CN106202965A - 一种输电线路巡检机器人能耗预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路巡检机器人能耗预测方法，机器人总能耗包括机器人静态能耗、机器人在线路上行走时上下坡的能耗、机器人越障能耗和机器人巡检能耗，其中：机器人静态能耗c₁；机器人在线路上行走时上下坡的能耗c₂；机器人越障能耗c₃：机器人巡检能耗c₄；机器人总能耗C_z＝c₁+c₂+c₃+c₄；通过将机器人总能耗和当前机器人剩余电量进行比较即可实现对输电线路巡检机器人续航里程的计算，该预测方法简单，预测结果准确可靠，具有很强的实用性。

Description

一种输电线路巡检机器人能耗预测方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路巡检机器人关键技术，具体涉及一种输电线路巡检机器人能耗预测方法。

背景技术

传统的输电线路巡检方法主要以人工巡线为主，其巡线效率低，劳动强度大，工人经常野外工作，工作环境恶劣，并且跨越高山、密林、大河的输电线路档段的巡检难度更大，存在安全隐患。采用直升机巡检效率较高，但是其经济效益差，并且容易忽略输电线路的细微损坏。巡检机器人是一种用于巡检输电线路的特种机器人，可用于代替人工巡检，其巡检效率高，成像效果好。输电线路巡检机器人是机器人技术与输电线路巡检及带电作业技术发展相结合的趋势。

首先介绍输电线路巡检机器人的作业环境，即架空输电线路走廊环境，包括：

太阳能充电基站1，直线杆塔塔头2，地线防震锤3，C型悬垂线夹4，高压线路机器人5，耐张过桥6，耐张杆塔塔头7，架空地线8。每一段距离会在杆塔塔头安装一个太阳能充电基站，巡检机器人可以在该充电基站处进行充电，而无需下线。C型悬垂线夹是由普通悬垂线夹(单联悬垂线夹或双联悬垂线夹)进行改造而成，其特点为能够使机器人从其上面直接穿过。耐张过桥是在耐张塔头处搭起的一个适合机器人行走的钢管轨道。

输电线路巡检机器人基本结构及其工作原理：

机器人结构由行走轮A 9，行走电机A 10，行走轮B 11，行走电机B 12，压紧机构A13，压紧机构B 14，压紧滑动机构A 15，压紧滑动机构B 16，架空线路地线17，回转机构A18，回转机构B 19，错臂滑动机构A 20，错臂滑动机构B 21，滑动平台22，机械臂A 23，机械臂B 24组成。机器人行走轮A和行走轮B在地线上转动使其向前行走，当机器人需要穿越障碍物的时候，机器人首先会采用滚动穿越方式，如机器人要穿越地线防振锤，需要采取一系列的动作，其中包括多种状态及状态转移规则。巡检机器人滚动穿越防振锤的动作规划如图4所示。超声传感器阵列检测到防振锤后，减速继续前进，至前轮检测挡板接触到防振锤并检测到霍尔信号后，开始采取越障动作。由于防振锤一般都处在杆塔附近，该路段均有一定的坡度，为了保证机器人越障可靠性及机器人本身的安全性，采用“后轮推滚—前轮拖滚”的方式越障。其他障碍物的越障类似。

高压线路巡检机器人设备的发展已经达到工程实用化阶段，巡检机器人机械与控制已经能够满足输电线路巡检和作业基本要求。然而，巡检机器人在工作过程中采用的是锂电池供电，如何保证巡检机器人在巡检过程中能够有足够的电量到达下一个杆塔，或达到下一级太阳能充电基站，是一个急需研究的问题。此外，巡检工作人员在使用巡检机器人对输电线路进行巡检时，需要实时掌握巡检机器人的总能耗，才能够根据巡检机器人续航能力的情况制定下一步的巡检计划。

现在国内输电线路巡检机器人总能耗的预测都是靠巡检人员的经验。而在续航预测方面，电动汽车的续航主要是根据道路环境进行预测的。由于高压线路巡检机器人工作的线路走廊结构复杂，无法将传统的电动汽车总能耗预测的方法运用到巡检机器人总能耗的预测上。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的问题；提供了一种能够对输电线路机器人总能耗进行预测的方法。此总能耗预测方法弥补了现有输电线路机器人工作时无法对总能耗进行精确预测的问题，保障了输电线路机器人长时间巡检作业时能够提前做好任务规划。

为了解决上述技术问题，本发明主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种输电线路巡检机器人能耗预测方法，其特征在于包括以下步骤：

机器人总能耗包括机器人静态能耗、机器人在线路上行走时上下坡的能耗、机器人越障能耗和机器人巡检能耗，其中：

①机器人静态能耗

测得机器人静态时干路电流和运行时间，即可计算出巡检机器人的静态能耗，其积分公式为：

$c_1=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}{i}_{1}dt$

其中，i₁为机器人干路电流，t₁为机器人静态运行时间，t为时间；

②机器人在线路上行走时上下坡的能耗:

测得机器人在线路上行走时上下坡时的干路电流和行走时间，即可计算出机器人在线路上行走的能耗，其公式为：

$c_2=\underset{t_1}{\overset{t_1+t_2}{\∫}}{i}_{2}dt$

其中，i₂为机器人在线路上行走时上下坡时的干路电流，t₂为机器人在线路上行走时上下坡时的行走时间；

根据电机的性能和实验可知，机器人在线路上行走时的干路电流与机器人行走速度和线路的坡度有关：

即：

i＝φ(v,θ)

其中，v为机器人行走轮的线速度，v＝2πn；θ为线路的角度，θ＝arctan f(x)，f(x)为架空输电线路地线的悬链线模型公式，故当机器人以某一特定速度行驶时，机器人的干路电流为角度θ的函数；

即

其中，i_v为机器人行走轮的线速度为v时机器人干路电流；ψ(θ)为θ的函数，为x的函数，x为机器人在一个档段中的横坐标；

综合上述公式，可得：

其中，x_i为机器人在所行走的第i个档段时机器人的横坐标，x₀为机器人在开始行走位置时的横坐标；

③机器人越障能耗

机器人在线路上行驶以后，会在杆塔处进行越障，然而不同的障碍物的越障动作规划不一样，故电流也是根据动作的变化而变化的，经过试验验证，机器人在进行单个动作时的干路电流是稳定不变的，设该变化的电流为i₃，越障时间为t₃,则机器人越障的能耗c₃为：

$c_3=\underset{t_1+t_2}{\overset{t_1+t_2+t_3}{\∫}}{i}_{3}dt=C_{yz}=i_{shb}*t_{shb}+i_{zb}*t_{ab}+i_{sb}*t_{sb}+i_{sob}*t_{sob}+i_{yj}*t_{yj}+i_{sk}*t_{sk}+i_{xz}*t_{xz}$

其中，各电流符号的意义如下表：

④机器人巡检能耗

机器人在跨越障碍之前或者之后要静止下来对线路杆塔进行巡视检查，此时机器人电流主要由机箱中的元器件损耗的电流组成，设该电流为i₄，越障时间为t₃，则机器人在该部分的能耗c₄为：

$c_4=\underset{t_1+t_2+t_3}{\overset{t_1+t_2+t_3+t_4}{\∫}}{i}_{4}dt$

⑤机器人的总能耗为：

由以上推导过程可以知道其中c₁、c₃、c₄可以根据线路上防震锤的个数，C型悬垂线夹的类型以及耐张过桥的类型提前算出，

将上述计算得到的机器人总能耗与机器人剩余电量进行比较即可得到机器人续航里程。

本发明有益效果是：能根据机器人工作的具体输电线路对机器人的总能耗进行提前预测，进而对机器人的工作提前做出规划。

附图说明

附图1为本发明所述输电线路巡检机器人运行环境示意图；

附图2为本发明所述输电线路巡检机器人机构原理示意图；

附图3为本发明所述能耗预测方法的原理流程图；

附图4为本发明所述输电线路巡检机器人滚动穿越防振锤的动作；

其中，太阳能充电基站 1，直线杆塔塔头 2，地线防震锤 3，C型悬垂线夹 4，高压线路机器人 5，耐张过桥 6，耐张杆塔塔头 7，架空地线 8，行走轮A 9，行走电机A 10，行走轮B 11，行走电机B 12，压紧机构A 13，压紧机构B 14，压紧滑动机构A 15，压紧滑动机构B16，架空线路地线 17，回转机构A 18，回转机构B 19，错臂滑动机构A 20，错臂滑动机构B21，滑动平台 22，机械臂A 23，机械臂B 24。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中，太阳能充电基站1，直线杆塔塔头2，地线防震锤3，C型悬垂线夹4，高压线路机器人5，耐张过桥6，耐张杆塔塔头7，架空地线8，行走轮A 9，行走电机A 10，行走轮B 11，行走电机B 12，压紧机构A 13，压紧机构B 14，压紧滑动机构A 15，压紧滑动机构B 16，架空线路地线17，回转机构A 18，回转机构B 19，错臂滑动机构A 20，错臂滑动机构B 21，滑动平台22，机械臂A 23，机械臂B 24。

1.一种输电线路巡检机器人能耗预测方法，其特征在于包括以下步骤：

机器人总能耗包括机器人静态能耗、机器人在线路上行走时上下坡的能耗、机器人越障能耗和机器人巡检能耗，其中：

(1)剩余电量的估计：

将巡检机器人所用的锂电池进行放电实验，得出负载电压法所得的剩余电量估计函数为：

C_i＝f(u,i)

其中C_i为剩余电量，u为负载电压，i为负载电流；机器人自身的电压u和电流i在工作工程中能够实时测得；

(2)巡检机器人在线路上工作所需能耗的估计

①机器人静态能耗

测得机器人静态时干路电流和运行时间，即可计算出巡检机器人的静态能耗，其积分公式为：

$c_1=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}{i}_{1}dt$

其中，i₁为机器人干路电流，t₁为机器人静态运行时间，t为时间；

②机器人在线路上行走时上下坡的能耗:

测得机器人在线路上行走时上下坡时的干路电流和行走时间，即可计算出机器人在线路上行走的能耗，其公式为：

$c_2=\underset{t_1}{\overset{t_1+t_2}{\∫}}{i}_{2}dt$

其中，i₂为机器人在线路上行走时上下坡时的干路电流，t₂为机器人在线路上行走时上下坡时的行走时间；

根据电机的性能和实验可知，机器人在线路上行走时的干路电流与机器人行走速度和线路的坡度有关：

即：

i＝φ(v,θ)

其中，v为机器人行走轮的线速度，v＝2πn；θ为线路的角度，θ＝arctan f(x)，f(x)为架空输电线路地线的悬链线模型公式，故当机器人以某一特定速度行驶时，机器人的干路电流为角度θ的函数；

即

其中，i_v为机器人行走轮的线速度为v时机器人干路电流；ψ(θ)为θ的函数为x的函数，x为机器人在一个档段中的横坐标；

综合上述公式，可得：

其中，x_i为机器人在所行走的第i个档段时机器人的横坐标，x₀为机器人在开始行走位置时的横坐标；

③机器人越障能耗

机器人在线路上行驶以后，会在杆塔处进行越障，然而不同的障碍物的越障动作规划不一样，故电流也是根据动作的变化而变化的，经过试验验证，机器人在进行单个动作时的干路电流是稳定不变的，设该变化的电流为i₃，越障时间为t₃,则机器人越障的能耗c₃为：

$c_3=\underset{t_1+t_2}{\overset{t_1+t_2+t_3}{\∫}}{i}_{3}dt=C_{yz}=i_{shb}*t_{shb}+i_{zb}*t_{ab}+i_{sb}*t_{sb}+i_{sob}*t_{sob}+i_{yj}*t_{yj}+i_{sk}*t_{sk}+i_{xz}*t_{xz}$

其中，各电流符号的意义如下表：

④机器人巡检能耗

机器人在跨越障碍之前或者之后要静止下来对线路杆塔进行巡视检查，此时机器人电流主要由机箱中的元器件损耗的电流组成，设该电流为i₄，越障时间为t₃，则机器人在该部分的能耗c₄为：

$c_4=\underset{t_1+t_2+t_3}{\overset{t_1+t_2+t_3+t_4}{\∫}}{i}_{4}dt$

⑤机器人的总能耗为：

由以上推导过程可以知道其中c₁、c₃、c₄可以根据线路上防震锤的个数，C型悬垂线夹的类型以及耐张过桥的类型提前算出，故机器人在线路上需要的电量可得；

(3)续航预测

将上述计算得到的机器人总能耗除以机器人剩余电量C_i即可得到机器人续航里程。

实施例：

步骤A：将巡检机器人所用的锂电池进行放电实验，得出负载电压法所得的剩余电量估计函数C_i＝f(u,i)。

步骤B：机器人在工作工程中能够实时测得自身的电压u和电流i，故能够得出剩余电量C_i。

步骤C：机器人在工作之前巡检人员已将所有线路信息输入到机器人监控基站数据库中。

步骤D：机器人根据线路信息，再结合续航预测方法，得出剩余电量能够行走的距离，即续航里程。

Claims (1)

1.一种输电线路巡检机器人能耗预测方法，其特征在于包括以下步骤：

机器人总能耗包括机器人静态能耗、机器人在线路上行走时上下坡的能耗、机器人越障能耗和机器人巡检能耗，其中：

①机器人静态能耗

测得机器人静态时干路电流和运行时间，即可计算出巡检机器人的静态能耗，其积分公式为：

$c_1=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}{i}_{1}dt$

其中，i₁为机器人干路电流，t₁为机器人静态运行时间，t为时间；

②机器人在线路上行走时上下坡的能耗:

测得机器人在线路上行走时上下坡时的干路电流和行走时间，即可计算出机器人在线路上行走的能耗，其公式为：

$c_2=\underset{t_1}{\overset{t_1+t_2}{\∫}}{i}_{2}dt$

其中，i₂为机器人在线路上行走时上下坡时的干路电流，t₂为机器人在线路上行走时上下坡时的行走时间；

根据电机的性能和实验可知，机器人在线路上行走时的干路电流与机器人行走速度和线路的坡度有关：

即：

i＝φ(v,θ)

其中，v为机器人行走轮的线速度，v＝2πn；θ为线路的角度，θ＝arctan f(x)，f(x)为架空输电线路地线的悬链线模型公式，故当机器人以某一特定速度行驶时，机器人的干路电流为角度θ的函数；

即

其中，i_v为机器人行走轮的线速度为v时机器人干路电流；ψ(θ)为θ的函数，为x的函数，x为机器人在一个档段中的横坐标；

综合上述公式，可得：

其中，x_i为机器人在所行走的第i个档段时机器人的横坐标，x₀为机器人在开始行走位置时的横坐标；

③机器人越障能耗

机器人在线路上行驶以后，会在杆塔处进行越障，然而不同的障碍物的越障动作规划不一样，故电流也是根据动作的变化而变化的，经过试验验证，机器人在进行单个动作时的干路电流是稳定不变的，设该变化的电流为i₃，越障时间为t₃,则机器人越障的能耗c₃为：

$c_3=\underset{t_1+t_2}{\overset{t_1+t_2+t_3}{\∫}}{i}_{3}dt=C_{yz}=i_{shb}*t_{shb}+i_{zb}*t_{zb}+i_{sb}*t_{sb}+i_{sob}*t_{sob}+i_{yj}*t_{yj}+i_{sk}*t_{sk}+i_{xz}*t_{xz}$

其中，各电流符号的意义如下表：

④机器人巡检能耗

机器人在跨越障碍之前或者之后要静止下来对线路杆塔进行巡视检查，此时机器人电流主要由机箱中的元器件损耗的电流组成，设该电流为i₄，越障时间为t₃，则机器人在该部分的能耗c₄为：

$c_4=\underset{t_1+t_2+t_3}{\overset{t_1+t_2+t_3+t_4}{\∫}}{i}_{4}dt$

⑤机器人的总能耗为：

由以上推导过程可以知道其中c₁、c₃、c₄可以根据线路上防震锤的个数，C型悬垂线夹的类型以及耐张过桥的类型提前算出，将上述计算得到的机器人总能耗与机器人剩余电量进行比较即可得到机器人续航里程。