CN107962016B - 一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法，用激光传感器采集作业现场绝缘子串的实际位置信息，将该信息作为主要伺服定位数据，利用视觉传感器采集的数据，与激光数据进行融合，作为伺服定位的辅助手段，实现水枪关节的准确伺服定位，同时利用倾斜角传感器实时检测机器人的倾斜角度，依此角度信息，对伺服定位指令进行修正，驱动水枪运动，瞄准绝缘子串。本发明采用全自动实时监测，能够保证水冲洗机器人在清洗绝缘子串时能够正确根据自身姿态以及与绝缘子串的距离和相对角度进行自定位，进而自调整，实现自动精确冲洗。

Description

一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法

技术领域

本发明涉及一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法。

背景技术

电力系统中在户外运行的绝缘子长期暴露在大自然中，特别是在工业、沿海和盐碱地区域，受到工业废气、海水或自然界盐碱、粉尘等作用，通常会在绝缘子表面形成一定程度的污秽累积。受污染的绝缘子，在气候干燥的情况，污秽层电阻很大，对电力系统运行危险不大。但是，当遇到雾和阴雨等潮湿气候条件时，绝缘子表面的污秽层被湿润，电导增大，绝缘性能降低，泄漏电流急剧增加，闪络电压大大降低，此时就可能发生污秽闪络。尤其是当绝缘子设计的爬电比距不够或采用的绝缘子不能满足污秽要求时，污闪就必然出现。由于污闪跳闸后的重合闸成功率很低，绝缘子污闪容易发展成大面积、长时间的恶性停电事故，因此污闪的危害性极大，是影响电网设备安全运行的主要隐患。

但是，现有的变电站设备带电水冲洗机器人均工作在变电站环境内，对于变电站设备区这种半结构化、室外环境下，行驶的道路不一定平稳，如果仍采用现有的单一视觉定位方法，很难消除室外光线对图像识别的影响，同时机器人无法根据自身姿态进行冲洗角度的调整，无法实时、适当的调整水枪的冲洗角度、流量等等，在冲洗时发生偏差，造成冲洗不干净、不彻底以及不精确。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法，本发明能够保证水冲洗机器人在清洗绝缘子串时能够正确根据自身姿态以及与绝缘子串的距离和相对角度进行自定位，进而自调整。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统，包括水冲洗机器人本体，所述水冲洗机器人本体上设置激光传感器、倾斜角传感器、视觉传感器和控制器，所述激光传感器和倾斜角传感器安装于水冲洗机器人本体上，视觉传感器安装在水枪后方，利用激光传感器采集作业现场绝缘子串的实际位置信息，控制器将该信息作为主要伺服定位数据，利用视觉传感器采集的数据，与激光数据进行融合，作为伺服定位的辅助手段，实现水枪关节的准确伺服定位，同时利用倾斜角传感器实时检测机器人的倾斜角度，依此角度信息，对伺服定位指令进行修正，驱动水枪运动，瞄准绝缘子串。

所述激光传感器与水枪平行安装。

所述水枪为双关节水枪。

水枪的水平轴和俯仰轴上均安装有角度传感器。

所述水枪安装角度固定，在其扫描角度确定绝缘子串所在区域和水枪冲洗区域，控制器控制水枪在水平方向运动使其冲洗区域与绝缘子串所在区域重合。

对于针对倾斜式绝缘子，激光传感器检测X轴方向和Y轴方向的两个方向的位移值。

一种自定位的变电站水冲洗方法，利用激光传感器采集作业现场绝缘子串的实际位置信息，将该信息作为主要伺服定位数据，利用视觉传感器采集的数据，与激光数据进行融合，作为伺服定位的辅助手段，实现水枪关节的准确伺服定位，同时利用倾斜角传感器实时检测机器人的倾斜角度，依此角度信息，对伺服定位指令进行修正，驱动水枪运动，瞄准绝缘子串。

得到伺服定位指令前先确定绝缘子顶部高度，激光传感器安装位置距地面高度，激光传感器与绝缘支柱间距离，水枪最小冲洗角度以及其最大冲洗角度。

当水冲洗机器人本体自身发生角度倾斜时，利用机器人的倾斜角度对水枪最小冲洗角度以及其最大冲洗角度进行修正。

对于倾斜式绝缘子，检测X轴方向和Y轴方向的两个方向的位移值，以此修正得到水枪在Y轴方向的检测范围和在X轴方向的冲洗范围。

水枪打击的有效角度区域于激光传感器的安装角度有关。

对于水枪的水平方向伺服控制量为在激光测量坐标系下，绝缘子方向角度与水枪打击有效角度间的偏差。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用全自动实时监测，能够保证水冲洗机器人在清洗绝缘子串时能够正确根据自身姿态以及与绝缘子串的距离和相对角度进行自定位，进而自调整，实现自动精确冲洗。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的垂直式绝缘子时水枪冲洗范围的确定流程示意图；

图2是本发明的水冲洗机器人倾斜任意角度时对于水枪冲洗范围的确定的修正示意图；

图3是本发明的倾斜式绝缘子时水枪冲洗范围的确定流程示意图；

图4是本发明的激光传感器检测原理示意图；

图5是本发明的控制原理图；

图6是本发明的机器人本体倾斜时的计算流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的无法根据自身姿态进行调整，在冲洗时发生偏差，造成冲洗不干净的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，变电站设备带电水冲洗机器人工作在变电站环境内，对于变电站设备区这种半结构化、室外环境下，采用单一视觉定位方法，很难消除室外光线对图像识别的影响，为此本系统设计一种基于激光传感器的定位伺服方法，该方法以激光传感器数据为主，视觉传感器数据为辅，激光传感器安装与机器人中部，视觉传感器安装在水枪后方，利用激光传感器采集作业现场的实际位置信息，利用该信息作为主要伺服定位数据，驱动水枪两个关节的运动，利用视觉传感器采集的数据，既可作为远程遥控的视频展示，也可与激光数据进行融合，作为伺服定位的辅助手段，实现水枪关节的准确伺服定位。

要解决变电站设备带电水冲洗机器人的自动冲洗的问题，关键是解决被冲洗绝缘子的范围(及被冲洗绝缘子的冲洗区域在水枪坐标系内的角度范围)和冲洗过程中的水枪的伺服控制。其中，首先由于激光传感器与水枪平行安装，水枪冲洗范围主要是垂直方向范围的确定，水平方向的调整量可以通过冲洗过程中的伺服控制来解决。

水枪冲洗范围的确定，如图2所示，对于垂直式绝缘子，首先假设变电站设备区内环境为理想条件，地面平整，不同间隔内同类设备安装高度一致并且已知，且假设作业时，冲洗水柱近似为直线，机器人水枪平台安装绝对水平，且无风的影响。

绝缘子顶部高度为H1，绝缘子底部高度为H2，激光传感器安装位置距地面高度为H3，激光传感器与绝缘支柱间距离为D，水枪最小冲洗角度为θ1，最大冲洗角度为θ2。

系统定义水枪初始位为水平位置(该水平位置为水枪关节的编码器0位，并不一定是真正水平位置，后续可以再用倾角传感器来矫正改水平位置，这时可以测出水枪水平时，激光到绝缘子的水平距离，在H₁，H₂已知的情况下可以算出冲洗的边界角度)

其中H₁，H₂，H₃为已知变量，L为枪口距离绝缘子的距离，α为倾角传感器测得的角度，D可以通过激光测距仪和倾角传感器获取，θ₁，θ₂为所求的水枪的冲洗角度未知变量，由图2可得：

θ₁＝arctan((H₂-H₃)/D)

θ₂＝arctan((H₁-H₃)/D)

其中：D＝L*α

当机器人倾斜任意角度时的范围确定：

由于变电站设备区内道路情况复杂，理想情况很难到达，如道路起伏不平，造成激光机水枪平台的安装位置不是绝对水平状态，为此系统引入倾斜角传感器，其主要作用是实时检测机器人的倾斜角度，依此角度信息，通过计算修正机器人系统的各种参数，实现实际环境下的水冲洗作业。

如图6所示，设机器人本体倾斜β角度，则激光传感器会倾斜β角度。当激光传感器发生倾斜之后，其基准坐标原点也会出现倾斜，如图所示倾斜角度为β角。当基准座标倾斜β角度后，基准坐标原点在X轴和Y轴方向会产生位移，位移值分别为：

S_X＝H3*sinβ；

S_Y＝H3*cosβ；

如图2所示，根据上述分析知：

如图3所示，针对倾斜式绝缘子，需要检测X轴方向和Y轴方向的两个方向的位移值。

激光传感器在Y轴方向的检测范围为(θ₁，θ₂)，在X轴方向的检测范围为(β₁，β₂)。

绝缘子顶部高度为H1，激光传感器安装位置距地面高度为H3，激光传感器与绝缘支柱间距离为D，水枪在竖直方向上的最小冲洗角度为θ水，最大冲洗角度为θ最；水枪在水平方向上的最小冲洗角度为β水，最大冲洗角度为β最大。

系统定义水枪初始位为水平位置(该水平位置为水枪关节的编码器0位，并不一定是真正水平位置，后续可以再用倾角传感器来矫正改水平位置，这时可以测出水枪水平时，激光到绝缘子的水平距离，在H₁，H₂已知的情况下可以算出冲洗的边界角度)。

其中H₁，H₂，H₃为已知变量，L为枪口距离绝缘子的距离，α为倾角传感器测得的角度，D可以通过激光测距仪和倾角传感器获取，θ₁，θ₂为所求的水枪的冲洗角度未知变量，由图3可得：

θ₁＝arctan((H₂-H₃)/D)

θ₂＝arctan((H₁-H₃)/D)

其中：D＝L*α

β值可通过控制器的插补运算，根据θ值进行校正逐步对准绝缘子，无需测量计算精确值。

针对机器人在复杂工况下的倾斜角度计算，同垂直绝缘子分析过程。

图4为伺服过程中激光传感器测量平面示意图，图中圆柱形物体为绝缘子在测量平面内的投影，黑区域为水枪打击的有效角度区域，该区域由激光传感器的安装角度有关，如安装角度固定，可以通过实验方法获取，由图可知，水平方向伺服控制量θ，为在激光测量坐标系下，绝缘子方向角度与水枪打击有效角度间的偏差。在冲洗过程中可以根据激光传感器返回的数据，实时调整水枪的冲洗角度，保证水柱时刻打击在绝缘支柱之上。

综上所述，利用激光传感器在水平方向及垂直方向的伺服控制量都容易求取，为此利用水枪水平轴和俯仰轴上安装的角度传感器，结合激光传感器的数据可以组成水冲洗机器人的水枪智能控制系统，其控制原理图如5所示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：包括水冲洗机器人本体，所述水冲洗机器人本体上设置激光传感器、倾斜角传感器、视觉传感器和控制器，所述激光传感器和倾斜角传感器安装于水冲洗机器人本体上，视觉传感器安装在水枪后方，利用激光传感器采集作业现场绝缘子串的实际位置信息，控制器将该信息作为主要伺服定位数据，利用视觉传感器采集的数据，与激光数据进行融合，作为伺服定位的辅助手段，实现水枪关节的准确伺服定位，同时利用倾斜角传感器实时检测机器人的倾斜角度，依此角度信息，对伺服定位指令进行修正，驱动水枪运动，瞄准绝缘子串；水枪的水平轴和俯仰轴上均安装有角度传感器。

2.如权利要求1所述的一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述激光传感器与水枪平行安装。

3.如权利要求1所述的一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述水枪为双关节水枪。

4.如权利要求1所述的一种自定位的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述水枪安装角度固定，在其扫描角度确定绝缘子串所在区域和水枪冲洗区域，控制器控制水枪在水平方向运动使其冲洗区域与绝缘子串所在区域重合。

5.一种基于权利要求1所述系统实现变电站水冲洗的方法，其特征是：利用激光传感器采集作业现场绝缘子串的实际位置信息，将该信息作为主要伺服定位数据，利用视觉传感器采集的数据，与激光数据进行融合，作为伺服定位的辅助手段，实现水枪关节的准确伺服定位，同时利用倾斜角传感器实时检测机器人的倾斜角度，依此角度信息，对伺服定位指令进行修正，驱动水枪运动，瞄准绝缘子串。

6.如权利要求5所述实现变电站水冲洗的方法，其特征是：得到伺服定位指令前先确定绝缘子串顶部高度，激光传感器安装位置距地面高度，激光传感器与绝缘支柱间距离，水枪最小冲洗角度以及其最大冲洗角度。

7.如权利要求5所述实现变电站水冲洗的方法，其特征是：当水冲洗机器人本体自身发生角度倾斜时，利用机器人的倾斜角度对水枪最小冲洗角度以及其最大冲洗角度进行修正。

8.如权利要求5所述实现变电站水冲洗的方法，其特征是：对于倾斜式绝缘子串，检测X轴方向和Y轴方向的两个方向的位移值，以此修正得到水枪在Y轴方向的检测范围和在X轴方向的冲洗范围。

9.如权利要求5所述实现变电站水冲洗的方法，其特征是：水枪打击的有效角度区域与激光传感器的安装角度有关；

对于水枪的水平方向伺服控制量为在激光测量坐标系下，绝缘子串方向角度与水枪打击有效角度间的偏差。

Images