输电线路除冰机器人的设计

《输电线路除冰机器人的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《输电线路除冰机器人的设计（16页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、重庆大学研究生学位论文选题报告及论文工作实施计划学 院： 研究生院 专 业： 控制工程名：学位级别： 工程硕士 指导老师：2013年6月输电线路除冰机器人的设计1研究目的意义以及国内外研究概况11研究目的及意义在输变电工程中，输电线路覆冰是高压线路的安全运行的重大隐患之一。输 电线路覆冰可引起导线舞动、杆塔倾斜、倒塌、断线及绝缘子闪络等问题1,从 而导致通信中断或大面积停电。然而，目前解决输电线路覆冰的主要措施是以预 防为主，紧急情况下大多数采用人工除冰的方式强制使输电线表面的覆冰脱落。 然而，人工除冰工作量大，速度慢，安全系数底，致使一旦输电线路严重覆冰便 会影响居民日常生活、造成经济损失，

2、使得冰害事故频发等。图1.1线路覆冰导致输电线塔杆倒塌针对输电线路覆冰现象及危害，近年来国内外大力开展对自动除冰机器人的 研究，但大多数除冰机器人在对整条输电线进行除冰时不能自动越过绝缘子、防 震锤、悬垂线夹等障碍物，因此，能够智能化、高效安全的对输电线路进行除冰, 成为保证高压线路安全运行的一大课题。由此可见，输电线路的正常维护和覆冰 线路的及时除冰，对于保障电力系统的安全运行乃至国民经济的稳定发展都有着 重要的意义。所以本设计着力于设计和开发一种能自动循迹、自动越障、自动除冰的自动化除冰机器人。12国内外研究现状1.2.1国外技术研究现状在输电线除冰机器人的研究领域中，美国TRC公司早在1

3、989年便研制了自 治寻线机器人原型，该机器人不仅能沿架空导线上远距离爬行，还能执行电晕损 耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，并能对探测到的线路故障数据预 处理后，传送给地面工作人员，当机器人遇到塔杆时，利用手臂采用仿人攀援的 方式从侧面越过塔杆2。同年，日本东京电力公司研制出寻线机器人，该寻线机器人能挂钩在架空输 电线路上行走，具有跨越防震锤，塔杆等各种障碍的功能。在2000年，加拿大魁北克水电研究院研制的名为HQLineROVer遥控小车， 不仅能对输电线路的故障进行红外检查，还能对压接头状态自动进行评估，并能 完成导线与地线的更换，同时也能够完成导线清污、导线除冰，但HQLine

4、ROVer 遥控小车是在人工遥控下运行的，自动化程度较低，并且无越障能力。当遇到障 碍物需要人工进行调整。图1.2 HQ LineROVer遥控小车2009年，加拿大魁北克水电研究院研制了名为LineScout小车，该小车具有 越障功能，突破了除冰机器人无法越障的瓶颈，该越障机构采用了仿人手臂攀援 机构。1.2.2 国内技术研究现状输电线路除冰机器人在国内最早的研究始于 1998 年，武汉大学研制出了架 空高压线路寻线小车，不仅可以通过人工遥控和机械控制器可以实现稳定的行走 和越障碍功能，还可以跨越输电线路上的绝缘子、防震锤、悬垂线夹等主要障碍 物，并利用红外故障诊断仪完成了线路的诊断。目前该

5、项目组针对 22OkV 单分裂 相线进行了巡线机器人关键技术的研究,在机器人越障能力、智能控制、移动导 航、多传感器技术等方面取得了全面的突破，使巡线机器人能够避开和跨越高压 输电线路的各种障碍物6。中国科学院沈阳自动化研究所在863计划的支持下开展了 “500KV地线巡检 机器人的研制”课题攻关，并研制出试验样机。该课题成功攻克了机器人机构、 自主控制、数据和图像的传输等关键技术，成功地开发出由巡检机器人和地面移 动基站组成的系统，完成了超高压实际环境下的巡检试验。该机器人能够沿 500KV 地线行走、实时检测和跨越障碍，并可以检测输电线、防震锤、绝缘子和 杆塔等输电设备的损伤情况。该巡检机

6、器人的成功研制，在机器人本体、控制系 统、检测系统等方面积累了丰富的经验6。2004年，中国科学院兰州分院成功研制出了高压输电线路巡检机器人系统， 该巡检机器人包括系统电源、机器人本体、控制系统、检测设备和通讯设备，底 面设施包括上下塔杆辅助设施和底面基站。经过现场实验，该设备具有较好的寻 线功能，不仅能够完成机器人在线路上自主行走，还能够通过摄像头实现实时监 控功能7。此外北京航空航天大学、武汉大学、东南大学、山东大学也开始了对输电线 路除冰机器人的研究工作。2 论文的理论依据、研究方法、研究内容2.1 理论依据2.1.1输电线路覆冰类型与特点覆冰是在大气温度接近或低于0C时,有降水并被冰结

7、在温度接近或低于0C的物体上的白色透明或不透明的冰层。若被覆冰物是导线，则称之为导线覆冰。 地面气象观测规范中称覆冰为积冰，有的地方叫凝冰，也有叫桐油凌、结冰 等8。线路覆冰分类及特点如表2.1 所示。湖南、湖北、江西等省，每逢严冬和 初春季节，阴雨连绵，空气湿度很高（90%以上），导线极易覆冰，多位雨淞；云 南、贵州等高海拔地区，覆冰多位雾凇或混合淞9。表 2.1 线路覆冰分类及特点名称性质形成条件及过程危害雨淞透明或半透明的冰，分布均 匀、坚硬，可形成冰柱，密 度为0.9g/cm3，粘附力很强在低地过冷却雨或毛毛细 雨落在地域冻结温度的物 体上形成，气温-20C； 在山地由云中来的冰晶或

8、含有大水滴的底面雾在咼 风速卜形成，气温-40C。最严重的一种覆冰形 式，导线形成雨淞后， 如遇降雪或雾凇将导 致覆冰迅速增长，且 因密度大，产生的机 械符合也最大。雾凇白色，粒状雪，质轻，为相对坚固的结晶，密度0.30.6g/cm3，粘附力颇弱。在中等风速下形成，在山 地由云中来的冰晶或含水 滴的雾形成，气温-13-8C。附着力相当弱，对线路一般不构成威胁。混合淞不透明（奶色）或白透明冰， 常由透明和不透明冰层交错 形成，坚硬；密度0.60.9g/cm3。粘附力强，生 长速度快。在低地由云中来的冰晶或 有雨滴的底面雾形成，气 温-50C ；在山地，相当 咼的风速下，由云中水的 冰晶或带有中等

9、大小水滴 的底面雾形成，气温-4-3C。混合淞是一个符合覆 冰过程，首先是雨淞， 然后是雾凇，是一种 交替的形式，生长速 度快，对导线危害特 别严重。白霜白色，雪状，不规则针状结 晶，很脆而轻，密度0.050.3g/cm3，粘附力弱。水汽直接凝结而成，发生在寒冷平静的天气，气温低于-10C。粘附力弱，几乎不对 线路构成威胁，但会 增加输电线路的电晕 损失雪和雾在低地为干雪，密度低，粘 附力弱；在丘陵为凝结雪和 雨夹雪或雾，重量达粘附雪经过多次融化和冻 结，成为雪和冰的混合物， 可以达到相当高的重量和粘附力弱，几乎不会 对线路构成威胁，但 会增加电晕损失。体积。2.1.2输电线路导线覆冰导致的事

10、故导线覆冰覆冰引起的事故可以分为如下几类：（1）过负载事故 过负载事故为导线覆冰超过设计抗冰厚度，即覆冰后质量、风压面积增加而 导致的机械和电气方面的事故。这种事故造成金具损坏、导线断股、塔杆损折、 绝缘子串翻转、撞裂等机械事故；也可能使弧垂增大，造成闪络和烧伤、烧断导 线的电气事故。（2）不均匀覆冰或不同使其脱冰事故 响铃档的不均匀覆冰或线路不同期脱冰会产生张力差、损坏金具、导线和绝 缘子及使导线电气间隙减少，发生闪络，也有可能破坏塔杆。（3）覆冰导线舞动 不均匀覆冰或冰、风荷载的作用使导线产生自激震荡和低频率的舞动，造成 金具损坏、导线断股、断线和塔杆倾斜或倒塌等机械及电气事故10。2.1

11、.3 输电线路的除冰技术目前国内外除冰方法有多种，可分为如下 4 类10：（1）热力除冰法 利用附加热源或导线自身发热，使冰雪在到线上无法积覆，或是使已经积覆 的冰雪融化。目前应用较多的是低居里铁磁材料，这种材料在温度oc时，磁滞损耗大， 发热可阻值积覆冰雪或融冰；当温度oc时，不无要融冰，损耗很小。这种方法 除冰的效果较为明显，低居里热名防冰套筒和低居里磁热线已投入工程实用。采 用人力和动力绕线机除冰能耗成本较高。（2）机械除冰法机械外力除冰最早采用有“ad hoc”法、滑轮铲刮法和强力振动法，其中滑 轮铲刮法较为实用，它耗能小，价格低廉，但操作困难，安全性能亦需完善。采用电磁力或电脉冲使导

12、线产生强烈的而又在控制范围内震动来除冰，对雾 凇有一定的效果，对雨淞效果有限，除冰效果不佳。（3）被动除冰法在到线上安装阻雪环、平衡锤等装置可使到线上的覆冰堆积到一定程度时， 由风或其它自然力的作用自行脱落。该法简单易行，但可能因不均匀或不同使其 脱冰产生的导线跳跃的线路事故。（4）其他除冰法除上诉方法外，电子冻结、电晕放电和碰撞前颗粒冻结、加热等方法也正在 国内外研究。2.1.4 机器人的常用控制策略在目前情况下，机器人建模时总存在误差、各种扰动和一些未知参数等各种 不确定性因素。输电线路除冰机器人在系统运行的环境较为复杂，在复杂环境下 运行、跨障、除冰等系统稳定性尤为重要，目前采用或正在大

13、力研究的主要控制 策略有11：（1）传统 PID 控制早期的机器人控制大多采用分散单关节PID控制，PID控制作为传统控制方 法，其最大的优势就是设计简单，个参数作用、意义明确；另外相应的参数整定 技术也经历多年不断发展趋于成熟。（2）自适应控制自适应控制的方法就是在运行过程中不断测量受控对象的特征，根据测得的 特征信息使控制系统按最新的特性实现闭环最优控制。自适应控制能认识环境的 变化，并能改变控制器的参数和结构，自动调整控制作用，以保证系统达到满意 的效果。自适应控制是以精确的数学模型为基础的，它不仅要求事先知道对象的 模型结构信息，还需要通过辨识获取对象的精确模型。（3）鲁棒控制鲁棒控制

14、可以在不确定因素的一定变化范围内，保证系统稳定和维持一定的 性能指标，它是一种固定控制，比较容易实现。一般鲁棒控制系统的设计是以一 些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。（4）智能控制 在研究机器人等被控对象的模型存在不确定性及位置环境交互作用较强下的控制时，智能控制方法得到了成功的应用。智能控制包括模糊控制、神经网络 控制、集成智能控制、学习控制以及专家控制等。人工智能与传统方法不同，它 避开了过去那种对多自由度机器人动力学模型不确定性无止境的探索，转而模拟 人脑来处理那些实实在在发生了的事情。2.2 研究思路本文首先通过对输电线路的研究，了解输电线路的种类、电压等级、输电线

15、路的结构等，确定影响机器人自动化运行的各种因素，并总结输电线覆冰现象的 特点，进而确定机器人寻线、越障、除冰的方式，建立除冰机器人整体构架，为 除冰机器人的机械结构（其中包括寻线、越障、除冰机构）设计提供依据。其次， 在机械结构确定的前提下，结合输电线结构、覆冰的现象以及根据机器人执行相 应任务时需要识别的信息，确定所需传感器种类；并根据除冰机器人运行环境、 硬件尺寸、控制精度、功耗要求等，对相应的传感器进行选型。再次，设计控制 电路，优选控制方式，使除冰机器人能在对输电线路除冰的同时并能跨越绝缘子、 悬垂线夹、防震锤等障碍物，并且能保证除冰机器人运行的稳定性、可靠性。最 后，将机器人应用于模

16、拟现场，检验该机器人的稳定性、可靠性及安全性。图 1 输电线路除冰机器人研究思路2.3 研究内容鉴于目前我国缺乏一种能自动循迹、自动越障、自动除冰的自动化除冰机器 人，本设计将针对输电线路结构及覆冰特点等，设计除冰机器人的寻线机构、除 冰机构、越障机构等机械结构，并结合机器人运行方式及所要感知的参数等确定 所需传感器并对传感器进行选型，同时确定除冰机器人的控制方式并对除冰机器 人的控制电路进行设计，利用 C 语言对机器人软件进行开发。具体研究内容如 下：1. 通过翻译和研读国内外相应的文献及资料，研究输电线路结构及覆冰特 点，研究输电线路除冰原理及工作方式，同时总结影响机器人除冰过程的重要因

17、素，并对各个重要因素进行分析与研究。2. 根据对国内外文献资料的研读及各个要点的总结，确定除冰机器人的工作 流程，从而对该机器人的总体架构进行设计。3. 结合输电线路结构及覆冰特点，根据确定的总体架构，对机器人的机械结 构（除冰机构、寻线机构、越障机构）进行设计。4. 根据机器人运行时所要识别的信息，确定所需的传感器种类，并结合影响 机器人运行的各个参数对传感器进行选型。5. 结合已确定的机器人运行方式以及机械结构与传感器，确定除冰机器人的 控制方式。保证除冰机器人在自动寻线、自动越障、自动除冰的过程中的稳定性、 可靠性、安全性。6. 在已确立的除冰机器人的机械结构之上，结合优选出的传感器，在

18、以简洁、 可靠、低功耗的前提下，设计除冰机器人的控制电路。7. 基于已确定的除冰机器人的机械结构、传感器、控制电路等硬件结构，结 合相应的控制算法，利用 C 语言完成除冰机器人的软件开发，同时将机器人运 用于模拟现场，以验证该机器人运行的稳定性、可靠性、安全性。3预期结果及可能存在的问题3.1预期的结果本文通过对输电线路结构、覆冰现象及国内外除冰机器人的研究，设计满足 能自动寻线、自动越障、自动除冰的自动化机器人。利用该机器人提高工作效率， 保证高压线路安全运行。1. 掌握输电线路基本知识，如机械结构，覆冰原因及特点等，并由此设计出 除冰机器人的运行方式以及整体构架。2. 深入研究能完成各个功

19、能的经典机械结构，并设计、制作出能完成机器人 寻线的机械结构。3. 通过对机械结构的研究，设计、制作出能在输电线路上完成安全、稳定的 除冰动作的机械结构。保证输电线路在除冰过程中的安全运行。4. 研究越障机械结构，并正对输电线路的障碍物设计、制作出在寻线、除冰 过程中能跨越绝缘子、悬垂线夹、防震锤等障碍物的越障机械结构。5. 通过研究各种控制算法，优选出适于除冰机器人的控制算法，并结合优选 的传感器完成相应的控制电路，保证除冰机器人的可靠、低功耗。3.2 可能存在的问题根据初步拟定的除冰方案，该设计可能存在以下几个问题：1. 在除冰机器人工作之前，需要人工除去一段长度略大于机器人身长的输电 线

20、路的覆冰，以保证机器人能抱住输电线，继而进行稳定的寻线。2. 由于导致输电线路覆冰的气温非常低，故除冰机器人处于低温工作环境， 而该设计中的选型并未选用特殊材质，而主要较之性价比考虑，故硬件及传感器 等可能在异常低温的工况下产生不稳定、异常的现象。3. 由于除冰工具尺寸选择不合理、覆冰影响等因素造成除冰机器人在工作时 划伤线路的绝缘皮。进度安排序号内容起止日期1资料调研、题目论证2013.05 2013.052查阅文献，论证并确立系统设计方案2013.05 2013.063确定研究方案，撰写开题报告2013.062014.074除冰机器人的除冰机构结构设计2013.07 2013.085除冰机

21、器人的控制方法及程序编写2013.08 2013.106除冰机器人的系统测试2013.10 2013.117学位论文撰写2013.11 2013.128毕业答辩2013.12 2014.01参考文献李政敏，庚振平，胡琰锋输电线路覆冰的危害及防护J电瓷避雷器，2006, (210)：12-15.2 Eliot T.Robots repair and examine live lines in sever conditionJ.Electrical World,1989,(5):71-72.3 Sawada J,Kusumoto K,Munakata T. A mobile Robot for I

22、nspection of Power Transmission LinesC .IEEE Trans on power Delivery 1991,6(1):309-315.4 Montambault S,Cote J,St Louis,M.Preliminary results on the development of a teleoperated compact trolley for live-line workingC . Proceedings of the 2000 IEEE 9th International Conference on Transmission and Dis

23、tribution Construction, Operation and Live-Line Mainternance.2000:21-27.5 Sege Montambault,Nicolas Pouliot.Line Scout Technology:Development of an Inspection Robot Capable of Clearing Obstacles While Operating on a Live LineA .Proceedings of the 2006 IEEE 11th International Conference on Transmissio

24、n and Distribution Construction, Operation and Live-Line MainternanceC .2006.6 向阳琴. 输电线除冰机器人多传感器信息融合障碍物信息检测方法 D. 湖 南：湖南大学， 2010：2-5.7 Lahti K,Lahtinen M,et al.Trasnsmission line corona losses under hoar frost conditionsJ.IEEE Trans on Power Delivery,1997,12.廖祥林.导线覆冰性质分类和密度浅析D西南电力设计院，2010： 17-54.9 庄佳

25、兰.220KV输电线路除冰机器人机械本体研究D山东：山东科技大学, 2011： 1-57.10 苑吉河，蒋兴良，易辉等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状R湖北: 武汉高压研究所， 2003： 6-911 耿亮.输电线路除冰机器人越障机械臂控制研究D兰州：兰州理工大学，2010： 5-912 徐心和，郝丽娜，丛德宏 机器人原理与应用 东北大学人工智能与机器人 研究所，2004.13 李振宁.220kv高压输电线路寻线机器人控制系统的研制D武汉：武汉大 学，2005.14 金以慧，方崇智 过程控制 北京：清华大学出版社，199315 蔡自兴 机器人学 第一版 北京：清华大学出版社，200016 殷

26、际英，何广平 关节型机器人 北京：化学工业出版社，200317 孙富春，朱纪红 等译 机器人学导论 北京：电子工业出版社，200318 焦李成 神经网络系统理论 西安：西安电子科技大学出版社，199019 龙小乐，鲍务均等.输电导线覆冰研究J武汉水利电力大学学报，1996.20 谢运华.导线覆冰密度的研究J中国电力，199821 张宏志.大面积导线覆冰舞动事故的调查与分析J东北电力技术，1996.22 山霞舒，乃秋.关于架空输电线除冰措施的研究J高压电技术，2006.23 周凤余.110kv输电线路自动巡检机器人系统的研究D天津：天津大学，200824 左岐，谢植等.寻线机器人的发展与应用J机

27、器人技术与应用，2007.25 国网背景电力建设研究院 高压输电线路导线除冰装置 P 中国专利， 200820079832.726 魁北克水电公司 检测电力架空线网的遥控线路行车和破冰工具 P 加拿 大专利： 01805226.627 长 庆 石 油 勘 探 局 遥 控 电 动 机 械 式 线 路 除 冰 器 P 中 国 专 利 ， 200720311209728 Kobayashi H, Nakamura H, Shimade T An inspection robot for feeder cables-basci structure and controlC Proceeding of

28、the 1991 International Conference on Industrial Electronics, control and instrumentation, Kobe Japan, 1991 29 Nakamura H, Shimada T, Kobayashi H An inspection robot for feeder cables-snake like motion controlC Proceeding of the 1991 International Conference on Industrial Electronics, control and ins

29、trumentation, San Diego, USA, 200730 王吉岱.电力输电线路巡检机器人机械本体结构的研究D山东：山东科技 大学， 200531 朱兴龙.基于质心调节的巡检机器人机械系统研究D辽宁：中国科学院沈 阳自动化研究所博士后研究报告， 200632 朱兴龙，汪红光，房立金等.一种自主越障巡检机器人行走夹紧机构J机 械设计，2006.33 张运楚，梁自泽 等 架空电力线路巡线机器人的研究综述 J 机器人： 200434 Saw a T, Kurosaw a K, Kaminishi T, et al Development of optical instrument tr

30、ansformersJ IEEE Trans on Power Delivery， 199035 Madden W L, Michie W C, Cruden A, et al Temperature compensation for optical current sensorsJ Optical Engineering， 199936 Vladimir Lugovoi, Sergey Chereshniuk Calculation of the ice-wind loads on the overhead transmission linesR International workshop

31、 on atmospheric icing of Structures， 200237 Michel Landry, Roger Beauchemin, et al De-icing EHV overhead transmission lines using electromagnetic forces generated by moderate short-circuit currentsC 9th International Conference on Transmission and Distribution， 200038 周迪，黄素逸 覆冰导线风动脱冰研究 J 长沙电力学院学报（自然

32、科学 版）， 200239 Robert I, Robert L, et al An investigation of power line de-icing by electro-impulse methodsJ IEEE Trans on Power Deliver， 198940 钟新华，蔡自兴等.移动机器人运动控制系统设计及控制算法研究D.华 中科技大学学报， 200441 申铁龙 机器人鲁棒控制基础西安：西北工业大学出版社， 200842 Narendra K S, Pathasarathy K Identification and control of dynamical syst

33、ems using neural networksD IEEE Transactions on Neural Network， 199043 方正，杨华等.多节臂举升机器人中心推算的研究D机器人，2006.44 周风余，李贻斌 等 高压输电线电路自动寻线机器人机构设计在约束条件 下的逆运动学分析D中国机械工程，2006.45 熊有伦 机器人学 北京：机械工业出版社， 199346 熊有伦 机器人技术基础 武汉：华中理工大学出版社， 199647 Nakamura Y, Mukherjee R Nonholonomic path planing of space robotsD USA: Pro

34、ceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation， 198948 Lee, Huei-Huang Finite Element Simulations with Ansys Workbench 12MMission, KS: Schroff Development Corp，2010.49 R. Krishnan. Electric Motor DrivesM. Pearson Education: Delhi(India)，2003.50 A E Fitzgerald, Charles Kings

35、ley, Jr etal . Electric MachineryM . McGraw-Hill: Boston Mau，2003.51 耿欣，周延泽.巡检机器人的爬行方案设计J机器人技术与应用，200252 黄真，安永民.机器人机构学A. China Academic Journal ElectronicC， 1994-200653 李光辉，江全才.线路金具M.湖北武汉：湖北科学技术出版社，2008.54 夏德森，夏泓轩.国内架空输电线路防护金具J电力金具，2007.55 Xionglong Zhu, Hongguang Wang. An Autonomous Obstacles Negot

36、iating Inspection Robot for Extra-High Voltage Power Transmission LinesC. In The Ninth International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, Singapore, 2006.56 John Durkin. Expert System Design and DevelopmentM. New York: Macmillan Publishing Company， 1994.57 Valavanis K P, Sardis G

37、N . Information theoretic modeling of intelligent robotic systemsJ. IEEE Trans SMC， 1998.58 Sardis G N. Intelligent robotic controlJ. IEEE Trans AC， 1983.59 Fu K S. Learning control systems and intelligent control systems: An intersection of artificial intelligence and automatic controlJ. IEEE Trans AC， 1971.60 蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨J机器人，1996.61 蔡自兴，约翰德尔金等.高级专家系统：原理设计及应用M.北京科学出 版社， 2005.62 王鲁单，汪红光一种输电线路巡线机器人控制系统的设计与实现J机器 人， 2007.