CN105811311A - 用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统 - Google Patents

用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统 Download PDF

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Abstract

一种用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，包括安装在输电线路杆塔的架空地线连接处的供巡线机器人行走的导轨，导轨上安装有供巡线机器人充电的无线充电器；巡线机器人中，机器人本体通过机器人悬臂与导轨上的机器人驱动器连接；无线充电器中，蓄电池组与逆变模块连接，将蓄电池组输出的直流电压转换为交流电压，逆变模块与无线充电器初级线圈连接，将交流电转变为电磁波，向巡线机器人次级线圈传送电能，无线充电器电池监测模块与蓄电池组连接。本发明提供的用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，大大便利了巡线机器人越过杆塔，又实现了巡线机器人的无线充电，安全稳定、维护简便、造价低廉。

Description

用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统
技术领域
本发明涉及输电线路机器人无线充电技术领域，尤其是一种用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统。
背景技术
电力输电线路巡线机器人运行在线路架空地线上，通过机载设备巡视输电线路。巡线机器人配备蓄电池，采用电机驱动在输电线路的架空地线上运行，巡线机器人需跨越电力杆塔及导线连接处才能实现线路的连续巡视和检测；由于电力杆塔和导线连接的具体结构等技术条件复杂多样，巡线机器人跨越电力杆塔处的障碍是一个技术难关，复杂的越障技术方案会导致巡线机器人操作复杂、维护不便、可靠性低；同时，因配备超大容量蓄电池将导致其且更加庞大和笨重，巡线机器人的持续运行需要补充电能，才能实现长距离续航和巡视检测，提高巡视工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，既解决了巡线机器人越过杆塔障碍难题，又解决了巡线机器人续航距离短、无法实现长距离输电线路持续巡视的技术问题，大大便利了巡线机器人越过杆塔，又实现了巡线机器人的无线充电，安全稳定、维护简便、造价低廉。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，
包括安装在输电线路杆塔的架空地线连接处，并沿着输电线路杆塔外缘安装和固定的供巡线机器人行走的导轨，导轨上安装有供巡线机器人充电的无线充电器；
巡线机器人中，机器人本体通过机器人悬臂与导轨上的机器人驱动器连接，巡线机器人次级线圈与整流模块连接，将交流电压转变为直流电压，整流模块与机载蓄电池组连接，为机载蓄电池组充电，巡线机器人电池监测模块与机载蓄电池组连接，用于监测电池电量，巡线机器人电池监测模块与巡线机器人控制与通讯模块连接；
无线充电器中，蓄电池组与逆变模块连接，将蓄电池组输出的直流电压转换为交流电压，逆变模块与无线充电器初级线圈连接，将交流电转变为电磁波，向巡线机器人次级线圈传送电能，无线充电器电池监测模块与蓄电池组连接，以监测电量，开关电源分别与蓄电池组和太阳能电池板连接，太阳能电池板输出电压经开关电源转换后为蓄电池组充电，无线充电器控制与通讯模块包含无线充电器CPU模块、无线充电器通讯模块及PWM驱动芯片三个部分，其中，无线充电器CPU模块与PWM驱动芯片连接，PWM驱动芯片与逆变模块连接，无线充电器通讯模块发出控制信号至PWM驱动芯片，PWM驱动芯片分别连接逆变模块中逆变桥电力电子器件栅极G1、逆变桥电力电子器件栅极G2、逆变桥电力电子器件栅极G3和逆变桥电力电子器件栅极G4，实现对逆变模块逆变过程的控制；无线充电器CPU模块与无线充电器通讯模块连接，以建立无线充电器与巡线机器人的通讯连接，实现无线充电器通讯功能；无线充电器控制与通讯模块中的无线充电器CPU模块与电池监测模块连接，获取蓄电池组电量数据，实现电量监测功能。
巡线机器人内部的整流模块中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成桥式电路，与电感L1串联后，再分别与电阻R2、电容C2、稳压二极管D5并联；
巡线机器人控制与通讯模块的CPU模块通过无线充电器控制与通讯模块中的PWM驱动芯片向逆变模块的逆变桥电力电子器件栅极G1、逆变桥电力电子器件栅极G2、逆变桥电力电子器件栅极G3和逆变桥电力电子器件栅极G4发出PWM控制信号，逆变模块开始逆变，将蓄电池组储存的电能通过逆变模块转换为高频电压信号，输出高频电流。
巡线机器人的电池监测模块中，智能高精度锂电池监测芯片、场效应管F1、F2与智能高精度锂电池监测芯片构成机载电池充放电保护回路，智能高精度锂电池监测芯片检测电池的各种参数并存储，DQ为输出端口，电池的剩余电量通过DQ端子传输给巡线机器人控制与通讯模块的CPU模块，当剩余电量低于设定值时巡线机器人控制与通讯模块的CPU模块发送信号给巡线机器人控制与通讯模块的通讯模块。
无线充电器的开关电源中，太阳能电池板连接到由电源芯片构成的开关电源的输入端，开关电源的输出端连接至蓄电池组，电源芯片的各引脚分别连接有电阻R3、电阻R4、电阻R5-1、电阻R5-2及电阻R6，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7，电感L2及二极管D6。
导轨通过多根支撑架设于输电线路杆塔和输电线路上方，其坡度和弧度符合巡线机器人的要求。
所述巡线机器人由电池监测模块检测电池组剩余电量，当电量充足时，机器人处于正常工作状态，当电池监测模块监测到机载蓄电池组剩余电量不足时，巡线机器人控制与通讯模块发出充电请求信号，当巡线机器人运行到下一个杆塔上安装的本发明时，巡线机器人控制与通讯模块控制巡线机器人移动到导轨上无线充电器的位置，与杆塔上安装的无线充电器实现对接，并发出充电请求，无线充电器接收到充电请求信号后，启动充电模式，给巡线机器人的机载蓄电池组充电，充电完成后，巡线机器人和无线充电器启动正常工作模式，巡线机器人继续运行，完成巡线操作。
所述无线充电器中，其电能来自无线充电器所配置的蓄电池组，该蓄电池组在正常工作模式下，通过其电池监测模块检测电池组剩余电量，在电量下降时，由太阳能电池板通过开关电源模块，为其进行充电并保持足够电量。
本发明的有益效果如下：
当巡线机器人运行到输电线路杆塔时，需越过线路连接和杆塔的障碍，到达下一段线路，继续进行巡线。当杆塔安装有本发明时，巡线机器人无需复杂调整和操作即可快速越过杆塔障碍。当巡线机器人到达导轨充电位置需要充电时，可调整至充电状态，启动充电模式，巡线机器人自行固定在导轨处，与导轨上的无线充电器对接，完成为机器人机载蓄电池组充电。充电完毕后，调整巡线机器人和无线充电器进入正常状态，巡线机器人继续进行下一段线路巡线工作。本发明的无线充电器采用外接电源，采用太阳能电池这种可再生充电电源方案，解决野外无电源的技术问题。本发明既解决了巡线机器人越过杆塔障碍难题，又解决了巡线机器人续航距离短、无法实现长距离输电线路持续巡视的技术问题，大大便利了巡线机器人越过杆塔，又实现了巡线机器人的无线充电，安全稳定、维护简便、造价低廉，为输电线路巡线机器人越过杆塔和充电提供良好解决方案。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图，此时巡线机器人跨越杆塔导轨巡线，电池监测模块检测到巡线机器人电量不足，巡线机器人控制与通讯模块控制巡线机器人在充电位置停止运行，并与无线充电器对接；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明巡线机器人与无线充电器的电路原理图；
图4为本发明巡线机器人的整流模块电路连接以及无线充电器的逆变模块电路连接示意图；
图5为本发明巡线机器人的电池监测模块以及无线充电器的电池监测模块的电路连接示意图；
图6为本发明无线充电器的开关电源电路连接示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，
包括安装在输电线路杆塔13的架空地线连接处，并沿着输电线路杆塔13外缘安装和固定（以确保机器人顺利通过输电线路）连接处和杆塔障碍的供巡线机器人行走的导轨14，导轨14上安装有供巡线机器人充电的无线充电器15；
巡线机器人中，机器人本体16通过机器人悬臂17与导轨14上的机器人驱动器18连接，
导轨14通过多根支撑19架设于输电线路杆塔13和输电线路20上方，其坡度和弧度符合巡线机器人的要求。
如图3所示，巡线机器人次级线圈1与整流模块2连接，将交流电压转变为直流电压，整流模块2与机载蓄电池组3连接，将转换过的直流电为为机载蓄电池组3充电，巡线机器人电池监测模块4与机载蓄电池组3连接，用于监测电池电量，巡线机器人电池监测模块4与巡线机器人控制与通讯模块5连接，完成通讯与控制功能；
无线充电器15为巡线机器人充电时蓄电池组8与逆变模块7连接将蓄电池组8输出的直流电转换为交流电，其中，蓄电池组8与逆变模块7连接，将蓄电池组输出的直流电压转换为交流电压，逆变模块7与无线充电器初级线圈6连接，将交流电转变为电磁波，向巡线机器人次级线圈1传送电能，无线充电器电池监测模块10与蓄电池组8连接，以监测电量，开关电源11分别与蓄电池组8和太阳能电池板12连接，太阳能电池板12输出电压经开关电源11转换后为蓄电池组8充电，无线充电器控制与通讯模块9包含无线充电器CPU模块9-1、无线充电器通讯模块9-2及PWM驱动芯片9-3三个部分，其中，无线充电器CPU模块9-1与PWM驱动芯片9-3连接，PWM驱动芯片9-3与逆变模块7连接，无线充电器通讯模块9-2发出控制信号至PWM驱动芯片9-3，PWM驱动芯片9-3分别连接逆变模块7中逆变桥电力电子器件栅极G1、逆变桥电力电子器件栅极G2、逆变桥电力电子器件栅极G3和逆变桥电力电子器件栅极G4，实现对逆变模块7逆变过程的控制；无线充电器CPU模块9-1与无线充电器通讯模块9-2连接，以建立无线充电器与巡线机器人的通讯连接，实现无线充电器通讯功能；无线充电器控制与通讯模块9中的无线充电器CPU模块9-1与电池监测模块10连接，获取蓄电池组电量数据，实现电量监测功能。
如图4所示，巡线机器人内部的整流模块2中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成桥式电路，与电感L1串联后，再分别与电阻R2、电容C2、稳压二极管D5并联；
巡线机器人控制与通讯模块5的CPU模块5-1通过无线充电器控制与通讯模块9中的PWM驱动芯片9-3向逆变模块7的逆变桥电力电子器件栅极G1、逆变桥电力电子器件栅极G2、逆变桥电力电子器件栅极G3和逆变桥电力电子器件栅极G4发出PWM控制信号，逆变模块7开始逆变，将蓄电池组8储存的电能通过逆变模块7转换为高频电压信号，输出高频电流。
如图5所示，巡线机器人的电池监测模块4中，智能高精度锂电池监测芯片4-1、场效应管F1、F2与智能高精度锂电池监测芯片4-1构成机载电池充放电保护回路，智能高精度锂电池监测芯片4-1检测电池的各种参数并存储，DQ为输出端口，电池的剩余电量通过DQ端子传输给巡线机器人控制与通讯模块5的CPU模块5-1，当剩余电量低于设定值时巡线机器人控制与通讯模块5的CPU模块5-1发送信号给巡线机器人控制与通讯模块5的通讯模块5-2。
如图6所示，无线充电器的开关电源11中，太阳能电池板12连接到由电源芯片11-1构成的开关电源11的输入端，开关电源11的输出端连接至蓄电池组8，电源芯片11-1的各引脚分别连接有电阻R3、电阻R4、电阻R5-1、电阻R5-2及电阻R6，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7，电感L2及二极管D6。
巡线机器人正常巡线工作时，可通过过塔导轨14从一段输电线路到达下一段输电线路，巡线机器人内部的电池监测模块4监测电池电量，当监测到机载蓄电池组3电量低于设定值时，巡线机器人在到达下一个无线充电器位置时，将暂停线路巡视检测工作，在杆塔13处，巡线机器人控制与通讯模块5联络无线充电器控制与通讯模块9建立联系，实现巡线机器人和与无线充电器对接，并向无线充电器发出充电请求，巡线机器人和无线充电器都进入充电模式，启动充电；完成充电后，巡线机器人和无线充电器启动正常工作模式，巡线机器人启动运行，继续开展巡视和检测工作。无线充电器因蓄电池组8电量下降，将通过控制开关电源11，由太阳能电池板12为蓄电池组8进行充电备用。
智能高精度锂电池监测芯片4-1采用MAXIM公司的芯片DS2762，其内部有A/D转换器和数字温度传感器，可自动将电压、温度测量值存入DS2762相对应的寄存器，因此CPU只需要等其采样完毕后，读取寄存器的内容。
电源芯片11-1采用TPS55340电源芯片。
机载蓄电池组3型号：18650型锂电池，规格：24V/20Ah；
太阳电池组板11型号：TPM-40M，12V/40W；
蓄电池组8型号：18650型锂电池，规格：24V/30Ah；
开关电源12规格：输入0～24V，输出24V/2A；
CPU模块的规格和型号：ATmega128
通讯模块的规格和型号：MC55
PWM驱动芯片的规格与型号：HCPL-316J
巡线机器人控制与通讯模块5的CPU模块5-1与无线充电器控制与通讯模块9的CPU模块采用ATmega128型单片机，巡线机器人控制与通讯模块5的通讯模块与无线充电器控制与通讯模块9的通讯模块采用MC55型GSM/GPRS移动通讯芯片构成，并按芯片要求连接和配置电路，为一种常用电路，性能优越，功能上完全满足要求。
除了采用太阳能电池板12外，本发明还可采用小型风力发电机等可再生充电电源方案解决野外无电源的技术问题。

Claims (5)

1.一种用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，其特征在于：
包括安装在输电线路杆塔（13）的架空地线连接处，并沿着输电线路杆塔（13）外缘安装和固定的供巡线机器人行走的导轨（14），导轨（14）上安装有供巡线机器人充电的无线充电器（15）；
巡线机器人中，机器人本体（16）通过机器人悬臂（17）与导轨（14）上的机器人驱动器（18）连接，巡线机器人次级线圈（1）与整流模块（2）连接，将交流电压转变为直流电压，整流模块（2）与机载蓄电池组（3）连接，为机载蓄电池组（3）充电，巡线机器人电池监测模块（4）与机载蓄电池组（3）连接，用于监测电池电量，巡线机器人电池监测模块（4）与巡线机器人控制与通讯模块（5）连接；
无线充电器（15）中，蓄电池组（8）与逆变模块（7）连接，将蓄电池组输出的直流电压转换为交流电压，逆变模块（7）与无线充电器初级线圈（6）连接，将交流电转变为电磁波，向巡线机器人次级线圈（1）传送电能，无线充电器电池监测模块（10）与蓄电池组（8）连接，以监测电量，开关电源（11）分别与蓄电池组（8）和太阳能电池板（12）连接，太阳能电池板（12）输出电压经开关电源转换后为蓄电池组充电，无线充电器控制与通讯模块（9）包含无线充电器CPU模块（9-1）、无线充电器通讯模块（9-2）及PWM驱动芯片（9-3）三个部分，其中，无线充电器CPU模块（9-1）与PWM驱动芯片（9-3）连接，PWM驱动芯片（9-3）与逆变模块（7）连接，无线充电器通讯模块（9-2）发出控制信号至PWM驱动芯片（9-3），PWM驱动芯片（9-3）分别连接逆变模块（7）中逆变桥电力电子器件栅极G1、逆变桥电力电子器件栅极G2、逆变桥电力电子器件栅极G3和逆变桥电力电子器件栅极G4，实现对逆变模块（7）逆变过程的控制；无线充电器CPU模块（9-1）与无线充电器通讯模块（9-2）连接，以建立无线充电器与巡线机器人的通讯连接，实现无线充电器通讯功能；无线充电器控制与通讯模块（9）中的无线充电器CPU模块（9-1）与电池监测模块（10）连接，获取蓄电池组电量数据，实现电量监测功能。
2.根据权利要求1所述的用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，其特征在于：
巡线机器人内部的整流模块（2）中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成桥式电路，与电感L1串联后，再分别与电阻R2、电容C2、稳压二极管D5并联；
巡线机器人控制与通讯模块（5）的CPU模块（5-1）通过无线充电器控制与通讯模块（9）中的PWM驱动芯片（9-3）向逆变模块（7）的逆变桥电力电子器件栅极G1、逆变桥电力电子器件栅极G2、逆变桥电力电子器件栅极G3和逆变桥电力电子器件栅极G4发出PWM控制信号，逆变模块（7）开始逆变，将蓄电池组（8）储存的电能通过逆变模块（7）转换为高频电压信号，输出高频电流。
3.根据权利要求1所述的用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，其特征在于：巡线机器人的电池监测模块（4）中，智能高精度锂电池监测芯片（4-1）、场效应管F1、F2与智能高精度锂电池监测芯片（4-1）构成机载电池充放电保护回路，智能高精度锂电池监测芯片（4-1）检测电池的各种参数并存储，DQ为输出端口，电池的剩余电量通过DQ端子传输给巡线机器人控制与通讯模块（5）的CPU模块（5-1），当剩余电量低于设定值时巡线机器人控制与通讯模块（5）的CPU模块（5-1）发送信号给巡线机器人控制与通讯模块（5）的通讯模块（5-2）。
4.根据权利要求1所述的用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，其特征在于：无线充电器的开关电源（11）中，太阳能电池板（12）连接到由电源芯片（11-1）构成的开关电源（11）的输入端，开关电源11的输出端连接至蓄电池组（8），电源芯片（11-1）的各引脚分别连接有电阻R3、电阻R4、电阻R5-1、电阻R5-2及电阻R6，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7，电感L2及二极管D6。
5.根据权利要求1所述的用于输电线路巡线机器人的充电过塔导轨系统，其特征在于：导轨（14）通过多根支撑（19）架设于输电线路杆塔（13）和输电线路（20）上方，其坡度和弧度符合巡线机器人的要求。
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