1.引言
     
高壓輸電線及桿塔附件長期暴露在野外，因受到持續(xù)的機械張力,、電氣閃絡(luò),、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股,、磨損、腐蝕等損傷,，如不及時修復(fù)更換,，原本微小的破損和缺陷就可能擴大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故,。因此,，電力公司需要定期對線路設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷并加以評估,，根據(jù)評估結(jié)果安排必要的維護(hù)和修復(fù),，從而確保供電的安全可靠性。傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦,，特別是對于山區(qū)和大江大河等的輸電線路巡檢存在很大困難,，甚至一些巡檢項目靠常規(guī)方法都難以完成。因此,，采用機器人自動巡線成為保障高壓輸電線安全運行的一種必要手段,。
     
高壓輸電線路巡線機器人屬于特種機器人的研究范疇，主要完成高壓供電線纜的無損探傷,、懸垂絕緣子絕緣特性檢測,、輸電線附件輸電性能測試、機械連接牢固性檢查,、線纜異物清除等高空作業(yè),。國外在巡線機器人領(lǐng)域的研究起步較早，研究水平較高,，1988年,，日本東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線巡檢移動機器人，該機器人可以沿地線爬行,，遇到障礙物時,，可以通過弧形手臂輔助跨越。加拿大魁北克水電研究院的Montambault等人于2000年研制成功了輸電線遙控機器人,，該遙控機器人可以消除電力傳輸線上的積冰,，并可以用來線路巡檢平臺。國內(nèi)關(guān)于輸電線路巡線機器人的研究還處于起步階段,，只有武漢水利大學(xué),、山東大學(xué)、中科院等作過一些研究,。

2.機器人概述
      
由于高壓輸電線的線纜附件種類多,、形狀復(fù)雜，因此,，越障成為巡線機器人要具備的首要功能,。本文所述的機器人采用3個自由擺動的吊臂跨越線纜附件,，當(dāng)遇到障礙物時擺動3個吊臂，使3個吊臂依次通過障礙物,。機器人本體如圖1所示，該機器人可以在四分裂,、二分裂,、單股等高壓輸電線纜上爬行，可自主跨越懸垂絕緣子,、隔離棒,、防振錘、線夾等線纜附件,，具有輸電線纜的檢測功能,。機器人綜合性能指標(biāo)如下：1）本體外形：850×300×700mm；2）本體重量45Kg,；3）纜徑適應(yīng)性Ф10～Ф25mm,；4）移動速度0～25m/min；5）爬升角度0～30°,；6）控制方式：自主運行和主從遙控操作,；7）故障處理：手動/自動。



圖1 機器人本體示意圖

3.控制系統(tǒng)的設(shè)計
      
機器人的控制系統(tǒng)分本體控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分,，如圖2 所示,。本體控制系統(tǒng)用來規(guī)劃機器人的運動軌跡，控制機器人運動構(gòu)件,，確保機器人可靠快速的越過障礙物,，并實現(xiàn)與地面基站的命令、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸,；地面監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)機器人的手動/自動控制,，并監(jiān)控機器人的穩(wěn)定運行。為機器人設(shè)計自動和手動兩套控制系統(tǒng)的增加了機器人的靈活性與可靠性,，當(dāng)其中一套系統(tǒng)發(fā)生故障時可啟動另一套控制系統(tǒng),，另外在某些特殊的場合可只用手動系統(tǒng)，降低了機器人野外作業(yè)的難度,，增加了機器人的應(yīng)用性,。
     
3.1 機器人本體控制系統(tǒng)的設(shè)計
    
 機器人本體的控制系統(tǒng)以嵌入式PC104工控機為核心,并配有輸入輸出擴展板HT-750和A/D采集擴展板PM-516。采用PC104 作為核心模塊, 可將主要精力放在軟件和接口的設(shè)計上, 而且PC104 的開發(fā),、維護(hù)和擴展都非常方便,。PC104與通用PC和PC/AT標(biāo)準(zhǔn)（IEEE P996） 完全兼容, 可以很快掌握其軟、硬件的使用, 并且具備嵌入式控制的特殊要求,為嵌入式應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)平臺[1],。


     
3.1.1故障檢測
     
輸電線纜附件種類多,，形狀復(fù)雜,，對機器人判斷障礙物類型帶來了極大的困難。因此有必要攜帶多種傳感器,，將多種線路故障檢測器集成到巡線機器人移動平臺上,，運用多傳感器信息融合技術(shù)，以便提高故障探測的效率,、精度和準(zhǔn)確度,。主要的傳感器有CCD視覺模塊、紅外溫度傳感器,、超聲波傳感器等,。
     
視覺檢測CCD模塊使用PC104上的COM2串口，用于識別高壓輸電線各類附件,，從原始圖像中找到目標(biāo)（防振錘,、絕緣子、連接金具,、隔離棒等附件）所在區(qū)域,，利用圖像處理技術(shù)，提取障礙物特征尺寸,，自動判斷輸電線路上的障礙物類型,、距離，并向機器人運動控制單元提供越障信息[2],，形成下一步的越障策略,。另外，視覺檢查一般能發(fā)現(xiàn)架空線表面故障現(xiàn)象,，如輸電線表面損傷,，連接金具松脫等；紅外溫度傳感器則利用高壓輸電線在故障點會產(chǎn)生異常溫升的特點,，檢測線纜的異常溫升,。本文使用PerkinElmer公司的A2TPMI-334傳感器來檢測線纜的異常溫升，以達(dá)到檢測線纜故障的目的,。
     
3.1.2運動控制
     
由于機器人的動作較復(fù)雜,，多數(shù)吊臂式巡線機器人采用多電機驅(qū)動方案，即用6個電機實現(xiàn)擺動吊臂與行走輪轉(zhuǎn)動,。這種方案機器人較為靈活,，但多電機增加了機器人的重量，不利于機器人自身平衡,。本文用2個電機實現(xiàn)需要的動作,，通過3個電磁離合器與圖2中的電機1配合控制三個吊臂的擺動，用電機2控制機器人行走,。為了增加檢測的靈活性,，在機器人上增加了兩個可升降的傳感器支架,，分別用電機3和電機4帶動。驅(qū)動框圖如圖3所示,，用Silicon Lab公司的高性能單片機C8051F047和H橋組件LMD18200T來驅(qū)動電機,。LMD18200T是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出運動控制專用H橋組件,內(nèi)部集成了CMOS控制電路和DMOS驅(qū)動電路，峰值輸出電流高達(dá)6A,連續(xù)輸出電流3A,，工作電壓高達(dá)55V,，具有溫度報警和過熱與短路保護(hù)功能。本文所選電機的連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流在3A左右,，因此選用LMD18200T芯片可以滿足使用要求。


     
電機1與電機2使用數(shù)字PID算法調(diào)速,。數(shù)字PID算法是一種常用的控制算法,，由等間隔時間光電編碼器的數(shù)值與給定的速度值進(jìn)行比較，通過PID算法,，改變C8051F047的PWM的占空比,，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，即：

     
（1）其中Kp為比例系數(shù),， Ki為積分系數(shù),， Kd為微分系數(shù)， T為采樣周期[3],。電機3和電機4只用來控制支架升降,，對速度無具體要求，因此只需采集編碼器脈沖數(shù),。
     
3.1.3 數(shù)據(jù)傳輸
     
機器人爬行時,，要將自身狀態(tài)信息、采集到的數(shù)據(jù),、抓拍的圖片等信息發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng),；而在特殊情況下，監(jiān)控系統(tǒng)也要向機器人發(fā)送指令,，這就需要在兩者之間傳輸數(shù)據(jù),。設(shè)計傳輸距離<2Km,本文使用一對無線數(shù)傳模塊SRWF-108完成此功能。機器人本體的SRWF-108占用PC104上的COM1端口[4],，波特率9600bps,，8位數(shù)據(jù)位，共有狀態(tài)幀,、指令幀和文件幀三種格式,。
     
3.1.4 電源設(shè)計
     
巡線機器人在高空作業(yè)，只能使用自備電源,。本文使用4節(jié)12V鉛酸蓄電池,，由B1205S,、B1212S、LM2678等電源轉(zhuǎn)換芯片得到系統(tǒng)需要的+12V, ±5V等電平,。為了保證機器人有充足的能源,，有必要監(jiān)控電池電量，本文使用DS2438Z芯片,，DS2438Z芯片是DALLAS 公司推出的新一代智能電池監(jiān)測芯片,，具有功能強大、體積小,、價格低廉等優(yōu)點,，并且用1-Wire總線傳輸數(shù)據(jù)，硬件接線簡單,，可用來檢測電池溫度,，電壓剩余電量等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池電量不足時,，機器人本體會向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警,，提示更換電池。

     
3.1.5 控制系統(tǒng)的軟件
     
PC104控制系統(tǒng)的軟件用C語言編程,，開發(fā)周期短,，效率高。程序需實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、系統(tǒng)狀態(tài)檢測,、串行通訊、動作輸出,、故障處理,、異常情況處理、電源監(jiān)測等功能,，其程序流程圖如圖4所示,。與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以采用查詢或中斷方式，查詢方式的優(yōu)點是編程容易,，但會占用較多的系統(tǒng)資源,，中斷方式則與之相反。機器人除了要進(jìn)行串口通訊還要完成電機控制,、故障處理等功能,，因此查詢方式不宜使用，本文使用中斷方式,。初始化COM1和COM1中斷處理程序[5]如下：

      void InitCOM（）    /＊ 初始化COM1串口,，設(shè)置串口參數(shù)＊/
      ｛  outportb（0x3fb,0x80）;  /＊將設(shè)置波特率＊/
      outportb（0x3f8,0x0c）;  /＊波特率9600＊/
      outportb（0x3f9,0x00）;   
      outportb（0x3fb,0x03）;  /＊8個數(shù)據(jù)位，1個停止位、無奇偶校驗＊/
      outportb（0x3fc,0x08|0x0b）;/＊設(shè)置MCR＊/
      outportb（0x3f9,0x01）;    /＊開中斷＊/  ｝
      void interrupt far asyncint（）
      ｛   char ch;
      ch=inportb（0x3f8）;/＊ch 為接收到的字符數(shù)據(jù)＊/
      …… ……｝
     
3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
      
監(jiān)控系統(tǒng)用Visual Basic 6.0軟件開發(fā),，VB具有面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計工具,、事件驅(qū)動編程機制、強大的數(shù)據(jù)庫操縱功能,、Active技術(shù)以及應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點,。根據(jù)機器人系統(tǒng)的要求，采用模塊化思想開發(fā)了較完善的監(jiān)控系統(tǒng),，其可擴展性較強,，具有電池電量監(jiān)測、運動狀態(tài)監(jiān)測,、線纜故障數(shù)據(jù)庫查詢,、手動自動切換等功能。能將輸電線的故障信息保存在Access數(shù)據(jù)庫中,，并對故障類型,、時間進(jìn)行查詢。

4.結(jié)束語                              
     
本文提出了一種以PC104模塊為核心的機器人控制系統(tǒng),，解決了機器人的自主越障問題，并能識別部分線纜附件,，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸,檢查線纜狀況等,為高壓輸電線的自動檢測提供了便利,。