线路机器人-华北科技项目可行性研究报告(编辑修改稿)

线路机器人-华北科技项目可行性研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

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 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 RS232 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。