1.引言

      高壓輸電線及桿塔附件長期暴露在野外,，因受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò),、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股,、磨損、腐蝕等損傷,，如不及時(shí)修復(fù)更換,，原本微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故,。因此,，電力公司需要定期對線路設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷并加以評估,，根據(jù)評估結(jié)果安排必要的維護(hù)和修復(fù),，從而確保供電的安全可靠性。傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦,，特別是對于山區(qū)和大江大河等的輸電線路巡檢存在很大困難,，甚至一些巡檢項(xiàng)目靠常規(guī)方法都難以完成。因此,，采用機(jī)器人自動巡線成為保障高壓輸電線安全運(yùn)行的一種必要手段,。

      高壓輸電線路巡線機(jī)器人屬于特種機(jī)器人的研究范疇，主要完成高壓供電線纜的無損探傷,、懸垂絕緣子絕緣特性檢測,、輸電線附件輸電性能測試、機(jī)械連接牢固性檢查,、線纜異物清除等高空作業(yè),。國外在巡線機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步較早，研究水平較高,，1988年,，日本東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線巡檢移動機(jī)器人,，該機(jī)器人可以沿地線爬行，遇到障礙物時(shí),，可以通過弧形手臂輔助跨越,。加拿大魁北克水電研究院的Montambault等人于2000年研制成功了輸電線遙控機(jī)器人，該遙控機(jī)器人可以消除電力傳輸線上的積冰,，并可以用來線路巡檢平臺,。國內(nèi)關(guān)于輸電線路巡線機(jī)器人的研究還處于起步階段，只有武漢水利大學(xué),、山東大學(xué),、中科院等作過一些研究。

2.機(jī)器人概述

      由于高壓輸電線的線纜附件種類多,、形狀復(fù)雜,，因此，越障成為巡線機(jī)器人要具備的首要功能,。本文所述的機(jī)器人采用3個(gè)自由擺動的吊臂跨越線纜附件,，當(dāng)遇到障礙物時(shí)擺動3個(gè)吊臂，使3個(gè)吊臂依次通過障礙物,。機(jī)器人本體如圖1所示,，該機(jī)器人可以在四分裂、二分裂,、單股等高壓輸電線纜上爬行,，可自主跨越懸垂絕緣子、隔離棒,、防振錘,、線夾等線纜附件，具有輸電線纜的檢測功能,。機(jī)器人綜合性能指標(biāo)如下：1）本體外形：850×300×700mm,；2）本體重量45Kg；3）纜徑適應(yīng)性Ф10～Ф25mm,；4）移動速度0～25m/min,；5）爬升角度0～30°；6）控制方式：自主運(yùn)行和主從遙控操作,；7）故障處理：手動/自動,。

3.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      機(jī)器人的控制系統(tǒng)分本體控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，如圖2 所示,。本體控制系統(tǒng)用來規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡,，控制機(jī)器人運(yùn)動構(gòu)件，確保機(jī)器人可靠快速的越過障礙物,，并實(shí)現(xiàn)與地面基站的命令,、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸,；地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的手動/自動控制，并監(jiān)控機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行,。為機(jī)器人設(shè)計(jì)自動和手動兩套控制系統(tǒng)的增加了機(jī)器人的靈活性與可靠性,，當(dāng)其中一套系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可啟動另一套控制系統(tǒng)，另外在某些特殊的場合可只用手動系統(tǒng),，降低了機(jī)器人野外作業(yè)的難度,，增加了機(jī)器人的應(yīng)用性。

      3.1 機(jī)器人本體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      機(jī)器人本體的控制系統(tǒng)以嵌入式PC104工控機(jī)為核心,并配有輸入輸出擴(kuò)展板HT-750和A/D采集擴(kuò)展板PM-516,。采用PC104 作為核心模塊, 可將主要精力放在軟件和接口的設(shè)計(jì)上, 而且PC104 的開發(fā),、維護(hù)和擴(kuò)展都非常方便。PC104與通用PC和PC/AT標(biāo)準(zhǔn)（IEEE P996） 完全兼容, 可以很快掌握其軟,、硬件的使用, 并且具備嵌入式控制的特殊要求,為嵌入式應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)平臺[1]。

      3.1.1故障檢測

      輸電線纜附件種類多,，形狀復(fù)雜,，對機(jī)器人判斷障礙物類型帶來了極大的困難。因此有必要攜帶多種傳感器,，將多種線路故障檢測器集成到巡線機(jī)器人移動平臺上,，運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)，以便提高故障探測的效率,、精度和準(zhǔn)確度,。主要的傳感器有CCD視覺模塊、紅外溫度傳感器,、超聲波傳感器等,。

      視覺檢測CCD模塊使用PC104上的COM2串口，用于識別高壓輸電線各類附件,，從原始圖像中找到目標(biāo)（防振錘,、絕緣子、連接金具,、隔離棒等附件）所在區(qū)域,，利用圖像處理技術(shù)，提取障礙物特征尺寸,，自動判斷輸電線路上的障礙物類型,、距離，并向機(jī)器人運(yùn)動控制單元提供越障信息[2],，形成下一步的越障策略,。另外，視覺檢查一般能發(fā)現(xiàn)架空線表面故障現(xiàn)象,，如輸電線表面損傷,，連接金具松脫等,；紅外溫度傳感器則利用高壓輸電線在故障點(diǎn)會產(chǎn)生異常溫升的特點(diǎn)，檢測線纜的異常溫升,。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳感器來檢測線纜的異常溫升,，以達(dá)到檢測線纜故障的目的。

      3.1.2運(yùn)動控制

      由于機(jī)器人的動作較復(fù)雜,，多數(shù)吊臂式巡線機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動方案,，即用6個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)擺動吊臂與行走輪轉(zhuǎn)動。這種方案機(jī)器人較為靈活,，但多電機(jī)增加了機(jī)器人的重量,，不利于機(jī)器人自身平衡。本文用2個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)需要的動作,，通過3個(gè)電磁離合器與圖2中的電機(jī)1配合控制三個(gè)吊臂的擺動,，用電機(jī)2控制機(jī)器人行走。為了增加檢測的靈活性,，在機(jī)器人上增加了兩個(gè)可升降的傳感器支架,，分別用電機(jī)3和電機(jī)4帶動。驅(qū)動框圖如圖3所示,，用Silicon Lab公司的高性能單片機(jī)C8051F047和H橋組件LMD18200T來驅(qū)動電機(jī),。LMD18200T是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出運(yùn)動控制專用H橋組件,內(nèi)部集成了CMOS控制電路和DMOS驅(qū)動電路，峰值輸出電流高達(dá)6A,連續(xù)輸出電流3A,，工作電壓高達(dá)55V,，具有溫度報(bào)警和過熱與短路保護(hù)功能。本文所選電機(jī)的連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流在3A左右,，因此選用LMD18200T芯片可以滿足使用要求,。

      電機(jī)1與電機(jī)2使用數(shù)字PID算法調(diào)速。數(shù)字PID算法是一種常用的控制算法,，由等間隔時(shí)間光電編碼器的數(shù)值與給定的速度值進(jìn)行比較,，通過PID算法，改變C8051F047的PWM的占空比,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制,，即：

      （1）其中K_p為比例系數(shù)， K_i為積分系數(shù),， K_d為微分系數(shù),， T為采樣周期[3]。電機(jī)3和電機(jī)4只用來控制支架升降,，對速度無具體要求,，因此只需采集編碼器脈沖數(shù)。

      3.1.3 數(shù)據(jù)傳輸

      機(jī)器人爬行時(shí),，要將自身狀態(tài)信息,、采集到的數(shù)據(jù),、抓拍的圖片等信息發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)；而在特殊情況下,，監(jiān)控系統(tǒng)也要向機(jī)器人發(fā)送指令,，這就需要在兩者之間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)傳輸距離<2Km,本文使用一對無線數(shù)傳模塊SRWF-108完成此功能,。機(jī)器人本體的SRWF-108占用PC104上的COM1端口[4],，波特率9600bps，8位數(shù)據(jù)位,，共有狀態(tài)幀,、指令幀和文件幀三種格式。

      3.1.4 電源設(shè)計(jì)

      巡線機(jī)器人在高空作業(yè),，只能使用自備電源,。本文使用4節(jié)12V鉛酸蓄電池，由B1205S,、B1212S,、LM2678等電源轉(zhuǎn)換芯片得到系統(tǒng)需要的+12V, ±5V等電平。為了保證機(jī)器人有充足的能源,，有必要監(jiān)控電池電量，本文使用DS2438Z芯片,，DS2438Z芯片是DALLAS 公司推出的新一代智能電池監(jiān)測芯片,，具有功能強(qiáng)大、體積小,、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),，并且用1-Wire總線傳輸數(shù)據(jù)，硬件接線簡單,，可用來檢測電池溫度,，電壓剩余電量等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池電量不足時(shí),，機(jī)器人本體會向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警,，提示更換電池。

      3.1.5 控制系統(tǒng)的軟件

      PC104控制系統(tǒng)的軟件用C語言編程,，開發(fā)周期短,，效率高。程序需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、系統(tǒng)狀態(tài)檢測,、串行通訊、動作輸出,、故障處理,、異常情況處理,、電源監(jiān)測等功能，其程序流程圖如圖4所示,。與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以采用查詢或中斷方式,，查詢方式的優(yōu)點(diǎn)是編程容易，但會占用較多的系統(tǒng)資源,，中斷方式則與之相反,。機(jī)器人除了要進(jìn)行串口通訊還要完成電機(jī)控制、故障處理等功能,，因此查詢方式不宜使用,，本文使用中斷方式。初始化COM1和COM1中斷處理程序[5]如下：

      void InitCOM（）    /＊ 初始化COM1串口,，設(shè)置串口參數(shù)＊/

      ｛  outportb（0x3fb,0x80）;  /＊將設(shè)置波特率＊/

      outportb（0x3f8,0x0c）;  /＊波特率9600＊/

      outportb（0x3f9,0x00）;   

      outportb（0x3fb,0x03）;  /＊8個(gè)數(shù)據(jù)位,，1個(gè)停止位、無奇偶校驗(yàn)＊/

      outportb（0x3fc,0x08|0x0b）;/＊設(shè)置MCR＊/

      outportb（0x3f9,0x01）;    /＊開中斷＊/  ｝

      void interrupt far asyncint（）

      ｛   char ch;

      ch=inportb（0x3f8）;/＊ch 為接收到的字符數(shù)據(jù)＊/

      …… ……｝

      3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      監(jiān)控系統(tǒng)用Visual Basic 6.0軟件開發(fā),，VB具有面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計(jì)工具,、事件驅(qū)動編程機(jī)制、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫操縱功能,、Active技術(shù)以及應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),。根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的要求，采用模塊化思想開發(fā)了較完善的監(jiān)控系統(tǒng),，其可擴(kuò)展性較強(qiáng),，具有電池電量監(jiān)測、運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測,、線纜故障數(shù)據(jù)庫查詢,、手動自動切換等功能。能將輸電線的故障信息保存在Access數(shù)據(jù)庫中,，并對故障類型,、時(shí)間進(jìn)行查詢。

4.結(jié)束語                              

      本文提出了一種以PC104模塊為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng),，解決了機(jī)器人的自主越障問題,，并能識別部分線纜附件，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸,檢查線纜狀況等,為高壓輸電線的自動檢測提供了便利,。