航空标志球装置及装卸机器人系统研究

贾永刚，程志勇，郭 锐，李 勇，栾贻青

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；2.山东鲁能智能技术有限公司，济南 250101；3.国网山东省电力公司，济南 250001）



航空标志球装置及装卸机器人系统研究

贾永刚1，2，程志勇1，2，郭 锐1，李 勇3，栾贻青2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；2.山东鲁能智能技术有限公司，济南 250101；3.国网山东省电力公司，济南 250001）

摘 要：针对架空输电线路航空标志球装卸的需要，设计了航空标志球装卸机器人系统及适合机器人装卸的航空标志球装置。机器人系统包括线上行走机器人机械本体、机载控制系统及地面遥控系统。机械本体设计轻巧，机载控制系统采用嵌入式设计方法，地面控制站与机器人本体采用无线通信形式。实验表明，本系统稳定、鲁棒性强，可高效地实现架空输电线路航空标志球的装卸作业。

关键词：架空输电线路；航空标志球；机器人；安装和拆除；无线通讯

0　引言

架空输电线路对日常生活、工农业和国民经济健康发展起着关键性作用，在输送电能的同时也带来了危险和事故隐患，因此，在架空输电线路上悬挂警示装置具有广泛的工程价值和现实意义。航空标志球作为普遍的航空警示装置已被广泛应用在在飞机场附近，跨越铁路、河流、山谷等架空输电线路上，无航空标志导航的输电线路已经引发了严重事故。

国内外都有输电线路警示装置的研究和产品［1，2］，作为安全标识大多安装在架空地线、架空导线或杆塔上。现有航空标志球的安装需要在停电的情况下人工完成，属于高空作业，施工极为不便，且具有一定的危险性。机器人技术的发展为输电线路警示装置的安装提供了新的平台。但架空输电线路带电作业机器人技术研究主要集中在巡线机器人［3～6］、绝缘子串检测机器人［7，8］、除冰机器人［9，10］及断股修补［11］作业机器人等方面，在输电线路上悬挂警示球也有相应的机器人［12］，国内还未出现航空标志球装卸机器人的报道和文献。

国网山东省电力公司电力科学研究院联合山东鲁能智能技术有限公司研发了具有独立知识产权的新型航空标志球装置［13］，该装置能够适合机器人自动装卸。同时研发了航空标志球装卸机器人系统［14］，该机器人可以完成架空输电线路航空标志球自动装卸，避免了人工作业风险。

1　航空标志球装置

一般情况下，航空标志球安装在架空地线或OPGW线缆上，航空标志球每间隔30m安装一个，高压输电线路两杆塔间距大都在400m～500m之间，两杆塔最大间距高达上千米。现有的航空标志球多采用上下两薄壳半球体扣合，通过四螺栓锁紧与上下半球连接的线夹将球体安装在线缆上。国内航空标志球多采用人工安装方式，特别是在已架设的高压输电线路上安装航空标志球，安装难度大，危险性高。

针对上述缺点提出了一种适合机器人装卸的航空标志球，该航空标志球可以实现与航空标志球机器人的对接，通过一个旋转动作完成航空标志球的装卸。航空标志球由上下两薄壳半球体、内部连接装置、旋转接头和夹持架组成。内部连接装置连接上下两半球，主要由连接板、蜗杆机构、丝杠螺母机构、卡线槽、行走轮等结构组成。

该航空标志球的旋转接头与机器人对接，通过一个旋转动作完成机器人对航空标志球的装卸；旋转接头采用钳口形机构，解决了螺栓结构精确对位的难题；两薄壳半球体扣合后形成一个球体，采用球体外形起到防风效果；连接装置采用具有放松效果的蜗轮蜗杆机构，避免了球体锁紧后因外力作用产生的松动；卡线槽内设置橡胶衬垫，橡胶的压缩弹性具有一定的放松效果，同时避免了锁紧后因振动等因素对架空线缆造成的磨损；航空标志球内部设置行走轮，方便机器人携带沿架空地线行走。

航空标志球结构如图1所示。

图1　航空标志球

2　航空标志球装卸机器人系统

航空标志球装卸机器人系统主要由机器人机械结构、机载控制系统和地面站组成。

2.1机器人机械结构设计

设计轻型的航空标志球装卸专用机器人，要求机器人具备沿地线平稳行走，具备视频监控系统，与航空标志球装置对接完成自动装卸航空标志球装任务。航标球装卸机器人主要由移动本体、压紧装置和航空标志球装卸机构组成。该机器人采用轮式小车行走机构，能够在架空线缆上平稳行走；机器人的压紧装置可以防止机器人从线缆上跌落；机器人具有一定的爬坡能力，爬坡角度不小于20度；机器人具有视频监控功能，能够实时监测机器人运行状态及航空标志球装卸情况。

航空标志球装卸机器人结构如图2所示。

图2　航空标志球装卸机器人

航空标志球装卸过程如下：

1）航空标志球安装：作业人员登上塔顶，将机器人和航空标志球放置在杆塔一侧，控制手抓抓住航空标志球并完成对接，此时航空标志球两半球为打开状态，控制机器人行走至航空标志球安装点，启动旋转电机将航空标志球锁紧在线缆上，利用摄像头实时观测航空标志球安装情况，完成安装后机器人行驶回杆塔处。

2）拆卸航空标志球：作业人员登上塔顶，将机器人放置在航空标志球安装侧，控制机器人沿线缆行走至航空标志球安装处，通过摄像头观察完成与航空标志球的对接，启动旋转电机解除航空标志球锁紧状态，拖回航空标志球至杆塔侧。

2.2机载控制系统设计

1）硬件设计

航空标志球装卸机器人控制系统由遥控器和机载控制系统组成，机载控制系统结构图如图3所示。无线通信模块AC4490接收来之遥控器的控制指令，通过UART接口与控制器连接。其主要参数：工作电压3.3V～5.5V，调制方式FHSS FSK，工作频率902MHz～928MHz，输出功率5mW～200mW，接收灵敏度-110dB，传输距离6.5km。控制器选用STM32F103ZET6，该芯片为100脚TQFP封装，3.3V供电，具有丰富的外设资源和IO口。控制器解析AC4490传来的指令控制机器人相应电机运动，实现航空标志球的装卸。

图3　控制系统结构图

航标球机器人的动作分别是由行走电机、工具电机、手爪电机等三个电机的转动来完成。行走电机需要比较精确的速度控制，使用MAXON 150W/24V电机并配合AMC驱动器模块DZRALTE020L080，该方案驱动器连续输出电流可达12A，采用PWM加方向的控制方式。电机编码器为500线，经4倍频，电机选择一周可得到2000个脉冲。控制器通过采集编码器信号实现对机器人行驶距离的闭环控制。

2）软件设计

航标球机器人控制系统软件采用模块化设计，根据功能划分为五个模块，分别为控制命令接收、解析模块；行走电机控制模块；工具电机控制模块；手爪电机控制模块；编码器采集处理模块。

（1）控制命令接收、解析模块接口函数：void ControlFun（void）

函数说明：通过USART2接收无线通讯模块AC4490的控制命令，控制机器人运动，采用中断方式。UART2 配置为：串口波特率：38400bit/s；数据长度：8bit；无校验。串口接收到新的有效命令后，将命令写入命令缓冲区。通过该接口函数查询缓冲区新的有效命令，当检测到命令缓冲区有新的命令时，自动进行命令解析，对机器人进行控制。

（2）行走电机控制模块

接口函数如下：void RobotMove（int16_t speed）

函数说明：设置机器人行走的速度，速度值范围为-100～100，代表了设置速度与额定转速的百分比。

（3）工具电机控制模块

接口函数如下：void ToolMove（int16_t speed）

函数说明：设置工具电机的速度，速度值范围为-100～100，代表了设置速度与最高转速（3500r/min）的百分比。

（4）手爪电机控制模块

接口函数：void HandAuto（int8_t action）函数说明：给定工具电机的旋转方向。

（5）编码器采集处理模块

接口函数：void GetEncoderCounter（uint16_t motor）

函数说明：给定电机编号，自动返回当前电机的转速、转向、累加距离以及相对距离等信息，并自动存储到当前电机的缓冲区中。

2.3地面站设计

在外作业业时，地面操作人员手持遥控器给机器人发出各种指令控制机器人完成航标球的装卸。航空标志球的安装步骤依次为：1）将航空标志球放置在地线上；2）将航空标志球推送至指定位置；3）紧固航空标志球。

航空标志的拆卸步骤依次为：1）机器人到达指定位置；2）将航空标志球拧松；3）将航空标志球拖回到杆塔侧。

为了便于实现航空标志球装卸过程中的每一个步骤。遥控器功能设计如图4所示：其中，B0、B1、B2为开关B的三个档位，VA、VB为旋钮，C0、C1为开关C的两个档位，E0、E1为开关E的两个档位。

图4　遥控器控制流程图

航标球机器人前端装有微型高清摄像头，机器人运行过程中线路、航空标志球以及机器人的状态信息由COFD图传系统以图像形式实时传输到地面控制端。操作者可以通过图传接收箱了解到当前航标球被推送至的位置及航空标志球是否已经安装或拆卸完成。

3　航空标志球装卸实验

航空标志球装置和装卸机器人系统研制成功后，在实验室线路上进行反复模拟试验，经过多次调整和修改，机器人能够完成航空标志球装卸任务。

机器人在山东电网华德线路上进行了实际线路航空标志球装卸实验，实验结果表明机器人可以有效的完成航空标志球装卸作业，操作简单，安全可靠。

图5　航空标志球装卸实验

4　结束语

本文研制了航空标志球装置及装卸机器人系统，实现了架空输电线路机器人自动装卸航空标志球作业。成功实现了架空输电线路实验，实验结果表明机器人装卸航空标志球具有自动化程度高、准确度高、安全可靠等优点。

参考文献：

［1］ CAMPOS M F M， PEREIRA G A S，VALE S R C， et al.A Mobile Manipulator for Installation and Removal of Aircraft Warning Spheres on Aerial Power Transmission Lines： 10.1109/ROBOT. 2002.10142612002［P］. 2002.

［2］ CAMPOS M F M， PEREIRA G A S，VALE S R C， et al. A Robot for Installation and Removal of Aircraft Warning Spheres on Aerial Power Transmission lines：10.1109/TPWRD.2003.817538. ［P］.2003.

［3］ 曹雷，郭锐，张峰.超高压多分裂输电线路巡检机器人研制与开发［J］.制造业自动化.2012，34（12）：9-12.

［4］ Jaka Katrašnik，，Franjo Pernuš ，Boštjan Likar. A Survey of Mobile Robots for Distribution Power Line Inspection［J］.IEEE PES Transactions on Power Delivery.2010，25（1）：485-493.

［5］ 金珈成，赵殿全，龙志伟，等.巡线机器人末端执行机构的参数化设计与优化设计方法［J］.长春理工大学学报，2012，35（2）：115-117.

［6］ Yifeng Song， Hongguang Wang and Yong Jiang et al. AApe-D： a Novel Power Transmission Line Maintenance Robot for Broken Strand Repair［A］.In Proc.2nd International Conference on Applied Robotics for the Power Industry［C］.117-122.

［7］ Joon-young park， Jae-kyung lee， Ki-yong oh， robot mechanism for inspecting live-line insulator， Korea Patent Number：10-1127471［P］.March 09，2012.

［8］ Jae-kyung lee，Byoung-hak cho， Joon-young park， module for inspecting insulator and method for actuating same，and method for inspecting the insulator. Korea Patent Number：10-1026240［P］. March 24，2011.

［9］ Nicolas P， Serge M.Field-Oriented Developments for LineScout Technology and Its Deployment on Large Water Crossing Transmission Lines［J］.Journal of Field Robotics.2012；29（1）：25-46.

［10］ Zhao J， Guo R， Cao L etal. Improvement of LineROVer： A Mobile Robot for De-icing of Transmission Lines［A］.Proc.1st International Conference on Applied Robotics for the Power Industry. Montreal，Canada： Hydro-Québec Research Institute［C］.2010：272-275.

［11］ 周风余，李贻斌，李峰，等.高压输电线巡检机器人在线断股检测与诊断系统［J］.电力系统自动化.2008；32（14）：77-81，107.

［12］ 马会军，李卫国，吴增辉，李俊霖.输电线路智能警示装置及安装机器人的研究［M］.高压电器，2010，46（12）：22-28.

［13］ 山东电力集团公司电力科学研究院.一种航空标志球：中国，CN20121053197.5［P］.2012-12-10.

［14］ 山东电力集团公司电力科学研究院.一种航空标志球自动装卸机器人：中国，CN201210531837.X［P］.2012-12-10.

Intelligent aircraft warning spheres device for over-head power transmission lines and robot for installation and removal

JIA Yong-gang1，2， CHENG Zhi-yong1，2， GUO Rui1， LI Yong3， LUAN Yi-qing2

中图分类号：TP373

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0037-04

收稿日期：2015-12-07

作者简介：贾永刚（1982 -），男，山东聊城人，硕士，研究方向为电力机器人机械系统设计。