輸電線路除冰機器人設(shè)計(開題報告)

1、重慶大學(xué)研究生學(xué)位論文選題報告及論文工作實施計劃學(xué) 院： 研究生院專 業(yè)： 控制工程姓 名： 張琨學(xué)位級別： 工程碩士指導(dǎo)老師： 鮮曉東2013年6月輸電線路除冰機器人的設(shè)計1研究目的意義以及國內(nèi)外研究概況1.1研究目的及意義在輸變電工程中，輸電線路覆冰是高壓線路的安全運行的重大隱患之一。輸電線路覆冰可引起導(dǎo)線舞動、桿塔傾斜、倒塌、斷線及絕緣子閃絡(luò)等問題1，從而導(dǎo)致通信中斷或大面積停電。然而，目前解決輸電線路覆冰的主要措施是以預(yù)防為主，緊急情況下大多數(shù)采用人工除冰的方式強制使輸電線表面的覆冰脫落。然而，人工除冰工作量大，速度慢，安全系數(shù)底，致使一旦輸電線路嚴(yán)重覆冰便會影響居民日常生活、造成經(jīng)濟

2、損失，使得冰害事故頻發(fā)等。圖1.1 線路覆冰導(dǎo)致輸電線塔桿倒塌針對輸電線路覆冰現(xiàn)象及危害，近年來國內(nèi)外大力開展對自動除冰機器人的研究，但大多數(shù)除冰機器人在對整條輸電線進(jìn)行除冰時不能自動越過絕緣子、防震錘、懸垂線夾等障礙物，因此，能夠智能化、高效安全的對輸電線路進(jìn)行除冰，成為保證高壓線路安全運行的一大課題。由此可見，輸電線路的正常維護(hù)和覆冰線路的及時除冰，對于保障電力系統(tǒng)的安全運行乃至國民經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展都有著重要的意義。所以本設(shè)計著力于設(shè)計和開發(fā)一種能自動循跡、自動越障、自動除冰的自動化除冰機器人。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外技術(shù)研究現(xiàn)狀在輸電線除冰機器人的研究領(lǐng)域中，美國TRC公司早在1

3、989年便研制了自治尋線機器人原型，該機器人不僅能沿架空導(dǎo)線上遠(yuǎn)距離爬行，還能執(zhí)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點、壓接頭等視覺檢查任務(wù)，并能對探測到的線路故障數(shù)據(jù)預(yù)處理后，傳送給地面工作人員，當(dāng)機器人遇到塔桿時，利用手臂采用仿人攀援的方式從側(cè)面越過塔桿2。同年，日本東京電力公司研制出尋線機器人，該尋線機器人能掛鉤在架空輸電線路上行走，具有跨越防震錘，塔桿等各種障礙的功能3。在2000年，加拿大魁北克水電研究院研制的名為HQLineROVer遙控小車4，不僅能對輸電線路的故障進(jìn)行紅外檢查，還能對壓接頭狀態(tài)自動進(jìn)行評估，并能完成導(dǎo)線與地線的更換，同時也能夠完成導(dǎo)線清污、導(dǎo)線除冰，但HQLineROVer

4、遙控小車是在人工遙控下運行的，自動化程度較低，并且無越障能力。當(dāng)遇到障礙物需要人工進(jìn)行調(diào)整。圖1.2 HQ LineROVer遙控小車2009年，加拿大魁北克水電研究院研制了名為LineScout小車，該小車具有越障功能，突破了除冰機器人無法越障的瓶頸，該越障機構(gòu)采用了仿人手臂攀援機構(gòu)5。1.2.2國內(nèi)技術(shù)研究現(xiàn)狀輸電線路除冰機器人在國內(nèi)最早的研究始于1998年，武漢大學(xué)研制出了架空高壓線路尋線小車，不僅可以通過人工遙控和機械控制器可以實現(xiàn)穩(wěn)定的行走和越障礙功能，還可以跨越輸電線路上的絕緣子、防震錘、懸垂線夾等主要障礙物，并利用紅外故障診斷儀完成了線路的診斷。目前該項目組針對22OkV單分裂相

5、線進(jìn)行了巡線機器人關(guān)鍵技術(shù)的研究,在機器人越障能力、智能控制、移動導(dǎo)航、多傳感器技術(shù)等方面取得了全面的突破，使巡線機器人能夠避開和跨越高壓輸電線路的各種障礙物6。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所在863計劃的支持下開展了“500KV地線巡檢機器人的研制”課題攻關(guān)，并研制出試驗樣機。該課題成功攻克了機器人機構(gòu)、自主控制、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，成功地開發(fā)出由巡檢機器人和地面移動基站組成的系統(tǒng)，完成了超高壓實際環(huán)境下的巡檢試驗。該機器人能夠沿500KV地線行走、實時檢測和跨越障礙，并可以檢測輸電線、防震錘、絕緣子和桿塔等輸電設(shè)備的損傷情況。該巡檢機器人的成功研制，在機器人本體、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等方

6、面積累了豐富的經(jīng)驗6。2004年，中國科學(xué)院蘭州分院成功研制出了高壓輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)，該巡檢機器人包括系統(tǒng)電源、機器人本體、控制系統(tǒng)、檢測設(shè)備和通訊設(shè)備，底面設(shè)施包括上下塔桿輔助設(shè)施和底面基站。經(jīng)過現(xiàn)場實驗，該設(shè)備具有較好的尋線功能，不僅能夠完成機器人在線路上自主行走，還能夠通過攝像頭實現(xiàn)實時監(jiān)控功能7。此外北京航空航天大學(xué)、武漢大學(xué)、東南大學(xué)、山東大學(xué)也開始了對輸電線路除冰機器人的研究工作。2論文的理論依據(jù)、研究方法、研究內(nèi)容2.1理論依據(jù)2.1.1輸電線路覆冰類型與特點覆冰是在大氣溫度接近或低于0時，有降水并被冰結(jié)在溫度接近或低于0的物體上的白色透明或不透明的冰層。若被覆冰物是導(dǎo)線，

7、則稱之為導(dǎo)線覆冰。地面氣象觀測規(guī)范中稱覆冰為積冰，有的地方叫凝冰，也有叫桐油凌、結(jié)冰等8。線路覆冰分類及特點如表2.1所示。湖南、湖北、江西等省，每逢嚴(yán)冬和初春季節(jié)，陰雨連綿，空氣濕度很高（90%以上），導(dǎo)線極易覆冰，多位雨淞；云南、貴州等高海拔地區(qū)，覆冰多位霧凇或混合淞9。表2.1 線路覆冰分類及特點名稱性質(zhì)形成條件及過程危害雨淞透明或半透明的冰，分布均勻、堅硬，可形成冰柱，密度為0.9g/cm3，粘附力很強在低地過冷卻雨或毛毛細(xì)雨落在地域凍結(jié)溫度的物體上形成，氣溫-20；在山地由云中來的冰晶或含有大水滴的底面霧在高風(fēng)速下形成，氣溫-40。最嚴(yán)重的一種覆冰形式，導(dǎo)線形成雨淞后，如遇降雪或霧凇

8、將導(dǎo)致覆冰迅速增長，且因密度大，產(chǎn)生的機械符合也最大。霧凇白色，粒狀雪，質(zhì)輕，為相對堅固的結(jié)晶，密度0.30.6g/cm3，粘附力頗弱。在中等風(fēng)速下形成，在山地由云中來的冰晶或含水滴的霧形成，氣溫-13-8。附著力相當(dāng)弱，對線路一般不構(gòu)成威脅。混合淞不透明（奶色）或白透明冰，常由透明和不透明冰層交錯形成，堅硬；密度0.60.9g/cm3。粘附力強，生長速度快。在低地由云中來的冰晶或有雨滴的底面霧形成，氣溫-50；在山地，相當(dāng)高的風(fēng)速下，由云中水的冰晶或帶有中等大小水滴的底面霧形成，氣溫-4-3?；旌箱潦且粋€符合覆冰過程，首先是雨淞，然后是霧凇，是一種交替的形式，生長速度快，對導(dǎo)線危害特別嚴(yán)重。

9、白霜白色，雪狀，不規(guī)則針狀結(jié)晶，很脆而輕，密度0.050.3g/cm3，粘附力弱。水汽直接凝結(jié)而成，發(fā)生在寒冷平靜的天氣，氣溫低于-10。粘附力弱，幾乎不對線路構(gòu)成威脅，但會增加輸電線路的電暈損失雪和霧在低地為干雪，密度低，粘附力弱；在丘陵為凝結(jié)雪和雨夾雪或霧，重量達(dá)粘附雪經(jīng)過多次融化和凍結(jié)，成為雪和冰的混合物，可以達(dá)到相當(dāng)高的重量和體積。粘附力弱，幾乎不會對線路構(gòu)成威脅，但會增加電暈損失。2.1.2輸電線路導(dǎo)線覆冰導(dǎo)致的事故導(dǎo)線覆冰覆冰引起的事故可以分為如下幾類：（1）過負(fù)載事故過負(fù)載事故為導(dǎo)線覆冰超過設(shè)計抗冰厚度，即覆冰后質(zhì)量、風(fēng)壓面積增加而導(dǎo)致的機械和電氣方面的事故。這種事故造成金具損壞

10、、導(dǎo)線斷股、塔桿損折、絕緣子串翻轉(zhuǎn)、撞裂等機械事故；也可能使弧垂增大，造成閃絡(luò)和燒傷、燒斷導(dǎo)線的電氣事故。（2）不均勻覆冰或不同使其脫冰事故響鈴檔的不均勻覆冰或線路不同期脫冰會產(chǎn)生張力差、損壞金具、導(dǎo)線和絕緣子及使導(dǎo)線電氣間隙減少，發(fā)生閃絡(luò)，也有可能破壞塔桿。（3）覆冰導(dǎo)線舞動不均勻覆冰或冰、風(fēng)荷載的作用使導(dǎo)線產(chǎn)生自激震蕩和低頻率的舞動，造成金具損壞、導(dǎo)線斷股、斷線和塔桿傾斜或倒塌等機械及電氣事故10。2.1.3輸電線路的除冰技術(shù)目前國內(nèi)外除冰方法有多種，可分為如下4類10：（1）熱力除冰法利用附加熱源或?qū)Ь€自身發(fā)熱，使冰雪在到線上無法積覆，或是使已經(jīng)積覆的冰雪融化。目前應(yīng)用較多的是低居里鐵磁

11、材料，這種材料在溫度0時，不無要融冰，損耗很小。這種方法除冰的效果較為明顯，低居里熱名防冰套筒和低居里磁熱線已投入工程實用。采用人力和動力繞線機除冰能耗成本較高。（2）機械除冰法機械外力除冰最早采用有“ad hoc”法、滑輪鏟刮法和強力振動法，其中滑輪鏟刮法較為實用，它耗能小，價格低廉，但操作困難，安全性能亦需完善。采用電磁力或電脈沖使導(dǎo)線產(chǎn)生強烈的而又在控制范圍內(nèi)震動來除冰，對霧凇有一定的效果，對雨淞效果有限，除冰效果不佳。（3）被動除冰法在到線上安裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置可使到線上的覆冰堆積到一定程度時，由風(fēng)或其它自然力的作用自行脫落。該法簡單易行，但可能因不均勻或不同使其脫冰產(chǎn)生的導(dǎo)線跳躍

12、的線路事故。（4）其他除冰法除上訴方法外，電子凍結(jié)、電暈放電和碰撞前顆粒凍結(jié)、加熱等方法也正在國內(nèi)外研究。2.1.4機器人的常用控制策略在目前情況下，機器人建模時總存在誤差、各種擾動和一些未知參數(shù)等各種不確定性因素。輸電線路除冰機器人在系統(tǒng)運行的環(huán)境較為復(fù)雜，在復(fù)雜環(huán)境下運行、跨障、除冰等系統(tǒng)穩(wěn)定性尤為重要，目前采用或正在大力研究的主要控制策略有11：（1）傳統(tǒng)PID控制早期的機器人控制大多采用分散單關(guān)節(jié)PID控制，PID控制作為傳統(tǒng)控制方法，其最大的優(yōu)勢就是設(shè)計簡單，個參數(shù)作用、意義明確；另外相應(yīng)的參數(shù)整定技術(shù)也經(jīng)歷多年不斷發(fā)展趨于成熟。（2）自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制的方法就是在運行過程中不斷測

13、量受控對象的特征，根據(jù)測得的特征信息使控制系統(tǒng)按最新的特性實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制。自適應(yīng)控制能認(rèn)識環(huán)境的變化，并能改變控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，自動調(diào)整控制作用，以保證系統(tǒng)達(dá)到滿意的效果。自適應(yīng)控制是以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，它不僅要求事先知道對象的模型結(jié)構(gòu)信息，還需要通過辨識獲取對象的精確模型。（3）魯棒控制魯棒控制可以在不確定因素的一定變化范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定和維持一定的性能指標(biāo)，它是一種固定控制，比較容易實現(xiàn)。一般魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計是以一些最差的情況為基礎(chǔ)，因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。（4）智能控制在研究機器人等被控對象的模型存在不確定性及位置環(huán)境交互作用較強下的控制時，智能控制方法得到了成功的

14、應(yīng)用。智能控制包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、集成智能控制、學(xué)習(xí)控制以及專家控制等。人工智能與傳統(tǒng)方法不同，它避開了過去那種對多自由度機器人動力學(xué)模型不確定性無止境的探索，轉(zhuǎn)而模擬人腦來處理那些實實在在發(fā)生了的事情。2.2研究思路本文首先通過對輸電線路的研究，了解輸電線路的種類、電壓等級、輸電線路的結(jié)構(gòu)等，確定影響機器人自動化運行的各種因素，并總結(jié)輸電線覆冰現(xiàn)象的特點，進(jìn)而確定機器人尋線、越障、除冰的方式，建立除冰機器人整體構(gòu)架，為除冰機器人的機械結(jié)構(gòu)（其中包括尋線、越障、除冰機構(gòu)）設(shè)計提供依據(jù)。其次，在機械結(jié)構(gòu)確定的前提下，結(jié)合輸電線結(jié)構(gòu)、覆冰的現(xiàn)象以及根據(jù)機器人執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)時需要識別的信息，確

15、定所需傳感器種類；并根據(jù)除冰機器人運行環(huán)境、硬件尺寸、控制精度、功耗要求等，對相應(yīng)的傳感器進(jìn)行選型。再次，設(shè)計控制電路，優(yōu)選控制方式，使除冰機器人能在對輸電線路除冰的同時并能跨越絕緣子、懸垂線夾、防震錘等障礙物，并且能保證除冰機器人運行的穩(wěn)定性、可靠性。最后，將機器人應(yīng)用于模擬現(xiàn)場，檢驗該機器人的穩(wěn)定性、可靠性及安全性。輸電線路除冰機器人相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研、現(xiàn)場資料收集輸電線路結(jié)構(gòu)、覆冰特點等研究除冰機器人功能分析確定傳感器種類及選型除冰機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人識別信息確定機器人運行參數(shù)確定機器人控制電路設(shè)計機器人控制方式研究對機器人進(jìn)行軟件開發(fā)現(xiàn)場測試并調(diào)試確定除冰機器人整體架構(gòu)圖1 輸電線路除冰機器

16、人研究思路2.3研究內(nèi)容鑒于目前我國缺乏一種能自動循跡、自動越障、自動除冰的自動化除冰機器人，本設(shè)計將針對輸電線路結(jié)構(gòu)及覆冰特點等，設(shè)計除冰機器人的尋線機構(gòu)、除冰機構(gòu)、越障機構(gòu)等機械結(jié)構(gòu)，并結(jié)合機器人運行方式及所要感知的參數(shù)等確定所需傳感器并對傳感器進(jìn)行選型，同時確定除冰機器人的控制方式并對除冰機器人的控制電路進(jìn)行設(shè)計，利用C語言對機器人軟件進(jìn)行開發(fā)。具體研究內(nèi)容如下：1.通過翻譯和研讀國內(nèi)外相應(yīng)的文獻(xiàn)及資料，研究輸電線路結(jié)構(gòu)及覆冰特點，研究輸電線路除冰原理及工作方式，同時總結(jié)影響機器人除冰過程的重要因素，并對各個重要因素進(jìn)行分析與研究。2.根據(jù)對國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的研讀及各個要點的總結(jié)，確定除冰

17、機器人的工作流程，從而對該機器人的總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。3.結(jié)合輸電線路結(jié)構(gòu)及覆冰特點，根據(jù)確定的總體架構(gòu)，對機器人的機械結(jié)構(gòu)（除冰機構(gòu)、尋線機構(gòu)、越障機構(gòu)）進(jìn)行設(shè)計。4.根據(jù)機器人運行時所要識別的信息，確定所需的傳感器種類，并結(jié)合影響機器人運行的各個參數(shù)對傳感器進(jìn)行選型。5.結(jié)合已確定的機器人運行方式以及機械結(jié)構(gòu)與傳感器，確定除冰機器人的控制方式。保證除冰機器人在自動尋線、自動越障、自動除冰的過程中的穩(wěn)定性、可靠性、安全性。6.在已確立的除冰機器人的機械結(jié)構(gòu)之上，結(jié)合優(yōu)選出的傳感器，在以簡潔、可靠、低功耗的前提下，設(shè)計除冰機器人的控制電路。7.基于已確定的除冰機器人的機械結(jié)構(gòu)、傳感器、控制電路等

18、硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合相應(yīng)的控制算法，利用C語言完成除冰機器人的軟件開發(fā)，同時將機器人運用于模擬現(xiàn)場，以驗證該機器人運行的穩(wěn)定性、可靠性、安全性。3預(yù)期結(jié)果及可能存在的問題3.1預(yù)期的結(jié)果 本文通過對輸電線路結(jié)構(gòu)、覆冰現(xiàn)象及國內(nèi)外除冰機器人的研究，設(shè)計滿足能自動尋線、自動越障、自動除冰的自動化機器人。利用該機器人提高工作效率，保證高壓線路安全運行。1.掌握輸電線路基本知識，如機械結(jié)構(gòu)，覆冰原因及特點等，并由此設(shè)計出除冰機器人的運行方式以及整體構(gòu)架。2.深入研究能完成各個功能的經(jīng)典機械結(jié)構(gòu)，并設(shè)計、制作出能完成機器人尋線的機械結(jié)構(gòu)。3.通過對機械結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計、制作出能在輸電線路上完成安全、穩(wěn)定的除冰

19、動作的機械結(jié)構(gòu)。保證輸電線路在除冰過程中的安全運行。4.研究越障機械結(jié)構(gòu)，并正對輸電線路的障礙物設(shè)計、制作出在尋線、除冰過程中能跨越絕緣子、懸垂線夾、防震錘等障礙物的越障機械結(jié)構(gòu)。5.通過研究各種控制算法，優(yōu)選出適于除冰機器人的控制算法，并結(jié)合優(yōu)選的傳感器完成相應(yīng)的控制電路，保證除冰機器人的可靠、低功耗。3.2可能存在的問題根據(jù)初步擬定的除冰方案，該設(shè)計可能存在以下幾個問題：1.在除冰機器人工作之前，需要人工除去一段長度略大于機器人身長的輸電線路的覆冰，以保證機器人能抱住輸電線，繼而進(jìn)行穩(wěn)定的尋線。2.由于導(dǎo)致輸電線路覆冰的氣溫非常低，故除冰機器人處于低溫工作環(huán)境，而該設(shè)計中的選型并未選用特殊

20、材質(zhì)，而主要較之性價比考慮，故硬件及傳感器等可能在異常低溫的工況下產(chǎn)生不穩(wěn)定、異常的現(xiàn)象。3.由于除冰工具尺寸選擇不合理、覆冰影響等因素造成除冰機器人在工作時劃傷線路的絕緣皮。進(jìn)度安排序號內(nèi)容起止日期1資料調(diào)研、題目論證2013.052013.052查閱文獻(xiàn)，論證并確立系統(tǒng)設(shè)計方案2013.052013.063確定研究方案，撰寫開題報告2013.062014.074除冰機器人的除冰機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計2013.072013.085除冰機器人的控制方法及程序編寫2013.082013.106除冰機器人的系統(tǒng)測試2013.102013.117學(xué)位論文撰寫2013.112013.128畢業(yè)答辯2013.12

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