线路机器人华北科技项目可行性研究报告Word文档下载推荐.docx
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国外对高压输电线路巡检机器人的研究始于上世纪80年代，由日本、美国、加拿大等发达国家先后展开了对高压输电线路巡检机器人的研究。
从国内外巡检机器人的发展来看，用于巡检机器人的行走机构主要有步进式行走机构和轮式行走机构。
步进式行走机构通过多只手臂的交替移动完成在线爬行，行走移动为间断式，其移动速度缓慢，效率低。
轮式行走机构依靠由电机驱动的行走轮与线路之间的摩擦，驱动机器人前进。
轮式爬行行走机构具有移动平稳、速度快和效率高的特点，因此，目前巡检机器人多采用此种轮式行走机构。
如：
日本东京电力公司研制的光纤复合架空地线巡检机器人如图l所示。
它采用两轮同时驱动行走机构实现在线行走，这种机器人行走机构具有结构紧凑，驱动力矩大的特点。
加拿大魁北克水电研究院研制的HQLine—Rover遥控小车如图2所示。
它靠上方三个轮子实现驱动行走，下方轮子起到辅助行走及刹车的作用。
该机器人靠轮式行走机构实现了在直线线路段的稳定行走。
日本HideoNakamura等人开发的蛇形巡检机器人如图3所示。
该机器人有多个小车组合连接而成，每个小车自身携带驱动轮，通过各个小车协调驱动来实现机器人的在线移动。
国内在巡检机器人的研究方面主要有武汉大学、沈阳自动化研究所、中科院自动化研究所和山东科技大学等单位。
如武汉大学研制的架空高压输电线路自动爬行机器人如图4所示。
该机器人通过一对伞形轮来现行走。
亦采用了轮式行走机构。
图4自动爬行机器人
从高压输电线路巡检机器人的研究现状来看，轮式行走机构倍受研究人员的青睐，但在爬坡能力、运行的速度及运行的稳定性等方面还有待于进一步完善。
三、项目的理论和实践依据
1.项目研究内容的原理简述
机器人完成一次巡检任务的工作过程为：
首先通过绝缘斗臂车或人工爬到线塔上吊装的方式将机器人安装到相线上；
然后地面监控计算机发出开机控制命令,机器人本体计算机在接收到运行命令后，驱动机器人沿输电线行走;
行走过程中,检测装置不断检测前方障碍物的情况,同时高速球摄像机对线路进行拍摄,拍到的图像通过无线设备实时传输到地面工作基站,地面工作基站对线路情况进行判断,决定是否对线路实施维护;
同时对机器人本身的工作状态进行监控,决定是否对机器人的运动给予干预。
2.项目研究内容的理论或者实践依据
巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统,涉及机械结构、自动控制、通信、多传感器信息融合、电源技术等多个领域。
但机械机构是整个系统的核心技术,是目前制约巡线机器人走向实用化的障碍之一。
巡线机器人对机械结构的要求有:
（1）从机构运动学角度要求机构能实现滚动、蠕动、跨越和避让输电线路上的各种障碍物,并且末端执行器能够进行空间位置姿态的灵活调整。
（2）从机器人系统的角度要求机构要有一定的负载能力,便于安装各种监测仪器、信息传输设备,并与导线形成等电势体。
（3）从实用的角度要求机构小巧、紧凑、轻质,便于携带及上下线操作;
在故障情况下,防止机器人摔落。
（4）从运动控制的角度要求机构的自由度尽量少,能实现解耦控制,并且具有符合要求的控制精度。
3.项目研究的关键和难点
巡线机器人系统由巡检机器人、塔上智能充电坞和地面控制系统组成。
巡检机器人包括系统电源、机器人本体、控制器、摄像机、导航系统、图像及数据无线传输系统（机载部分），塔上智能充电坞包括风光互补供电系统、机器人承载平台和导航模块，地面控制系统包括监控系统、图像及数据无线传输系统（基站部分）及监视器。
实现上述功能的巡线机器人需要解决的关键技术有：
1）线上行走/攀爬机构
完成机器人沿输电线路行走/攀爬的功能，并能跨越防震锤等较小障碍物。
2）导航系统
采用图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。
3）垂直起降/越障机构
采用创新的四旋翼机构，解决了机器人上线、越障及自动/人工控制充电等功能。
4）智能控制系统
完成机器人系统的控制功能。
5）机器人供电系统
负责为巡线机器人供电，采用2种创新技术解决。
6）塔上智能充电坞
借鉴军事上应用成熟的加油机技术，独创塔上充电坞，完成机器人充电，避免人工更换电池。
四、项目研究内容和实施方案
1.项目研究内容
2.技术路线
思明公司采用自主研发核心技术，外聘专业人员协作的方式进行产品研发、生产。
具体为：
壳体、线路板、传感器、软件的设计开发，自主完成，零部件采用外购，机械部分外协加工，外围配件直接购买的方式。
公司下设质量检验部对外协零件严格把关验收，再由装配部进行调试安装。
采用此方式可节约大量固定资产的投入。
技术路线如下：
3.实施方案
线上行走/攀爬机构
移动机器人机构是巡线机器人系统中关键的核心技术。
从机构运动学角度,要求机构能实现滚动、蠕动、跨越和避让障碍物,以及末端执行器具有空间位姿调整运动从运动控制角度,要求机构的自由度少、机构运动学逆解可实现解藕控制,且运动控制的精度高从巡线机器人系统角度,要求机构具有一定的负载能力,且与导线构成等电位体从应用角度,要求机构具有小巧紧凑、轻质的机械结构,且容易上下线作业和便于携带等。
根据输电线路的结构特征,以及巡线作业的任务要求,通过多种可行方案的对比分析和对机构的巧妙组合,以及样机原型的反复试验和改进,提出了由2小臂操作手机构、1个公共的变长大臂机构、2个小臂与变长大臂间各分别有1个绕铅垂轴和水平轴旋转的关节组成的双臂协调移动的机器人机构模型。
如图所示为巡线机器人机构的原理简图。
图中,2个小臂操作手机构是由小臂3、绕水平轴回转的关节4、绕铅垂轴回转的关节5、转轴6、转台7和以小臂为机架的末端执行器组成末端执行器是由主动滚轮2和夹紧机构组成（图2（b））；
夹紧机构是由夹杆1-1、回转副1-2、有限约束的回转副1-3和夹爪1-4组成,且沿导线横截面对称布置；
绕水平轴回转关节4的轴线与绕铅垂轴回转关节5的轴线垂直相交,移动关节4的轴线与关节5的轴线垂直相交；
2个小臂机构和与其相联的移动关节8沿导线轴向呈反对称布置。
主动滚轮完成沿直线无障碍物段的行驶。
关节4和关节5分别实现机械臂（小臂机构和大臂机构）在导线平面内的升降和旋转。
在过障和路径转移时,通过单臂夹爪夹紧导线,另一臂通过运动规划实现过障的各种分解动作。
关节8实现2个臂交互滑移异位。
相对于国内外一般采用臂及臂以上机器人技术而言,该机器人机构有如下特点机构的自由度少,机构长度尺寸小,加以采用嵌人式机械结构和高强度的铝合金材料,机械结构紧凑,重量轻。
导航系统
下图1是220kV单分裂输电线路的结构示意图，该图显示了巡线机器人遇到的典型障碍有防震锤、悬垂线夹、耐张线夹等。
巡线机器人采双轮结构在导线上行进，当遇到障碍时，通过轮子下方两个夹爪依次夹紧导线，抬升机器人本体，以错臂的方式跨越障碍。
巡线机器人视觉系统安装在机器人下方，其中视觉传感器（摄像机）安装在机器人的本体前端，光轴与机器人前进方向的夹角约为5°
。
该系统由摄像机、采集卡、嵌入式计算机等组成。
防震锤、悬垂线夹、耐张线夹等障碍既无丰富的表面纹理,也无鲜明的颜色特征，且相互铰接，因而难以分割成单独的区域。
但它们在摄像机成像平面上投影后会得到一些相对简单的图形基元，如直线、圆（圆弧）、角点等，如果能同时结合输电线路结构特点对上述图形基元进行结构约束，去除掉环境中一些干扰的图形基元，就可判断出障碍物的存在及其类型。
障碍识别的基本方法是：
①对视觉传感器（摄像机）采集到的图像进行预处理，消除图像噪声，并采用经Otsu算法改良后的Canny算子提取图像边缘。
②在边缘图像中运用霍夫变换等方法分别检测直线、圆和角点等图形基元，并利用导线与障碍的位置关系以及障碍本身的特点来进行结构约束，识别出障碍物。
垂直起降/越障机构
巡线机器人在实际应用过程中需要从地面可靠地固定到输电线路上，并且能够在运行过程中跨越遇到的防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等各种障碍。
目前在线路上实验运行的巡检机器人需人工安放到巡检线路上，且跨越障碍能力不强。
在此方案中，提出一种新型的垂直起降/越障机构，可达到机器人自动上线（从地面自主导航/人工遥控安放到巡检线路上）、跨越障碍以及降落塔上智能充电坞上进行充电等功能。
实现技术如下：
巡线机器人在两侧各装备2个可收放的旋翼，如下图所示：
张开后即形成一个四旋翼无人机，可完成起降、跨越障碍等功能。
1.结构型式
四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。
四旋翼飞行器的结构形式如图所示。
2.工作原理
四旋翼通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。
但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
四旋翼飞行器结构形式如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：
各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。
基本运动状态分别是：
（1）垂直运动；
（2）俯仰运动；
（3）滚转运动；
（4）偏航运动；
（5）前后运动；
（6）侧向运动。
在图中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。
（1）垂直运动：
垂直运动相对来说比较容易。
在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；
反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。
当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
（2）俯仰运动：
在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。
为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力
改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。
由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
（3）滚转运动：
与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
（4）偏航运动：
四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。
旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。
反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；
当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。
在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。
（5）前后运动：
要想实现飞行器在水平面内前后、左
右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。
在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。
按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。
向后飞行与向前飞行正好相反。
当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。
（6）倾向运动：
在图f中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
智能控制系统
自动巡线机器人是一种运行于高压架空输电线路上，具有一定智能的机器。
对于这种特殊的工作环境，要求巡线机器人必须具备自动控制和主从遥控操作控制两种工作方式，并具有在恶劣环境中可靠工作的能力。
巡线机器人控制系统的由两大部分组成：
地面遥控/数据接收移动基站和本体控制单元，其中机器人本体控制单元采用由规划层和执行层组成的两层分布式计算机控制结构。
规划层由嵌入式计算机系统、控制输入装置（检修、调试用控制面板）、图像采集卡、I/O板卡及无线收发装置等组成。
巡线机器人沿输电线路爬行，要跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等各种障碍。
由于线路情况复杂，因此规划层的运动轨迹规划主要是局部越障规划，它可以通过接收来自控制面板的控制命令（检修和调试时），或地面基站工作人员通过无线通信发过来的遥控命令（遥控操作），或利用传感器提供的机器人周围的局部环境信息，自动生成下一步的控制策略（自动控制方式），确保机器人可靠、快速的越过障碍。
由于巡线机器人在高空作业，会受到刮风及弓子线（跳线）部分导线不规则形状的影响，并且环境中障碍物的形状各异，尺寸较小，因此使用了超声传感器、激光测距仪、CCD等多种传感器，并采用多传感器的信息融合技术，成功地解决了机器人的避障问题。
规划级通过RS-232与直接控制级进行通信，指示控制级完成指令规定的运动轨迹。
而无线数据收发模块用于接收地面遥控指令，并向地面发送机器人一系列的重要状态信息，以便于地面手动干预，避免事故发生，优先级高于自动控制。
执行层是直接面向被控对象的，用来完成对各自由度的运动控制。
它主要由以下3个部分组成：
电机伺服控制单元。
由电机驱动器、直流电机，位置传感器和嵌入式系统组成位置闭环控制系统；
另外它还与视觉传感器和电磁传感器等构成机器人姿态伺服环。
开关量单元。
由I/O板卡，限位开关等组成，执行对执行机构的限位和电源系统的操作。
红外成像仪和可见光摄像仪，用于对线路的检测。
另外，执行层的任务还包括收集各关节位置传感器的信息并进行预处理，然后传送给规划级，以便规划级进行下一轮的运动轨迹规划，完成对控制器、功率放大器的故障诊断，并把诊断结果送到规划级。
机器人供电系统
巡线机器人携带检测通信仪器沿全线路行驶作业，完成对线路运行故障的检测和对安全事故隐患的巡视，并将所检测的信息实时向地面传送，由地面进行分析处理。
在常规地面运作时，一般采用小型蓄电池定时更换方式。
但是，高压输电线路分布在野外，跨越山川湖泊，巡线机器人作业时，能量消耗大，而现场没有可供充电的电源，并且在巡线过程中频繁的更换蓄电池会造成诸多不便，该因素会极大的限制巡线机器人的广泛应用。
智能巡线机器人可以通过感应取电和塔上智能充电坞充电的方式为机器人提供电源，实现方案如下：
1.感应取电
按照电磁场理论,环绕工作状态的高压输电线路存在着交变磁场,根据电磁感应定律，磁场中的回路将产生感应电流。
为实现上述目的，设计铁芯和线圈从高压线路上获取电能，获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电使能电路向可充电电池组充电，同时，充电控制电路对电池电压监控以控制充电方式、是否充电、是否停机，并将信息传送给巡线机器人主控制系统。
高压输电线路中的电流受负载的影响而不断变化，峰值电流是谷值电流的数百倍。
在如此大的变化范围之内，为保证能为机器人连续供电，取电装置必须在较小的电流时便能取得较高的能量，并且随着电流不断增加而增大。
对应于铁芯，则要求其应具有较高的初始磁导率及较高的饱和磁感应强度。
在目前使用的软磁材料中，由于硅钢片具有较大的饱和磁感应强度及叠片系数，能取得较大的功率，故取其作为铁芯材料。
为了避免磁场损耗，铁芯应是一个整体，以保证磁路中无气隙。
但由于高压输电线路无断点，同时，机器人在行进过程中需悬垂子、平衡锤等障碍。
铁芯必须设计成可以分合的两部分，在正常工作时两部分合为一体，跨越障碍时需通过机械手将其分开。
2.塔上智能充电坞充电
在此方式中，机器人根据电源管理策略或人工指示，降落到塔上智能充电坞获取其运行所需电源，详见塔上智能充电坞。
系统采用兼容性设计，可根据实际需要选择安装感应取电模块或塔上智能充电坞充电模块。
塔上智能充电坞
塔上智能充电坞由风光互补供电系统、机器人承载平台和导航模块组成。
风光互补供电系统从外界收集能源，并以电能的型式储存在蓄电池组中，以备机器人使用；
机器人需要充电时，通过与导航模块的通讯，降落在机器人承载平台上；
机器人承载平台内含充电电路，完成对机器人的充电。
1.风光互补供电系统
风光互补供电系统结合了太阳能与风能的优势。
结合超低功耗设计，确保在无阳光情况下，系统也能正常工作30天。
系统结构如下：
太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。
白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。
在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。
太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。
如下图所示，我省所处的区域太阳能资源均匀，区域差异较小。
如下图所示，我省所处的区域风能资源均匀，区域差异较小。
结合之后，由于太阳能与风能的互补性强，风光互补供电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。
同时，风电和光电系统采用通用的蓄电池组和逆变环节，既增强了供电稳定性，又充分利用了既有设备资源。
2.机器人承载平台
机器人承载平台为八变形的合成材料平台，机器人降落到上面后，将充电探头与平台上的磁性插座紧密接触，由充电电路完成充电。
平台上同时具有图形知识标识，对机器人进行图像导航指示，方便机器人顺利起降。
3.导航模块
导航模块负责引导要进行充电的机器人顺利降落在塔上智能充电坞上。
导航模块采用GPS定位与Zigbee通信相结合的方式，完成与机器人之间的导航通信。
五、预期目标和成果形式
项目成果为：
1.输电线路智能机器人系统一套；
2.客户端配套软件一套，windows运行环境；
六、合作单位或依托工程单位落实情况
无
七、项目承担单位的条件
项目承担单位介绍
作为导线覆冰在线监测项目协作的西安思明电力科技有限公司成立于2010年9月16日，注册资本501万元人民币，公司的主营业务领域为：
架空高压输电线路在线监测系统。
公司前身陕西拓飚电子科技有限公司从2003年开始一直致力于架空高压输电在线监测系统的研发与推广，相继研制出《输电线路图像视频在线监测子系统》、《绝缘子泄露电流在线监测子系统》、《导线弧垂在线监测子系统》、《架空输电线路气象环境在线监测子系统》、《架空输电线路导线温度在线监测子系统》、《等值覆冰厚度在线监测子系统》、《输电线路杆塔倾斜在线监测子系统》、《架空输电线路微风振动在线监测子系统》，在南方电网、国家电网有广泛的挂网运行，2010年10月，与武汉大学机械系、西安交大电气绝缘国家重点实验室建立了战略联盟关系，进一步巩固了我公司在该领域的技术优势。
目前公司主要经营范围为：
电力设备、通信设备、智能控制系统的研制与销售。
公司将紧紧围绕“以市场为导向，以技术为核心”的经营原则，不断创新，为客户提供优质的服务，打造智能电网领域的物联网技术应用第一品牌。
项目研究人员介绍
思明公司拥有高电压专家、博士生、研究生等高素质人员组成的专业研发团队：
公司顾问：
肖晓晖，博士后，美国伊利诺大学香槟分校（UIUC）机械工程系，长期从事机器人学、复杂机械系统动力学及振动控制、微/纳米制造过程中的精密控制方法等方面的研究工作，先后主持和参加了国家级、省部级项目十余项，横向课题近二十项。
王柏林，西安电子科技大学毕业，10余年来一直致力于高压输电线路监测系统的研发，积累了丰富的经验，在恶劣环境下传感器稳定工作研究上投入了大量的精力，取得了显著的成果。
产品经理：
冯万平，硕士，多年来分别供职于大唐电信、中兴通讯、华为技术，在研发、市场等众多岗位上担任过管理职位。
软件架构师：
邓振祥，本科，超过10年的软件与系统集成行业从业经验，曾担任项目经理、软件架构师等职位。
硬件工程师：
李林利，西安电子科技大学毕业，10年以上硬件产品开发经验。
机械工程师：
王明勤，本科，曾在大型机械企业供职技术厂长，将近30年的机械设计与制造经验。
实验室条件---冻雨模拟实验室
雄厚的专家研发团队是保证项目正常运行的基础
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