一種輸電線路的智能多功能除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

穆聰 火久元 劉釗文 張晶 趙志祿

關(guān)鍵詞：輸電線路;除冰;嵌入式系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2008年初，我國(guó)南方發(fā)生的大范圍惡劣低溫雨雪冰凍天氣給輸電線路帶來(lái)了巨大的損毀和經(jīng)濟(jì)損失，尤其長(zhǎng)距離輸電線路當(dāng)處于雨雪冰凍等極端災(zāi)害下會(huì)顯得極度脆弱。大部分地區(qū)的輸電線路上出現(xiàn)了冰閃跳閘、變電站停運(yùn)、設(shè)備損毀、桿塔倒塌等事故。供電中斷給生產(chǎn)生活帶來(lái)了嚴(yán)重影響。我國(guó)是一個(gè)輸電用電大國(guó)，如何加強(qiáng)和改善輸電線路在冰凍極端災(zāi)害條件的抗災(zāi)害能力，加快研究有效的輸電線路除冰技術(shù)，最大限度地避免和防止冰凍災(zāi)害對(duì)輸電線路造成的危害成為國(guó)內(nèi)外一個(gè)重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

現(xiàn)有的除冰方式主要包括人工外力敲打法、大電流熱熔法等，但是上述方法受到技術(shù)、成本和人員安全性等因素的極大限制。隨著嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)采用智能化的除冰機(jī)器人替代原有除冰方式成為可能。與原有傳統(tǒng)的人工除冰法和大電流熱熔除冰法相比，采用智能機(jī)器人具有高效、無(wú)人員安全隱患，長(zhǎng)距離全天候工作等優(yōu)勢(shì)，因此多功能智能除冰機(jī)器人成為特種機(jī)器人研發(fā)工作的重要方向。目前，針對(duì)輸電線路的機(jī)器人主要用于輸電線路的巡檢工作。線路巡檢機(jī)器人的研發(fā)工作雖然始于日本，但緊隨其后美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)展了針對(duì)于巡線機(jī)器人的研發(fā)。

我國(guó)的巡線機(jī)器人始于20世紀(jì)90年代，起初的研究針對(duì)于巡線領(lǐng)域，對(duì)線路除冰機(jī)器人工作并未大幅度開(kāi)展。文獻(xiàn)中介紹了加拿大魁北克水電研究院于2000年研制的LinerROVER遙控小車，該小車可以清除短距離線路上的少量覆冰。文獻(xiàn)介紹了山東電力研究院與加拿大魁北克水電研究院合作研發(fā)了LinerRover小車的升級(jí)版，升級(jí)版小車在遠(yuǎn)程通信控制等方面得到了提升。后期湖南大學(xué)聯(lián)合國(guó)防科大、武漢大學(xué)等多家單位也對(duì)除冰機(jī)器人展開(kāi)了研發(fā)工作。但是由于在一些冰凍災(zāi)情嚴(yán)重的環(huán)境下，現(xiàn)有的機(jī)器人在功能、結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)程通信、控制等方面還是無(wú)法滿足用戶方需求。文獻(xiàn)介紹一種利用破冰錐的特殊結(jié)構(gòu)用來(lái)除冰，但當(dāng)破冰錐過(guò)長(zhǎng)就會(huì)割傷線路，破冰錐過(guò)短則會(huì)影響到除冰效果。文獻(xiàn)中的方案考慮到破冰效果，但是冰層的厚度對(duì)刀頭的尺寸有嚴(yán)格的要求?；谝陨瞎ぷ鞑⒔Y(jié)合分析，設(shè)計(jì)一款智能高效的除冰機(jī)器人是非常有意義的。

1智能除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)思路

本文舍棄國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)除冰控制的各類方案，采用由光伏組件組建的太陽(yáng)能供電的智能長(zhǎng)距離無(wú)線控制除冰機(jī)器人。除冰機(jī)器人使用嵌入式控制結(jié)合機(jī)械自動(dòng)除冰，具有在極端冰凍災(zāi)害的環(huán)境下工作的能力。智能除冰機(jī)器人機(jī)體結(jié)構(gòu)主要由除冰結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及動(dòng)力提供系統(tǒng)五個(gè)部分構(gòu)成。除冰結(jié)構(gòu)是利用四旋翼無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行覆冰清除;控制系統(tǒng)部分是利用主控制器和擴(kuò)展板與編程實(shí)現(xiàn);運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)可調(diào)節(jié)滑軌、步進(jìn)電機(jī)、凹槽滑輪三大結(jié)構(gòu)組成。通信系統(tǒng)借助無(wú)線模塊和定位模塊實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信、定位等功能，配合搭載有攝像頭的無(wú)線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在工作狀態(tài)下對(duì)輸電線路及周圍環(huán)境的監(jiān)控，除此之外在動(dòng)力提供系統(tǒng)利用太陽(yáng)能光伏組件供電提高續(xù)航能力。最后智能除冰機(jī)器人以電子機(jī)械實(shí)物的方式展現(xiàn)，能夠完成輸電線路周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程通信與控制、太陽(yáng)能供電并保證移動(dòng)速度及平穩(wěn)性等各項(xiàng)性能的運(yùn)行。從而形成一系列除冰工作的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

智能除冰機(jī)器人是電子、通信、計(jì)算機(jī)、機(jī)械多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，由于國(guó)內(nèi)外至今尚無(wú)成熟的技術(shù)與方案，但是由于應(yīng)用環(huán)境的特殊與復(fù)雜導(dǎo)致技術(shù)實(shí)現(xiàn)存在一些問(wèn)題，需要研究的關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1無(wú)損傷除冰結(jié)構(gòu)

智能除冰機(jī)器人的核心功能是高效的除去輸電線路上的覆冰的同時(shí)，不損傷輸電線路不影響輸電線路的正常運(yùn)行同樣需要考慮。通常在冰雪災(zāi)害發(fā)生時(shí)覆冰形狀為依附輸電線路形狀成“一”字形延展，除冰方式有擼剝式，鉆擊式和旋鉆式等。本文設(shè)計(jì)了四旋翼無(wú)刷電機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)行覆冰清除。

擼剝式主要被用于人工除冰工作，工作人員在輸電線上套掛環(huán)裝物，下發(fā)進(jìn)行拖拽。除冰效率低且效果一般，除冰過(guò)程中易造成電纜的損毀，與此同時(shí)易造成工作人員觸電、磕碰、跌落等安全事故。依據(jù)動(dòng)力，對(duì)線路損毀、安全性、除冰效率、除冰效果四個(gè)參數(shù)的對(duì)比，可以得出電機(jī)旋刷式的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比情況見(jiàn)下表：

2.2關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

2.2.1主控制器單元

由于所需的數(shù)據(jù)量大且對(duì)運(yùn)算速率有嚴(yán)苛的要求，本文選擇Arduino系列的Mega2560作為主控制器，相比于其他主控制器，Arduino Mega2560具有多I/O接口，兼容Arduino UNOR3設(shè)計(jì)擴(kuò)展板等諸多優(yōu)勢(shì)。本文采用的第三版Arduino，相比與其他有以下特點(diǎn)：

（1）在AREF處增加了兩個(gè)管腳SDA和SCL，支持12C接口;增加IOREF和一個(gè)預(yù)留管腳，將來(lái)擴(kuò)展板將能兼容5V和3.3V核心板。

（2）改進(jìn)了復(fù)位電路設(shè)計(jì)。

（3）USB接口芯片由ATmegal6U2替代了ATmega8U2。

2.2.2無(wú)線模塊單元

本文采用NRF24L01無(wú)線模塊，在2.4GHz一2.5GHz ISM頻段工作。模塊內(nèi)置：頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)Shock Burst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。

NRF24L01的優(yōu)勢(shì)在：

（1）功耗低，在以6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只需要9mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3mA。

（2）具有多種低功率工作模式。

（3）在數(shù)據(jù)傳輸方面實(shí)現(xiàn)相對(duì)Wi-Fi距離更遠(yuǎn)。

2.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

為了保證足夠的動(dòng)力，機(jī)器人車體部分采用四驅(qū)方式。本驅(qū)動(dòng)采用的是大功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960組成的H橋驅(qū)動(dòng)模塊，采用74HC244芯片有效隔離主控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本驅(qū)動(dòng)模塊具有過(guò)流過(guò)熱保護(hù)功能，且雙BTS7960H橋驅(qū)動(dòng)模塊電路具有強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)和剎車效果。