基于光流勻速遠(yuǎn)程操控樹障清理機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

毛唯物，宋延輝，陸文鋒，孫顯酉，朱和平

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司建湖縣供電分公司，江蘇 建湖 224700）

0 引言

建湖縣域內(nèi)輸電線路中存在大量分布于鄉(xiāng)村郊區(qū)的線路，每年線路通道內(nèi)都會生長大量的白楊樹、竹柳樹等生長周期短、樹木體形大的樹種，輸電線路通道樹障問題嚴(yán)重，導(dǎo)致安全距離不足，影響線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，每年需要投入大量人力、財(cái)力對通道內(nèi)樹障進(jìn)行砍伐清理。目前只有人工進(jìn)行砍伐和修理一種方式，但由于在高壓輸電線路下工作，此操作較為危險，且由于人力限制，工作效率無法得到保證。目前急需一種更省時省力、更安全的輸電線路通道樹木清理方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力砍伐樹木方式[1]。

1 樹障爬行機(jī)的設(shè)計(jì)研究

機(jī)器人替代人工作業(yè)，需要解決兩方面的問題：一是自主行走，二是執(zhí)行任務(wù)單元，兩者缺一不可。多足仿生技術(shù)的輸電線路樹障清理機(jī)器人，同樣需要解決這兩方面的問題。為此我們研究了3種類型的多足仿生爬樹方法。

（1）基于單搖臂爬樹方法研究：該爬樹方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，適合于便捷式工具產(chǎn)品；缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)算法復(fù)雜，適應(yīng)樹木種類性差，爬行過程中存在墜落風(fēng)險。

（2）基于毛毛蟲爬樹方法研究：該爬樹方法的優(yōu)點(diǎn)是樹徑適應(yīng)范圍大，帶載能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是爬行速度慢，爬行過程中存在墜落風(fēng)險。

（3）基于蛇形爬樹方法研究：該爬樹方法的優(yōu)點(diǎn)是采用節(jié)單元模塊設(shè)計(jì)，可以根據(jù)使用樹徑自由拼裝節(jié)數(shù)，“蛇頭”采用快裝方式，可以根據(jù)使用需求搭載不同種類傳感器，爬行過程中無墜落風(fēng)險；缺點(diǎn)是帶載能力差，因而作為樹障清理執(zhí)行機(jī)器人無法搭載大功率切割設(shè)備。

綜合以上爬樹方法的優(yōu)缺點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、帶載能力強(qiáng)、爬行穩(wěn)定可靠的爬行機(jī)器。為此，我們結(jié)合了毛毛蟲的爬樹方法與蛇形爬樹方法的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種“閉環(huán)螺旋攀爬樹障清理機(jī)器人”。該方法爬行原理與蛇形爬樹方法相似，采用了“阿基米德螺旋線運(yùn)動學(xué)的機(jī)理”，但屬于閉環(huán)爬行，通過多個爬行輪與樹桿之間的彈力產(chǎn)生摩擦力，驅(qū)動負(fù)載能力較強(qiáng)，可以塔載大功率切割設(shè)備。設(shè)計(jì)的機(jī)器人體積不大于800 mm×800 mm×500 mm、模塊化設(shè)計(jì)且單模塊質(zhì)量小于20 kg。設(shè)計(jì)的樹障清理機(jī)器人可適配稍經(jīng)100 mm、根經(jīng)350 mm的樹木種類，攀爬平臺具備自動或遙控上下操作，具有防墜落功能。

2 樹障清理的方法研究

研究一種便攜式微小型化的電動線鋸裝置模塊，安裝在爬樹機(jī)器人頂部，實(shí)現(xiàn)對樹障的水平斷尖、垂直修枝功能。該電動線鋸清理裝置主要包括上下機(jī)械手裝置、推桿伸縮裝置、抱樹爬行轉(zhuǎn)動裝置、水平推進(jìn)切割裝置；其中，上下機(jī)械手裝置、推桿伸縮裝置與連接桿轉(zhuǎn)動裝置構(gòu)成爬樹行走系統(tǒng)，通過時序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抱樹上下爬行、抱樹左右旋轉(zhuǎn)；電動鋼絲鋸安裝在電動萬向頭上，其線鋸切割方向以水平面為基準(zhǔn)可從不同角度進(jìn)行切割。通過光電傳感器技術(shù)獲取機(jī)器人足與樹干相對位置，并結(jié)合機(jī)器人攜帶攝像頭獲取的實(shí)時圖像比對完成機(jī)器人在非視條件下一鍵自主行走功能。此外，通過傳感器與圖像數(shù)據(jù)比對結(jié)果，輔助操控人員進(jìn)行手動操作[2]。

3 光流傳感器的研究

樹障清理機(jī)器人視覺是通過光學(xué)裝置和非接觸式的傳感器自動接收并處理真實(shí)物體圖像信息，并通過分析獲得所需要信息或用于控制機(jī)器人自身運(yùn)動的裝置。視覺控制以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人控制為目的進(jìn)行圖像的自動獲取與分析，因此它是利用機(jī)器視覺的原理，對直接得到的圖像反饋信息快速進(jìn)行圖像處理，在盡量短的時間內(nèi)給出反饋信息，調(diào)整樹障清理機(jī)器人的位置和姿態(tài)。光流法作為計(jì)算機(jī)視覺高級功能的一種基本方法，已經(jīng)成功運(yùn)用在圖像識別、目標(biāo)追蹤、圖像編碼、運(yùn)動分析很多領(lǐng)域。

樹障清理機(jī)器人采用阿基米德螺旋線運(yùn)動學(xué)的機(jī)理爬行。作業(yè)對象樹木上細(xì)下粗，爬行過程如不對樹桿切線方向速度進(jìn)行均速控制，則會出現(xiàn)沿樹桿直徑方向不均勻的角速度。不均勻的角速度會行成不同的向心力，向心力改變會影響行走輪上壓力改變，從而影響爬行摩擦力。因此，需要對爬行速度進(jìn)行測量，通常采用加速度計(jì)、陀螺儀、電磁羅盤等傳感器進(jìn)行測量，根據(jù)傳感器的測量值的積分得到移動機(jī)器人的位置和姿態(tài)信息。其中，加速度計(jì)的測量值需要通過兩次積分才能得到機(jī)器人的位置信息，對溫度漂移敏感，并且一旦加速度的傾角超過0.5°，測量誤差將非常大，故只能應(yīng)用在比較平緩的路面。相比與加速度計(jì)，陀螺儀提供的航向信息更加準(zhǔn)確，但是它的測量值是角速度，必須通過一次積分才能得到航向信息，因此，靜態(tài)偏差漂移會帶來很大的誤差。電子羅盤可以直接獲得機(jī)器人的航向信息，但是在城市街道、室內(nèi)等有較多電磁干擾的環(huán)境中有較大的干擾，不適合電子干擾比較強(qiáng)的區(qū)域。

4 電機(jī)勻速驅(qū)動的設(shè)計(jì)研究

電機(jī)驅(qū)動是自主行走的技術(shù)核心，該系統(tǒng)主要由以下四部分組成：動力電源系統(tǒng)、四組輪轂電機(jī)、光流傳感器、采集驅(qū)動通信單元。采集通信驅(qū)動單元在驅(qū)動牽引電機(jī)的同時，實(shí)時地對輪轂電機(jī)力矩、速度進(jìn)行采集。

圖1 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)功能框架圖

作為自主行走裝置，如果在樹徑發(fā)生變化時，會出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電機(jī)在堵轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)較大的電流。如果不采取電機(jī)驅(qū)動保護(hù)措施，可能使電路控制部分損壞，這樣整套設(shè)備就無法操作控制。因此需建立控制信號與反饋力的關(guān)系統(tǒng)模型。電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式為

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；U為電機(jī)端電壓（V）；

為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；R為電機(jī)電阻（Ω）。當(dāng)相位角趨于最大時，擺動轉(zhuǎn)速為零，此時n＝0，因此由式（1）、式（2）得出

由式（3）可知，在電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，在電驅(qū)電阻R及磁通量均不變的條件下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)端電壓成正比。因而電機(jī)驅(qū)動采用調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓的方式。

5 微功耗無線射頻傳輸技術(shù)的研究

為滿足樹障清理機(jī)器人操作工作人員身臨其境直觀的信息，使操作工作人員現(xiàn)場做出正確的決策和措施，實(shí)現(xiàn)高速的無線通信質(zhì)量是樹障清理機(jī)器人大數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)所在。采用5G技術(shù)自建通信網(wǎng)絡(luò)的方案，2-FSK、GFSK調(diào)制方式，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾能力，可有效滿足樹障機(jī)器人多通道視頻及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

6 雙電源自動切換裝置的研究

樹障清理機(jī)器人因其便攜式的需要，選用能量密度、可靠性、安全性高的鋰電池作為動力電源。為保障樹障機(jī)器人的額定工作時間，不出現(xiàn)因電池耗盡無法操控。電源系統(tǒng)采用了雙電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為符合本項(xiàng)目使用，電池性能指標(biāo)及電池使用條件一般應(yīng)考慮以下幾個方面。

⊙ 電池的工作電壓。

⊙ 電池的工作電流：即正常放電電流和峰值電流。

⊙ 電池工作時間：包括連續(xù)放電時間、使用期限或循環(huán)壽命。

⊙ 電池工作環(huán)境：包括電池工作環(huán)境及環(huán)境溫度。

⊙ 電池的最大允許體積：特別是隨著電子產(chǎn)品的小型化和輕量化，允許電池存在的空間將越來越有限。

7 結(jié)束語

采用多足仿生技術(shù)的輸電線路樹障清理機(jī)器人作為樹障清理工具，尤其作為便捷式工具需好用、耐用，由于制造工藝、設(shè)計(jì)安裝、缺陷類型、失效機(jī)制、運(yùn)行操作的復(fù)雜性，尚有下列基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步突破。

（1）便捷性。該項(xiàng)目的成果是便捷式的機(jī)器人替代人工作業(yè)，便捷性尤為重要，除選用密度更小強(qiáng)度更大的材料外，更需要在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上將設(shè)備向集成化方向優(yōu)化，其一為動力電池與框架結(jié)構(gòu)的集成，其二為輪轂電機(jī)與整機(jī)結(jié)構(gòu)的集成。

（2）適應(yīng)性。通常清理對象為生長接近高壓輸電線路導(dǎo)線的樹尖，此時高壓電磁場較強(qiáng)，如果機(jī)器人在樹桿中間過長，影響安全放電間距，存在二次風(fēng)險，因此需要便捷小尺寸的機(jī)器人能替代人工爬行到樹頂部。從樹底部到樹斷尖的頂部位置，樹徑變化好幾倍，因而機(jī)器人必須對樹徑的變化適應(yīng)性要強(qiáng)。

本文通過對樹障爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究、電機(jī)勻速驅(qū)動的設(shè)計(jì)研究、微功耗無線射頻傳輸技術(shù)的研究、雙電源自動切換裝置的研究，提出了一種基于光流勻速遠(yuǎn)程操控的樹障清理機(jī)器人設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)以鋰電池為動力電源系統(tǒng)，通過光流、力矩采集、驅(qū)動、通信單元驅(qū)動輪轂電機(jī)，最終設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具備體積小、質(zhì)量輕、便于安裝、操作簡單，具備5 km及以上自主行走、人工遠(yuǎn)程遙控操控功能的樹障清理機(jī)器人可替代人工作業(yè)，有效解決輸電線路走廊樹障的安全隱患問題，可大幅替代人工進(jìn)行攀爬作業(yè)，有效降低人身高空墜落或觸電、線路跳閘等風(fēng)險，從而產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。■