余飛虎，魯彩江，華強(qiáng)，謝云鵬

(西南交通大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院； b. 軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

輸電線路覆冰和積雪極易引發(fā)安全事故，這在全國甚至全世界范圍內(nèi)，每年都會造成電力系統(tǒng)的巨大損失，并對其安全運(yùn)行有著巨大的威脅。因此，對覆冰輸電線路進(jìn)行除冰作業(yè)可降低電網(wǎng)損失。但使用人工除冰存在除冰不及時、不安全和效率低的缺點，同時還存在線路覆冰時間和覆冰程度不易知曉等問題。采用機(jī)器人除冰在能耗、成本及安全性等方面具有優(yōu)勢。但目前使用機(jī)器人除冰，首先需要人工上線清除導(dǎo)線上一部分覆冰，然后將除冰機(jī)器人放在導(dǎo)線上進(jìn)行除冰作業(yè)。這種機(jī)器人的缺陷是除冰不及時、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、作業(yè)時間短[1-4]。

針對以上當(dāng)前輸電線路除冰作業(yè)面臨的問題，在分析國內(nèi)外除冰機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，本文基于“防冰為主，除冰為輔”的創(chuàng)新理念，提出一種輸電線路防冰/除冰機(jī)器人[5-7]，研制了樣機(jī)并進(jìn)行實驗驗證。將機(jī)器人在冰期來臨前期掛上線，利用其搭載的各類傳感器，實時監(jiān)測輸電線路局部氣象情況及附著在線上的水、霜、冰雪等的形態(tài)變化過程，可以較好地彌補(bǔ)人工觀冰的不足。防冰裝置及時去除輸電線路上凝結(jié)的冷卻水滴和附著的霜雪，將覆冰扼殺在搖籃中；同時，在覆冰程度較輕時，用除冰機(jī)構(gòu)及時除冰，提高效率；并且將監(jiān)測的線路情況通過無線傳輸裝置，把監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳回監(jiān)控中心[8-9]，使監(jiān)控人員可實時遠(yuǎn)程監(jiān)控線路局部狀況和遠(yuǎn)程控制機(jī)器人工作。

1 總體設(shè)計

輸電線路防冰/除冰機(jī)器人整體由環(huán)境感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行部分和供電系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。其中：環(huán)境感知系統(tǒng)主要由多個傳感器構(gòu)成，包括攝像頭、微氣象站、紅外測溫儀和測厚光柵；控制系統(tǒng)包括地面監(jiān)控端、機(jī)器人本體相關(guān)控制元件和軟件系統(tǒng)；機(jī)械執(zhí)行部分包括行走輪、夾緊機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、防冰機(jī)構(gòu)以及內(nèi)置攝像頭開窗機(jī)構(gòu)；供電系統(tǒng)包括可充電電源和自取電裝置。通過這4部分的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)機(jī)器人在線實時監(jiān)測線路狀況。當(dāng)線路出現(xiàn)覆冰征兆時，可及時啟動防冰和除冰功能，以減緩甚至避免線路出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰，達(dá)到減輕甚至消除輸電線路冰凍災(zāi)害的目的。

圖1 輸電線路防冰/除冰機(jī)器人整體組成部分

輸電線路防冰/除冰機(jī)器人樣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)器人所需功能，平衡每個功能的性能需求和相互之間的限制，最終確定的輸電線路防冰/除冰機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 輸電線路防冰/除冰機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

2.2 行走防墜機(jī)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析

1)行走防墜機(jī)構(gòu)設(shè)計

目前單體除冰機(jī)器人的上下線都從側(cè)邊進(jìn)出，采用的是“L”型進(jìn)線槽的進(jìn)線方式。因?qū)嶋H輸電線路為弧形，所以此種方式不利于機(jī)器人上下線。在分析對比后，將機(jī)器人進(jìn)線方向確定在機(jī)器人下方，如圖3所示。這種上下線方式即可方便人工操作，也可實現(xiàn)無人機(jī)吊裝作業(yè)。

圖3 機(jī)器人上下線方式

輸電線路機(jī)器人的行走方式主要有爬行和輪式行走兩種。由于輪式行走具有結(jié)構(gòu)簡單、前進(jìn)速度快等優(yōu)點[10]，因此本機(jī)器人采用輪式行走機(jī)構(gòu)。如圖4所示，上方兩個行走輪，采用獨立驅(qū)動，每個行走輪下方配置一組壓緊輪。壓緊輪采用獨立懸掛方式，一個絲桿模組機(jī)構(gòu)可控制兩組壓緊輪同時上下移動，構(gòu)成行走防墜機(jī)構(gòu)。

圖4 行走防墜機(jī)構(gòu)示意圖

2)爬坡狀態(tài)力學(xué)分析

根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，機(jī)器人爬坡狀態(tài)力學(xué)分析[11]如圖5所示。

圖5 爬坡狀態(tài)受力分析

圖5中：f′為滾動摩擦力；f為靜摩擦力；M為電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩；G為機(jī)器人整體所受重力；F1為牽引力；F2為壓緊力；θ為電線傾角。

設(shè)μ1、μ2分別為電線與行走輪之間的靜摩擦因數(shù)和滾動摩擦因數(shù)。機(jī)器人能在線上保持靜止?fàn)顟B(tài)時需滿足條件為

μ1F2≥Gsinθ-μ1Gcosθ

(1)

在驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩足夠的情況下，行走輪不打滑的條件[12]為

(2)

式中：

(3)

(4)

一般地，μ1>μ2，因此，根據(jù)式(2)-式(4)，得

(5)

從式(5)可看出，只要提供滿足此式的壓緊力，則行走輪可以避免打滑。

機(jī)器人在不打滑情況下，可以向上運(yùn)行的條件為

F1>μ1(Gcosθ+F2)+Gsinθ

(6)

在實際情況中，滾動摩擦力遠(yuǎn)小于滑動摩擦力，因此可不計滾動摩擦因數(shù)。根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)以及式(5)和式(6)，利用Matlab計算并作出行走輪避免打滑所需壓緊力與線路坡度的關(guān)系和機(jī)器人運(yùn)動所需驅(qū)動力與線路坡度的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 壓緊力和驅(qū)動力與線路坡度的關(guān)系

3)行走輪接觸力學(xué)分析

行走輪采用V形槽設(shè)計，可以適應(yīng)線路的不同直徑變化，較U形槽設(shè)計有更好的摩擦力，防滑效果更好[13]，其與電線的接觸力學(xué)分析如圖7所示。

圖7 行走輪接觸受力分析

圖7中F為機(jī)器人對電線的壓力，F(xiàn)N為支撐力，α為包角。由式(5)得出行走輪打滑與壓緊力有關(guān)。因此，為使提供的壓緊力滿足防滑需求，需合理設(shè)計包角α。

由三角形余弦定理得

(7)

支撐力FN與摩擦力有關(guān)，摩擦力太小易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，摩擦力太大需增加驅(qū)動力。因此，要使機(jī)器人在不打滑狀態(tài)下可以正常行駛，從式(7)可知，當(dāng)取α=60°時，F(xiàn)=FN，此時可獲得最佳的摩擦力，同時也可滿足可適應(yīng)不同線徑的要求。

從圖6知，在爬行坡度45°時，需要280 N的驅(qū)動力。由圖7知設(shè)計的行走輪與電線接觸半徑R=36mm。因此由

(8)

得出所需電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩M=5.04 N。

2.3 防冰機(jī)構(gòu)設(shè)計

在線路檢測有霜、露、水、雪等的情況下，及時開啟防冰機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)，如圖8所示。

圖8 防冰機(jī)構(gòu)示意圖

該裝置主要由左右兩邊可以開合的除水刷組成。除水刷由硅膠開模制成，轉(zhuǎn)動傳動齒輪，除水刷隨之旋轉(zhuǎn)閉合，齒狀刷子接觸電線并由于自身柔性，可自適應(yīng)包裹在電線上，形成對電線的包裹狀態(tài)。隨著機(jī)器人往前行走，完成作業(yè)，減緩、減輕線路覆冰形成。

2.4 除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計

除冰采用銑削除冰方式[14]。除冰刀設(shè)計成和導(dǎo)線直徑相等的圓弧形，更換與線徑相對應(yīng)的除冰刀，便可適應(yīng)不同線徑作業(yè)。在絲桿模組電機(jī)作用下使除冰刀上下移動，調(diào)節(jié)除冰刀與電線的距離，防止除冰刀刮傷電線。輪轂電機(jī)為除冰刀提供足夠旋轉(zhuǎn)速度，既可提高早期非堅硬覆冰的除冰速度和效果，也可除掉快速形成的堅冰，從而抑制覆冰的形成速度。除冰機(jī)構(gòu)如圖9所示。

圖9 除冰機(jī)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)與電源系統(tǒng)設(shè)計

輸電線路防冰/除冰機(jī)器人控制系統(tǒng)包括地面監(jiān)控端和機(jī)器人本體兩部分，如圖10所示。

圖10 輸電線路防冰/除冰機(jī)器人控制系統(tǒng)示意圖

3.1 運(yùn)動作業(yè)控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

為了實現(xiàn)機(jī)器人在輸電線路上穩(wěn)定行走、環(huán)境檢測、預(yù)防作業(yè)及除冰作業(yè)等功能，本機(jī)器人控制系統(tǒng)基于ARM Cortex M4架構(gòu)開發(fā)的微控制器STM32F427作為嵌入式微控制器，利用上位機(jī)與下位機(jī)之間的無線通信實現(xiàn)對機(jī)器人的遙控操作[15-16]。MCU能夠?qū)鞲衅鬏斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷來控制各部分的運(yùn)行，實現(xiàn)自主控制運(yùn)行，同時將數(shù)據(jù)傳給RTU，由RTU將采集數(shù)據(jù)發(fā)送回監(jiān)控中心。通過RTU實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和遙控指令雙向傳輸，其中設(shè)置遠(yuǎn)程遙控為第一優(yōu)先級。

3.2 電源系統(tǒng)

輸電線路防冰/除冰機(jī)器人上搭載相關(guān)檢測傳感器和通信設(shè)備，必要的情況下進(jìn)行主動防冰和除冰措施，因此機(jī)器人能源消耗較大。由于機(jī)器人懸掛在野外輸電線上，運(yùn)行過程中如果需要頻繁更換電池，會消耗大量的人力、物力，不利于機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。

為解決機(jī)器人的能源問題，采用高壓架空輸電線路自取電及智能電池充電一體化管理系統(tǒng)[17]。本系統(tǒng)可以將高壓架空輸電導(dǎo)線周圍的磁能轉(zhuǎn)化為電能，直接為外接負(fù)載供電，而且機(jī)器人帶有備用充電鋰電池。即使線路停電，裝置內(nèi)部的備用鋰電池也能保證較長時間的不間斷供電，可以解決因電池?zé)o法長期供電影響機(jī)器人作業(yè)的問題。輸電線路防冰/除冰機(jī)器人電源管理系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 輸電線路防冰除冰機(jī)器人電源管理系統(tǒng)

4 環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計

傳感器是實現(xiàn)機(jī)器人在線智能化作業(yè)的重要組成部分之一，其性能的好壞直接決定了主動防冰除冰的效果。此機(jī)器人采用了六要素超聲波一體微型氣象站、測量光柵、非接觸式紅外測溫儀以及攝像頭等設(shè)備。

微型氣象站可以同時測量風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力和雨量等6種氣象數(shù)據(jù)。將氣象站安裝在機(jī)器人頂部，可以隨機(jī)器人在線上移動，測出整條線路的局部氣象數(shù)據(jù)；非接觸式紅外測溫儀的作用是測量輸電線路的溫度。測量光柵的目的是測量電線的覆冰厚度，其作用是為除冰預(yù)警提供準(zhǔn)確點覆冰厚度數(shù)據(jù)；攝像頭的目的是為圖像處理系統(tǒng)提供清晰的視頻和圖片。

監(jiān)控中心顯示界面如圖12所示。

圖12 環(huán)境感知系統(tǒng)監(jiān)控中心顯示界面

5 樣機(jī)研制與試驗

本文設(shè)計的輸電線路防冰/除冰機(jī)器人實驗樣機(jī)在線運(yùn)行狀態(tài)如圖13所示。

圖13 試驗樣機(jī)

通過對樣機(jī)的試驗表明：

1)機(jī)器人可以在線路上正常運(yùn)行，對線路弧度具有很好的適應(yīng)性，最大上行坡度45°；

2)人工作用下，機(jī)器人可以輕松地上下線；

3)防冰、除冰功能可以正常作業(yè)；

4)各傳感器在機(jī)器人移動時能夠正常運(yùn)行，實現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心進(jìn)行顯示和存儲；

5)機(jī)器人可以適應(yīng)10～20mm線徑的線路運(yùn)行，并進(jìn)行相關(guān)工作。

6 結(jié)語

輸電線路除冰機(jī)器人較人工除冰有作業(yè)安全、效率高等優(yōu)點。本文設(shè)計的防冰/除冰機(jī)器人在分析目前相關(guān)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，對機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計與制作，并進(jìn)行了在線運(yùn)行，測試其穩(wěn)定性、機(jī)動作業(yè)效果等各功能指標(biāo)。結(jié)果表明：機(jī)器人運(yùn)行正常；各功能均達(dá)到預(yù)期要求；可以實現(xiàn)對輸電線路進(jìn)行監(jiān)測和防冰/除冰作業(yè)。