 航拍攝像機

以往輸電線路巡線多采用目測法，即在視距中用人眼直接觀測或用望遠(yuǎn)鏡對導(dǎo)線等進行觀測，沿著輸電線路走，這種方法簡單易行，但是實際應(yīng)用中，由于受地理、氣候等條件的限制，有很多的地方不能觀測到或無法準(zhǔn)確的觀測，因此通常只有輸電線路破損部分狀況嚴(yán)重時才能被發(fā)現(xiàn)。

針對目測法的缺陷，本文采用在多旋翼無人機安裝航拍攝像機（由高清攝像機及自動云臺組成）的方式，來對輸電線路及相關(guān)設(shè)施（輸電線、架空地線、金具、絕緣子、桿塔等）的狀況進行檢測，例如利用航拍攝像機所拍攝的輸電線路圖像，工作人員可以通過肉眼識別出圖像中的異?，F(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)輸電線路上有風(fēng)箏等異物，就可以通過操作機械臂及鉤子來進行清除。

2.3 機械臂

作為一款多功能異物消除裝置，為完成抓取風(fēng)箏、包裝袋等異物的任務(wù)，本裝置必須能夠靈活地到指定目標(biāo)位置進行異物抓取，能夠方便地伸長、旋轉(zhuǎn)到不同的姿態(tài)，如果自由度太小將大大限制機械臂的工作空間而無法抓取目標(biāo)物?？紤]到有時目標(biāo)物可能置于不利空間中，還應(yīng)該使機械手能夠有效達到避障的目的。

考慮到上述因素，本裝置的機械臂具有3個自由度（手部、臂部和肩部），圖2為機械臂的具體結(jié)構(gòu)，其的相關(guān)參數(shù)如下：大臂380mm、小臂420m、手爪160mm，折疊時總長≤650mm，單臂桿轉(zhuǎn)動范圍為150°，旋動速度0.5rad/s， 抓取重量為3kg，抓取對象為直徑40mm、長度360mm的圓柱體。機械臂設(shè)計中，繞水平軸旋轉(zhuǎn)的自由度肩部使用了蝸輪蝸桿副，臂部使用了圓錐齒輪傳動，手部使用了直齒圓柱齒輪及左右螺旋的形式傳動。

機械臂的硬件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用了模塊的設(shè)計思想（如圖3），模塊1為基于運動控制卡的平臺驅(qū)動模塊；模塊2為基于運動控制卡的機械臂模塊；模塊3為包含圖像采集卡的視覺模塊；模塊4為基于單片機的超聲和接觸傳感器處理模塊。

上述結(jié)構(gòu)中，模塊1實現(xiàn)平臺的轉(zhuǎn)動；模塊2實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動；模塊3實現(xiàn)利用圖像采集卡將攝像頭傳入的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號，同時通過RS232串口同主控計算機連接，提供當(dāng)前的路徑情況。以上3個模塊都通過PCI總線擴展槽和主控計算機進行通訊。傳感器處理模塊利用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對各個傳感器的數(shù)據(jù)采集，然后利用平臺運動控制卡的I/O接口和主控計算機相連。主控計算機完成各個部件模塊的數(shù)據(jù)處理和計算任務(wù)，顯示器是監(jiān)控人員和的交互界面。

3 結(jié)語

采用本文所設(shè)計的定點巡視與帶電清理平臺來去除架空線路上的風(fēng)箏、塑料包裝等異物時不用停電，人員無需帶電作業(yè)，需用人力大大減少，時間大大縮短，規(guī)避了不安全的的因素且避免了長時間停電帶來的經(jīng)濟損失，對保證線路的可靠運行起到了重要的作用。因此筆者認(rèn)為，本定點巡視與帶電清理平臺具有很強的實用價值和推廣意義。

參考文獻

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