超高压输电线路架空地线上的障碍分析

超高压输电线路架空地线上的障碍分析

0巡检机器人无法进入架空地线上的原因为控制线路的运行状况，及时发现电气设施缺陷和沿线情况，车站线路的维护提供数据。国外对于输电线路巡检机器人的研究始于20世纪80年代，日本等国的研究工作居领先地位，代表性研究成果是日本东京电力公司和三菱电机株式会社研制的高压线巡检机器人样机巡检机器人能否借助于传感器的感知，跨越架空地线上的电力设施，实现多杆塔自主或半自主越障，是决定巡检机器人能否走向实用化研究的关键所在。本文详细分析机器人跨越架空地线各种电力设施的过程，并根据这些分析，设计并制造了新一轮样机。新一轮样机采用质量调节控制的方法，为改善机器人操作臂的受力状况以及减轻机器人手臂的结构尺寸和重量，起到了积极的作用，仿真和现场试验表明这种方法是十分有效的。1机器人障碍类型与越障过程的分析1.1双悬垂金具和连续工艺图1a为防振锤的外形，它安装在架空地线上，以抑制输电线路在风的作用下产生振动。转折线一般发生在输电线路改变方向的耐张塔路段内，如图1b所示。压接管是将两根架空地线连接起来的金属管，外径比架空地线线径大，对机器人来说，压接管也是一种障碍，如图1c所示。单悬垂金具一端与塔杆相连，另一端用于支撑架空地线，如图1d所示。双悬垂金具实际上是由两个单悬垂金具组成的，单悬垂金具之间距离在400mm左右，一般在十几个杆塔之间放置一个双悬垂金具。机器人在沿架空地线行走时，必须能够越过以上障碍。1.2机器人行驶过程中的障碍组合实际超高压架空地线上的障碍有防振锤—单悬垂金具—防振锤组合、防振锤—双悬垂金具—防振锤组合、压接管。转折线一般出现在耐张杆塔处，耐张杆塔处的障碍比较复杂，且一条输电线路耐张杆塔的数量不是很多，因此这里通过架设辅助线路来加以解决。其中防振锤—单悬垂金具—防振锤障碍组合最为典型和常见，如图2所示。图3为新一轮设计制造的巡检机器人样机，长宽高大约为700mm×240mm×1000mm，质量约40kg，最大行走速度为2km/h。它由两部分组成，一是机器人本体，质量约20kg，质心位置在两臂中间；二是电器元件盒，质量约20kg，它相对机器人本体可以移动，随着它的移动，机器人整体质心会发生变化。机器人本体上有9台电动机，分别是行走电动机、夹紧电动机、伸缩电动机和旋转电动机各两台，质心调节电动机一台，同时它包含用于感知架空地线上障碍环境的传感系统、图像传输系统、无线数传系统、控制系统和能源系统。机器人在架空地线上沿上坡路段行走时，后臂收缩至极限位置，前臂伸展直至机器人本体处于水平状态，电气元件盒处于中位。以下是巡检机器人遇到图2所示的障碍组合的越障过程分析(图4)。(a)当机器人前轮遇到第一防振锤时，在接近传感器的作用下，使机器人停下。(b)机器人整体质心调至后臂，使机器人本体保持水平。(c)通过前臂伸展，使前轮脱线。(d)后臂单独驱动机器人行走，当机器人后轮遇到第一防振锤时，在接近传感器的作用下，使机器人停下。(e)通过摄像头及图像处理系统使前轮上线，此时前臂收缩，直至倾角传感器反应控制机器人车体水平时使前臂收缩停止。(f)机器人整体质心调至前臂。(g)前臂收缩至极限位置，后臂伸展，使后轮脱线。(h)前臂单独驱动机器人行走，当机器人后轮遇到单悬垂金具时，在接近传感器的作用下，使机器人停下。(i)机器人本体绕前臂顺时针(从上面看)旋转180º，同时后轮绕后臂逆时针旋转180º。(j)通过摄像头及图像处理系统找到架空地线的位置，此时前臂已收缩至极限位置，后臂收缩，使后轮上线，若后臂收缩使倾角传感器反应，则控制后臂收缩停止，若后臂收缩至极限位置，倾角传感器还没有反应，则使前臂伸展，直至倾角传感器反应，使前臂伸展停止。(k)机器人整体质心调至后臂。(l)后臂收缩至极限位置，前臂伸展，使前轮脱线。(m)机器人本体绕后臂逆时针(从上面看)旋转180º，同时前轮绕前臂顺时针旋转180º。(n)后臂单独驱动机器人行走，当机器人后轮遇到第二防振锤时，在接近传感器的作用下，使机器人停下。(o)通过摄像头及图像处理系统使前轮上线，此时前臂收缩至极限位置，后臂伸展，直至倾角传感器反应控制机器人车体水平时使后臂伸展停止。(p)机器人整体质心调至前臂，使机器人本体保持水平。(q)后臂伸展，使后轮脱线。(r)前臂单独驱动机器人行走，直至后轮越过第二防振锤，停。(s)通过摄像头及图像处理系统使后轮上线，此时后臂收缩，直至倾角传感器反应控制机器人车体水平时使后臂收缩停止。(t)机器人整体质心调至中位。机器人跨越防振锤—双悬垂金具—防振锤组合的过程与上述相似，不再赘述。对于压接管和转折线，可以仿跨越单悬垂金具的过程。从以上巡检机器人的越障过程分析可以看到，巡检机器人在越障时，运动主要有单臂驱使机器人移动、手臂脱线和上线、单臂驱使机器人旋转和质量调节等。在单臂驱使机器人移动、手臂脱线和上线、单臂驱使机器人旋转时，都需要进行质量调节使机器人车体保持水平状态，保证机器人越障的顺利进行。2质心调节问题在上述越障过程的分析中，由于机器人在越障时需单臂悬架在架空地线上，这时就遇到机器人质量偏心产生的偏矩，从而使得车体不能保持水平姿态，由于受机械结构的限制，伸缩机构的行程不可能很长，这样机器人手臂就不可能脱线，从而使自主越障发生困难。尽管行走夹持机构中的夹爪能够提供一定的夹紧力，但这样的夹紧力主要起保护作用，过大的夹紧力会使架空地线表面损伤，同时夹紧电动机的功率会增大，增加了能源消耗和机器人的重量。本文提出了利用质心调节来解决上述问题。质量调心块借用电气盒质量，通过丝杠螺母机构推动电气盒在轨道中滚动实现质量调心，从而保证机器人车体的水平姿态。考虑到电气盒质心距离机器人本体的高度与机器人手臂长度相比较小，可以认为电气盒质心与机器人本体质心处于同一平面内。设电气盒的质量为m，距前臂的距离为x，机器人质量为m′，距前臂的距离为a，两臂中心线之间的距离为2a，行走轮半径为r图5中机器人前臂处在上坡，机器人前臂悬架在架空地线上，通过质量调心，使机器人质心位置位于O点的铅垂线上，从而使车体成水平状态时x的值如下同理，当机器人前臂处在下坡时，使车体成水平状态时x的值如下3质量控制系统的动态模型3.1架空地线下的平衡位置巡检机器人两轮在线上行走，当遇到障碍时停止，此时启动倾角传感器，若倾角传感器输出为零，则说明车体水平；若倾角传感器输出不为零，则说明车体倾斜，根据输出电压值的正负，判断车体倾斜的方向，通过手臂升降电动机调节车体姿态，直至倾角传感器输出接近为零，通过手臂上的位移传感可知两手臂长度之差，设为b，见图6。通过式(4)可以计算出此段架空地线与水平面之间的夹角α将式(4)代入式(2)或式(3)可以求得车体处于水平姿态的平衡位置。根据式(2)或式(3)求得的结果，可以折算成质量调心机构中位移传感器对应的电压值，然后控制移动电动机使电气盒移到期望的位置，直到位移传感器输出电压值与折算的电压值相等。另一个问题是后轮越过单悬垂金具后，前、后轮不在同一根直线上，而是分别落在两根直线上(图4)，因此不能通过式(4)求得α，从而也不能通过式(2)或式(3)求得平衡位置，也就是说，下一轮质心调节的平衡位置未知。依据经验，可以使电气盒移至一初估平衡位置，使机器人整体质心靠近后臂，然后前轮脱线，此时只有后臂悬架在架空地线上，由于平衡位置为一初估值，因此车体会出现倾斜，见图7。这时就需要动态调节配重块—电气盒，使车体保持水平状态。为此建立如图7所示坐标系，设此时车体倾斜角度为β，取支撑点O为绝对坐标原点，也是臂在架空地线上的支撑点，PP式中l表机器人在不同状态下的角度从表中可以看出，在质心调节过程中，发生变化的是角度β，因此3.2集成式变悬架仿真试验分两种情况：(1)两个行走轮同时悬架在同一斜率的架空地线上。(2)两个行走轮同时悬架在不同斜率的架空地线上。设m=20kg,m′=20kg,a=0.12m,l=0.7m,r第1种情况：以表中的前轮下坡为例，若由式(4)求得架空地线倾角α=15第(2)种情况：仍以表1中的前轮下坡为例，在两臂悬架在架空地线上时，使电气盒移至一初估平衡位置x3.3单悬垂金具-防振锤障碍组合为了验证机构及质量调节控制方法的正确性，在实验室建立了模拟超高压线路，如图2所示。典型障碍是防振锤一单悬垂金具一防振锤障碍组合，试验过程如图10所示，图10k表示机器人已经越过了防振锤-单悬垂金具-防振锤障碍组合。现场试验于2006年4月10日在锦州超高压局管辖的500kV超高压输电线路上进行，输电工人将巡检机器人悬架在架空地线上，机器人采用保护绳保护，在越障过程中通过质量调节，机器人车体保持水平状态。试验结果表明该机器人样机能够在超高压环境下正常工作，实现了自主行走、超视距遥控自主和半自主越障及巡检作业，该机器人样机具备了巡检作业的主要功能，经受了电磁干扰的考验。4新一轮样机测试结果主要体现(1)巡检机器人的越障过程可以分解为巡检机器人单臂移动、手臂脱线和上线、单臂旋转和质量调节等运动。(2)质量调节控制方法改善了操作臂的受