CN107971266B - 一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法，包括实时通讯的自主冲洗机器人和辅助冲洗装置，所述自主冲洗机器人和辅助冲洗装置均包括冲洗水枪，所述冲洗水枪与垂直升降机构和水平运动机构相连，通过协同控制两个冲洗水枪的俯仰及旋转角度，保持自主冲洗机器人和辅助冲洗装置在绝缘子两侧进行同步清洗。本发明利用可移动式机器人和辅助冲洗装置进行配合，实现双机在不同侧面同时对同意绝缘子进行清洗，保证了清洗的快速与效果，有利于电网设备的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双机协同控制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。
目前常使用移动冲洗机器人进行绝缘子的冲洗，但是，现有冲洗时常常只使用一台水冲洗机器人进行冲洗，在冲洗时无法对称360°布设的绝缘子进行一次到位冲洗，需要反复移动机器人和纯水制备装置，给冲洗带来诸多不便，使得控制过程复杂化，且无法保证绝缘子的快速、精确性和一次性冲洗，成本高，工作利用率低，对于大型变电站的绝缘子清洗，这种缺点无疑更为严重。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法，本发明利用可移动式机器人和辅助冲洗装置进行配合，实现双机在不同侧面同时对同一绝缘子进行清洗，保证了清洗的快速与效果，有利于电网设备的安全运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统，包括实时通讯的自主冲洗机器人和辅助冲洗装置，所述自主冲洗机器人和辅助冲洗装置均包括冲洗水枪，所述冲洗水枪与垂直升降机构和水平运动机构相连，通过协同控制两个冲洗水枪的俯仰及旋转角度，保持自主冲洗机器人和辅助冲洗装置在绝缘子两侧进行同步清洗。
进一步的，所述自主冲洗机器人包括升降冲洗机构、移动机构和控制系统，所述升降冲洗机构包括绝缘支撑、设置于绝缘支撑上端的水枪、以及带动水枪进行竖直和水平方向上运动的垂直摆动油缸与水平摆动油缸；
所述移动机构具有行走机构，承载升降冲洗机构移动；
所述控制系统包括控制器和传感器组，所述控制系统融合传感器组采集的工作参数，对升降冲洗机构和移动机构进行相应控制，使得机器人在保证绝缘防护的基础上自主完成一冲两回或一冲多回的冲洗作业。
进一步的，所述传感器组包括激光传感器、倾角传感器、水电阻率传感器、风速传感器、超声波传感器、旋转角度传感器、俯仰角度传感器和直线位移传感器，所述直线位移传感器和倾角传感器位于绝缘支撑底部，激光传感器位于绝缘支撑上，旋转角度传感器、俯仰角度传感器位于水枪上，风速传感器位于绝缘支撑上方，压力传感器位于水箱的出口压力处，水电阻率传感器位于水箱的出口处，超声波传感器设置于行走机构前端。
所述控制系统包括主控系统和智能冲洗系统，主控系统包括信息采集模块、运动控制模块和无线遥控模块；智能冲洗系统包括激光定位模块、安全防护模块和双机协同模块，其中：
信息采集模块被配置为完成对传感器组信号的采集，所述运动控制模块被配置为完成机器人本体的运动控制，无线遥控模块被配置为辅助控制器和主控制中心的无线远程通讯以实现远程控制；
激光定位模块被配置为对绝缘子位置进行检测，以保持冲洗过程的绝缘安全，安全防护模块被配置为对控制系统的安全保护，双机协同模块被配置为与辅助冲洗装置的协同作业控制。
进一步的，所述升降冲洗机构的上端设置有视觉传感器和图像传感器。
进一步的，所述控制器以激光传感器数据为主，视觉传感器数据为辅，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，作为远程遥控的视频展示，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。
进一步的，所述控制器通过倾斜角传感器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冲洗时水枪的控制参数，实现实际环境下的水冲洗作业。
对绝缘子进行标定，检测机器人本体的倾斜角度，根据标定结果和倾斜角度判断绝缘子的位置和状态，制定合理的水冲洗策略，水冲洗机器人按照上述策略进行冲洗作业，同时检测水枪的二垂直自由度机构的旋转和俯仰角度，以此作为水枪冲洗位置的反馈依据，检测升降装置的状态，与此同时，检测风速的情况，控制器判断风速对水柱造成的影响，并在水枪的控制上对水枪状态进行补偿，在整个冲洗过程中检测电流的泄漏情况。
辅助冲洗装置，包括可拆卸的上下两部，其中上部为绝缘冲洗机构，下部为移动机构；所述移动机构包括移动支架，所述移动支架上安装有控制器及与其相连的驱动单元；所述绝缘冲洗机构包括绝缘杆件，所述绝缘杆件的下端安装在移动机构上，绝缘杆件的上端安装有水枪，所述水枪还分别与垂直升降机构和水平运动机构相连，所述垂直升降机构和水平运动机构分别与驱动单元相连，分别用于调整支座式辅助冲洗装置上水枪的俯仰及旋转角度，使其对准作业对象，来辅助水冲机器人进行冲洗作业。
进一步的，所述移动支架上还布置支腿和水平仪，所述水平仪用于支座式辅助冲洗装置在作业前的平衡，保持冲洗作业的稳定性。
本发明的移动支架可选为人工行走方式，在冲洗支架上布置水平仪，便于在作业前进行支腿的找平，保持冲洗作业的稳定性。
进一步的，所述垂直升降机构还与直线位移传感器相连，所述直线位移传感器用于实时检测垂直升降机构的升降高度并传送至控制器。
进一步的，所述绝缘杆件上还安装有激光传感器和倾斜角传感器，所述激光传感器和倾斜角传感器分别与控制器相连；
所述激光传感器用于对在支座式辅助冲洗装置冲洗作业前对绝缘子进行标定，所述倾斜角传感器用于作业开始后实时检测所述支座式辅助冲洗装置本体的倾斜角度，所述控制器用于根据绝缘子的标定结果和支座式辅助冲洗装置本体的倾斜角度，判断绝缘子的位置和状态，进而制定的水冲洗策略。
一种基于双机协同控制的变电站带电水冲洗方法，具体包括以下步骤：
(1)自主冲洗机器人和辅助冲洗装置实时通讯，保证接收的信号和发出的命令有相同的时间基点；
(2)自主冲洗机器人和辅助冲洗装置的俯仰驱动装置为伺服电机，对俯仰角速度进行实时准确的调节，以保证两者的协调配合；
(3)设定好冲洗模式，自主冲洗机器人和辅助冲洗装置分别根据距离绝缘子的距离和自身的倾斜角度计算出俯仰量程，根据冲洗模式确定站点数量，以及每两个站点之间需要俯仰的角度；
(4)每到达一个站点，自主冲洗机器人和辅助冲洗装置之间相互等待，通过设置等待时段避免作业过程中的累积误差。
自主冲洗机器人完成主冲洗作业，辅助冲洗装置完成跟随作业，辅助冲洗装置位于自主冲洗机器人的下方一定距离处，以切断自主冲洗机器人冲洗作业产生的水流，达到绝缘的目的。
在冲洗作业过程中，存在对绝缘子冲洗的模式选择即一冲一回或一冲N回，N为大于1的整数，根据N的取值确定站点数量，以及每两个站点之间需要俯仰的角度。
所述自主冲洗机器人和辅助冲洗装置形成的双枪分别布置于待冲洗设备两侧，使冲洗水柱能够环抱整个冲洗设备截面，从而有效防止冲洗时污闪事故的发生。
辅助冲洗装置冲洗点位于自主冲洗机器人冲洗点下方设定距离处，并保持间距；自主冲洗机器人和辅助冲洗装置在站点需要进行停顿直至在下一次冲洗过程前保证调整至协同一致。
在自主冲洗机器人和辅助冲洗装置进行双枪作业时，其控制方法还包括：利用总线技术实现自主冲洗机器人和辅助冲洗装置的控制时钟的同步，利用该实时总线技术缩短系统的控制时间周期，保证传感器采集系统的采样频率和控制信号的下发的实时性和双枪控制命令的同步性；并将机器人双枪双回、双枪多回的作业流程，转换为自主冲洗机器人和辅助冲洗装置的控制系统的控制逻辑。
对绝缘子进行标定，检测自主冲洗机器人或辅助冲洗装置的倾斜角度，根据标定结果和倾斜角度判断绝缘子的位置和状态，制定水冲洗策略，自主冲洗机器人或辅助冲洗装置按照上述策略进行冲洗作业，同时检测水枪的二垂直自由度机构的旋转和俯仰角度，以此作为水枪冲洗位置的反馈依据，检测升降装置的状态，与此同时，检测风速的情况，控制器判断风速对水柱造成的影响，并在水枪的控制上对水枪状态进行补偿，在整个冲洗过程中检测电流的泄漏情况。
制定水冲洗策略的具体步骤包括：利用激光传感器采集作业现场待冲洗设备的实际位置信息，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，瞄准待冲洗设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)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瞄准，进而自调整，实现自动精确冲洗；
(2)本发明的辅助冲洗装置为水冲洗机器人的辅助冲洗机构，其通过上下可拆卸的绝缘冲洗机构和移动机构配合，使得支座式辅助冲洗装置移动至工作位置处，调整支座式辅助冲洗装置上水枪的俯仰及旋转角度，使其对准作业对象，来辅助水冲机器人进行冲洗作业，提高了水冲机器人的冲洗效率；
(3)本发明提供的小型化、轻型化的水冲洗机器人，能够充分减小水冲洗机器人的占地面积，减少水冲洗移动过程的复杂性；本发明提出的水冲洗机器人的控制系统，采用激光的扇幅扫描的控制方式，能够使机器人在不平整路面发生倾斜时，有效的偏移瞄准；
(4)本发明提供的双机协同控制方法，能够有效的使主辅冲机器人一起动作时，保持相对静止，使污水线断开，可实现水冲洗机器人双枪协同控制，模仿人工作业时的双枪配合方式，能在不停电的情况下对变电站支柱绝缘子、避雷器、带电设备套管等带电设备外绝缘部分进行机器人水冲洗作业。
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为本发明的自主冲洗机器人结构图；
图2是本发明的辅助冲洗装置结构示意图。
图3是水枪喷嘴结构示意图。
图4是支座式辅助冲洗装置和水冲洗机器人的冲洗作业示意图。
图5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6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7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8是本发明的激光传感器检测原理示意图；
图9是本发明的控制原理图；
图10是本发明的安全防护模块控制流程图。
图11为本发明的冲洗顺序示意图；
图12为本发明的双机协同模块示意图；
图13为本发明的双机协同模块控制流程图；
图14是本发明的机器人本体倾斜时的计算流程示意图。
其中，1、移动支架；2、绝缘杆件；3、水枪。
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，现有技术中存在冲洗时常常只使用一台水冲洗机器人进行冲洗，在冲洗时无法对称360°布设的绝缘子进行一次到位冲洗，需要反复移动机器人和纯水制备装置，给冲洗带来诸多不便不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统，包括实时通讯的自主冲洗机器人和辅助冲洗装置，所述自主冲洗机器人和辅助冲洗装置均包括冲洗水枪，所述冲洗水枪与垂直升降机构和水平运动机构相连，通过协同控制两个冲洗水枪的俯仰及旋转角度，保持自主冲洗机器人和辅助冲洗装置在绝缘子两侧进行同步清洗。
为简便叙述，以下自主冲洗机器人简称为主冲机器人或主冲，辅助冲洗装置简称为辅冲机器人或辅冲。
主冲机器人，如图1所示，包括水冲洗机器人本体。包括履带式车体移动机构总成、喷水系统和电控系统。
(1)移动车体具备履带行走机构，能够跨越沟道和电缆沟，自带动力可在变电站室外道路和设备区内无障碍运动。
(2)绝缘支撑机构安装在移动车体上，其末端为两自由度喷枪。
根据以上需求，采用橡胶履带套装车轮的底盘结构，行走驱动轮由直流无刷电机驱动，具有复杂路面的越障能力。喷水系统由水平摆动油缸、俯仰摆动油缸、喷枪等执行元件组成，可实现对水枪的喷射角度进行调及对水冲洗过程的实时监测。
水冲洗机器人具由良好的可扩展性，机器人上装有激光测距仪、全景摄像机、热成像仪、超声传感器等设备，可在一定条件下完成对变电站设备的智能巡检。
水冲洗机器人本体其上设置有图像采集模块、激光传感器、视觉传感器和控制器，所述图像采集模块、激光传感器设置于水冲洗机器人本体前端，视觉传感器安装在水枪后方，控制器根据图像采集模块采集的图像对绝缘子串的污秽程度进行预检，需要进行冲洗时，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，进行冲洗，继而再次利用图像采集模块对绝缘子串的污秽程度进行监测，判断是否需要继续冲洗。
如图2所示，本发明的一种支座式辅助冲洗装置，包括可拆卸的上下两部，其中上部为绝缘冲洗机构，下部为移动机构；所述移动机构包括移动支架1，所述移动支架1上安装有控制器及与其相连的驱动单元；所述绝缘冲洗机构包括绝缘杆件2，所述绝缘杆件2的下端安装在移动机构上，绝缘杆件2的上端安装有水枪3，所述水枪3还分别与垂直升降机构和水平运动机构相连，所述垂直升降机构和水平运动机构分别与驱动单元相连，分别用于调整支座式辅助冲洗装置上水枪的俯仰及旋转角度，使其对准作业对象，来辅助水冲机器人进行冲洗作业。
在本发明中，驱动单元可选用液压动力单元，垂直升降机构和水平运动机构可分别选用俯仰摆动油缸和水平摆动油缸。
需要说明的是，驱动单元、垂直升降机构和水平运动机构也可以选用现有的其他结构单元。
以驱动单元选用液压动力单元，垂直升降机构和水平运动机构可分别选用俯仰摆动油缸和水平摆动油缸。
在具体实施例中，移动支架上还布置支腿和水平仪，所述水平仪用于支座式辅助冲洗装置在作业前的平衡，保持冲洗作业的稳定性。
本发明的移动支架可选为人工行走方式，在冲洗支架上布置水平仪，便于在作业前进行支腿的找平，保持冲洗作业的稳定性。
在具体实施例中，垂直升降机构还与直线位移传感器相连，所述直线位移传感器用于实时检测垂直升降机构的升降高度并传送至控制器。
在具体实施例中，绝缘杆件上还安装有激光传感器和倾斜角传感器，所述激光传感器和倾斜角传感器分别与控制器相连；
所述激光传感器用于对在支座式辅助冲洗装置冲洗作业前对绝缘子进行标定，所述倾斜角传感器用于作业开始后实时检测所述支座式辅助冲洗装置本体的倾斜角度，所述控制器用于根据绝缘子的标定结果和支座式辅助冲洗装置本体的倾斜角度，判断绝缘子的位置和状态，进而制定的水冲洗策略。
支座式辅助冲洗装置在冲洗作业的过程中，与水冲洗机器人分别布置于绝缘子的两侧；
支座式辅助冲洗装置和水冲洗机器人采用双枪跟踪法对绝缘子进行冲洗，水冲洗机器人上的水枪作为主水枪并先将污秽冲下，支座式辅助冲洗装置上的水枪作为辅水枪跟踪，用于把主水枪冲下的污水及时冲走来提高冲闪电压。支座式辅助冲洗装置和水冲洗机器人的冲洗作业如图4所示。
其中，支座式辅助冲洗装置和水冲洗机器人的冲洗角度均为120°～180°该冲洗角度范围易于实现与控制，且能够保证支座式辅助冲洗装置和水冲洗机器人两者冲洗的效率。
在支座式辅助冲洗装置开始冲洗工作之前，将支座式辅助冲洗装置移动时，支腿收回，由人工推至作业位置，保持移动支架位于水平面，支腿伸出固定，调整支座式辅助冲洗装置上水枪的旋转及俯仰角度，使其对准作业对象，来辅助水冲机器人进行冲洗作业。
变电站带电水冲洗机器人主要作业任务是在220KV高压变电站，在不断电的情况下完成对绝缘子的表面清洗工作。根据作业环境和内容，对机器人控制系统有以下要求：
(1)由于是高压带电作业，人员不能近距离作业，需要远程遥控系统完成对机器人行走的远程遥控和机器人作业的自主控制；
(2)变电站水冲洗机器人作业时，为减轻操作人员工作强度，提高工作效率，水冲洗机器人应具备自主冲洗的功能，控制系统可通过激光传感器智能感知机器人工作环境，建立工作环境的数据模型，通过相应的控制算法，保证水柱直接打在绝缘支柱之上，并能自主完成一冲两回或一冲多回的作业流程。
(3)变电站的地形相对崎岖不平，机器人在行走和作业过程中会存在较为严重的不规律倾斜状态，所以在对准绝缘子和进行冲洗作业时，需要一定的算法来矫正改偏差；同时进行冲洗0作业的水柱，在外界环境中不会保持直线状态，会存在抛物线的下落和因风而导致的偏移，这都会导致冲洗作业的失准，所以在实际控制时，应该对此两种误差予以补偿；使其能够对准绝缘子进行冲洗作业。
(4)绝缘子的安装方式也比较多，其中大多数绝缘子是垂直安装的，但是也有其他安装方式，如刀闸单相绝缘子则是倾斜一定角度安装的。若要提高水冲洗机器人的工作能力，则要提高其工作适应能力，应该检测到各种状态的绝缘子并确定相对应的作业方式。
(5)变电站的高压环境决定了其中有众多干扰，机器人的无线遥控系统容易受到外界的干扰，所以需要设计抗干扰系统，保证机器人行走和作业控制的连续、有效和稳定。
主冲机器人和辅冲机器人的控制系统包括：主控制器、传感器、执行器、遥控器、通讯装置等部分。其中，传感器包括：激光传感器、倾角传感器、旋转角度传感器、俯仰角度传感器和直线位移传感器组成。执行器包括：机器人行走执行器和机器人作业执行器；机器人作业执行器包括：顶部旋转伺服阀、俯仰伺服阀和直线位移电机，机器人行走执行器包括两个行走电机。
主控系统包括：信息采集模块、运动控制模块和无线遥控模块；智能冲洗系统包括：激光定位模块、安全防护模块和双机协同模块。其中信息采集模块主要完成对各个传感器信号的采集、运动控制模块主要完成的是机器人本体的运动控制、无线遥控模块主要完成的是和主控制器的无线远程通讯来完成对机器人的远程控制，激光定位模块主要完成的是对绝缘子位置的检测，安全防护模块主要完成的是对控制系统的安全保护，双机协同模块主要完成的是主冲机器人和辅冲机器人的协同作业。
主控制器位于机器人前端，绝缘臂下的底盘上；直线位移传感器和倾角传感器位于机器人前端，绝缘臂下的底盘上，激光传感器位于绝缘臂上，角度传感器位于两垂直自由度执行器上，工业相机位于水枪上方，风速传感器位于绝缘臂上方，压力传感器位于水箱的出口压力处，水电阻率传感器位于水箱的出口处；上述执行器通过位于控制器旁边的端子板与控制器进行通讯，端子板和控制器之间通过网线进行通讯；比例阀位于两垂直自由度执行器前，绝缘臂升降电机位于绝缘臂下方，两个行走伺服电机分别置于轮子内侧。
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6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14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：
SX＝H3*sinβ
SY＝H3*cosβ
根据上述分析知：
如图7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7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8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9所示。
在变电站带电水冲洗机器人冲洗过程中，绝缘安全是十分重要的，不仅影响到水冲洗机器人本身的设备安全，更重要的是可能会对变电站带电设备造成影响，从而可能对电网的安全运行带来影响。变电站水冲洗过程中，对绝缘安全造成影响的因素主要包括：水的电阻率、水柱的长度和机器人与带电设备间的距离、冲洗时的环境湿度、机器人整机泄露电流等等，为此改控制系统设有专门的安全防护功能模块，其主要有泄露电流传感器、水阻率传感器、水压传感器、流量传感器、激光传感器等组成。其控制逻辑图如图10所示。
传感器判断机器人本体的运动状态，作为控制机器人运动的依据。冲洗作业前激光传感器在相对理想环境下对绝缘子进行标定，作业开始后倾斜角传感器检测机器人本体的倾斜角度，根据标定结果和激光传感器检测到的实时状态，控制器判断绝缘子的位置和状态，制定合理的水冲洗策略。根据上述策略机器人进行冲洗作业，同时旋转角度传感器和俯仰角度传感器检测二垂直自由度机构的旋转和俯仰角度，以此作为水枪冲洗位置的反馈依据，直线位移传感器检测升降装置的状态。与此同时，风速传感器检测风速的情况，控制器判断对水柱造成的影响，并在水枪的控制上对水枪状态进行补偿，电流传感器实时检测电流的泄漏情况，控制器以此制定合理的电源管理策略。
运动控制系统包括机器人本体运动控制系统和作业模块运动控制系统，其中机器人本体运动控制系统包括两个伺服电机的控制，机器人作业模块运动控制系统包括水枪的俯仰和旋转、绝缘支柱的升降和作业模块的旋转等四个部分的运动控制。
水冲洗作业系统包括水枪的俯仰和旋转以及冲洗装置的升降总计三个自由度，均由电机进行控制。整机共用一套电源系统，当检测到水枪到位时，水冲洗机器人开始进行冲洗作业，并根据绝缘子的状态和作业前的设定采用一冲N回的形式进行冲洗作业。完成整套冲洗作业时，水枪迅速向下冲洗，然后回位到特定的安全区域。在作业过程中，若作业系统存在故障，系统会开启作业系统异常报警灯，以示警报。
安全防护模块控制子系统为一双闭环控制算法，内环为作业距离和压力环，外环为水阻率、泄露电流环。当高纯水由于某种原因水阻率发生变化或者机器人本体泄露电流发生变化时，在线式水阻率检测仪及泄露电流检测仪检测到该变化，通过事先通过实验建立好的水阻率与作业距离、喷水压力的专家系统得到与之对应的理想作业距离和喷水压力信息，由此进入内环系统，一方面通过激光测距仪的实时反馈信息，实现对作业距离的闭环控制，另一方面通过压力传感器返回的压力信息，实现对压力装置的输出压力及流量的控制，进而保证水冲洗机器人控制系统的绝缘性能，起到安全防护的作用。
变电站水冲洗机器人作业时，若采用单枪作业方式，无法覆盖整个设备一周，容易在冲洗侧背面形成污秽堆积，从而降低设备的绝缘性能，严重时会产生污闪事故。因此，在人工带电水冲洗作业时，一般采用双枪作业方式，双枪分别布置于设备两侧，使冲洗水柱能够环抱整个冲洗设备截面，从而有效防止冲洗时污闪事故的发生。变电站带电水冲洗机器人作业时，同样需要采用双枪作业方式，实现双枪统协同控制，保证冲洗作业的顺利完成。双机协同模块旨在对变电站水冲洗机器人双枪协同控制算法进行研究，实现上述功能。
双机协同模块主要在变电站设备带电水冲洗机器人控制系统的基础上，添加机器人作业流程控制功能模块，利用EtheCAT总线技术实现双机器人控制时钟的同步，利用该实时总线技术缩短系统的控制时间周期，提高传感器采集系统的采样频率、保证控制信号的下发的实时性和双枪控制命令的同步性；并将机器人双枪双回、双枪多回等作业流程，转换为单个水冲洗机器人控制系统的控制逻辑，利用该模块可实现水冲洗机器人双枪协同控制，模仿人工作业时的双枪配合方式，能在不停电的情况下对变电站支柱绝缘子、避雷器、带电设备套管等带电设备外绝缘部分进行机器人水冲洗作业。
双机协同的本质是通过两台控制终端的通信实现两台机器人的协同工作。双机协同要求对实时性要求很高，本项目中主冲机器人和辅冲机器人的控制核心都为倍福工控机，所以首先将通过两台工控机的通讯实现双机工作的实时性。在控制过程中，将通过对参数的调整调节两机的实时性。
如图11-图13所示，作业过程要求：主冲机器人完成主冲洗作业，辅冲机器人完成跟随作业，辅冲机器人位于主冲机器人的下方，主要作用是切断主冲机器人冲洗作业产生的水流，从而达到绝缘的目的。在冲洗作业过程中，存在对绝缘子冲洗的模式选择即一冲一回或一冲多回。在协同作业时，对误差的处置可以通过调速和延时两种方案予以解决。针对上述分析，制定具体方案如下：
(1)模式选择。在冲洗作业前，进行冲洗作业的模式选择，即一冲N回。不妨设N＝2，一冲两回的原理分析如下：
水枪按照①—②—③—④的顺序完成一冲两回的冲洗作业，在水枪的升降过程中，为了保证协同性最重要的是点有两个：
辅冲机器人冲洗点位于主冲机器人冲洗点下方30cm处，并保持间距；
主、辅冲机器人在站点需要进行停顿直至在下一次冲洗过程前保证调整至协同一致。
为了保证主辅冲机器人在运动过程中的协调一致和在站点处的主动调整，现进行以下设计：
主辅冲机器人实时通讯，保证接收的信号和发出的命令有相同的时间基点；
主辅冲机器人的俯仰驱动装置为伺服电机，可以对俯仰角速度进行实时准确的调节，以保证两者的协调配合；
设定好一冲N回的N值，控制器将根据距离绝缘子的距离和机器人本体的倾斜角度计算出俯仰量程，根据N值确定每两个站点之间需要俯仰的角度。
每到达一个站点，机器人进行3秒钟的“等待期”，主辅冲机器人之间相互等待，通过设置“等待期”可以避免主辅冲机器人作业过程中的累积误差。
在软硬件方面，需要激光传感器检测距离绝缘子的距离、倾角传感器检测机器人本体的倾斜角度、视觉传感器判断绝缘子的位置，控制器根据传感器的信号计算主辅冲机器人的俯仰角速度和站点位置，根据此两者进行水冲洗作业。
(2)冲洗原理介绍。如若两个机器人的高度相同、两机器人距离冲洗设备水平距离相同，则直接控制两个机器人以相同的角速度运行就可以了，双机器人同步的本质，是在上述条件不满足的情况下，如何保证两只水枪的冲洗的同步性。
为保证主辅冲机器人的冲洗上下限和主辅冲机器人间的位置关系，制定以下控制流程。
当激光传感器检测不到绝缘子时，控制系统待机；当激光传感器检测到绝缘子时，主枪开始动作，同时计算θ1，其中：
θ1＝200/(l+l1)
当满足判定条件，主枪开始俯仰动作，同时计算θ2，其中：
θ2＝((L+l1)sinθ1-200)/(L+l2)
并计算(L+l1)sinθ1，同时判断(L+l1)sinθ1＝A1O2与否，若满足判断条件，主枪停止作业，同时判断(L+l2)sinθ2＝A2O2与否，若满足判断条件辅枪停止作业，作业结束。
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)
1.一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：包括实时通讯的自主冲洗机器人和辅助冲洗装置，所述自主冲洗机器人和辅助冲洗装置均包括冲洗水枪，所述冲洗水枪与垂直升降机构和水平运动机构相连，通过协同控制两个冲洗水枪的俯仰及旋转角度，保持自主冲洗机器人和辅助冲洗装置在绝缘子两侧进行同步清洗；
所述自主冲洗机器人包括升降冲洗机构、移动机构和控制系统，所述升降冲洗机构包括绝缘支撑、设置于绝缘支撑上端的水枪、以及带动水枪进行竖直和水平方向上运动的垂直摆动油缸与水平摆动油缸；
所述移动机构具有行走机构，承载升降冲洗机构移动；
所述控制系统包括控制器和传感器组，所述控制系统融合传感器组采集的工作参数，对升降冲洗机构和移动机构进行相应控制，使得机器人在保证绝缘防护的基础上自主完成一冲两回或一冲多回的冲洗作业。
2.如权利要求1所述的一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述传感器组包括激光传感器、倾角传感器、水电阻率传感器、风速传感器、超声波传感器、旋转角度传感器、俯仰角度传感器和直线位移传感器，所述直线位移传感器和倾角传感器位于绝缘支撑底部，激光传感器位于绝缘支撑上，旋转角度传感器、俯仰角度传感器位于水枪上，风速传感器位于绝缘支撑上方，压力传感器位于水箱的出口压力处，水电阻率传感器位于水箱的出口处，超声波传感器设置于行走机构前端。
3.如权利要求1所述的一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述控制系统包括主控系统和智能冲洗系统，主控系统包括信息采集模块、运动控制模块和无线遥控模块；智能冲洗系统包括激光定位模块、安全防护模块和双机协同模块，其中：
信息采集模块被配置为完成对传感器组信号的采集，所述运动控制模块被配置为完成机器人本体的运动控制，无线遥控模块被配置为辅助控制器和主控制中心的无线远程通讯以实现远程控制；
激光定位模块被配置为对绝缘子位置进行检测，以保持冲洗过程的绝缘安全，安全防护模块被配置为对控制系统的安全保护，双机协同模块被配置为与辅助冲洗装置的协同作业控制。
4.如权利要求1所述的一种基于双机协同控制的变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述辅助冲洗装置，包括可拆卸的上下两部，其中上部为绝缘冲洗机构，下部为移动机构；所述移动机构包括移动支架，所述移动支架上安装有控制器及与其相连的驱动单元；所述绝缘冲洗机构包括绝缘杆件，所述绝缘杆件的下端安装在移动机构上，绝缘杆件的上端安装有水枪，所述水枪还分别与垂直升降机构和水平运动机构相连，所述垂直升降机构和水平运动机构分别与驱动单元相连，分别用于调整支座式辅助冲洗装置上水枪的俯仰及旋转角度，使其对准作业对象，来辅助水冲机器人进行冲洗作业。
5.一种基于双机协同控制的变电站带电水冲洗方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)自主冲洗机器人和辅助冲洗装置实时通讯，保证接收的信号和发出的命令有相同的时间基点；
(2)自主冲洗机器人和辅助冲洗装置的俯仰驱动装置为伺服电机，对俯仰角速度进行实时准确的调节，以保证两者的协调配合；
(3)设定好冲洗模式，自主冲洗机器人和辅助冲洗装置分别根据距离绝缘子的距离和自身的倾斜角度计算出俯仰量程，根据冲洗模式确定站点数量，以及每两个站点之间需要俯仰的角度；
(4)每到达一个站点，自主冲洗机器人和辅助冲洗装置之间相互等待，通过设置等待时段避免作业过程中的累积误差。
6.如权利要求5所述的一种基于双机协同控制的变电站带电水冲洗方法，其特征是：自主冲洗机器人完成主冲洗作业，辅助冲洗装置完成跟随作业，辅助冲洗装置位于自主冲洗机器人的下方一定距离处，以切断自主冲洗机器人冲洗作业产生的水流，达到绝缘的目的；
或，在冲洗作业过程中，存在对绝缘子冲洗的模式选择即一冲一回或一冲N回，N为大于1的整数，根据N的取值确定站点数量，以及每两个站点之间需要俯仰的角度。
7.如权利要求5所述的一种基于双机协同控制的变电站带电水冲洗方法，其特征是：自主冲洗机器人和辅助冲洗装置形成的双枪分别布置于待冲洗设备两侧，使冲洗水柱能够环抱整个冲洗设备截面，从而有效防止冲洗时污闪事故的发生；
或，辅助冲洗装置冲洗点位于自主冲洗机器人冲洗点下方设定距离处，并保持间距；自主冲洗机器人和辅助冲洗装置在站点需要进行停顿直至在下一次冲洗过程前保证调整至协同一致。
8.如权利要求5所述的一种基于双机协同控制的变电站带电水冲洗方法，其特征是：在自主冲洗机器人和辅助冲洗装置进行双枪作业时，其控制方法还包括：利用总线技术实现自主冲洗机器人和辅助冲洗装置的控制时钟的同步，利用该实时总线技术缩短系统的控制时间周期，保证传感器采集系统的采样频率和控制信号的下发的实时性和双枪控制命令的同步性；并将机器人双枪双回、双枪多回的作业流程，转换为自主冲洗机器人和辅助冲洗装置的控制系统的控制逻辑。
9.如权利要求5所述的一种基于双机协同控制的变电站带电水冲洗方法，其特征是：对绝缘子进行标定，检测自主冲洗机器人或辅助冲洗装置的倾斜角度，根据标定结果和倾斜角度判断绝缘子的位置和状态，制定水冲洗策略，自主冲洗机器人或辅助冲洗装置按照上述策略进行冲洗作业，同时检测水枪的垂直升降机构的俯仰角度和水平运动机构的旋转角度，此作为水枪冲洗位置的反馈依据，检测升降装置的状态，与此同时，检测风速的情况，控制器判断风速对水柱造成的影响，并在水枪的控制上对水枪状态进行补偿，在整个冲洗过程中检测电流的泄漏情况。
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Effective date of registration: 20201028 Address after: 250101 Electric Power Intelligent Robot Production Project 101 in Jinan City, Shandong Province, South of Feiyue Avenue and East of No. 26 Road (ICT Industrial Park) Patentee after: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: Wang Yue Central Road Ji'nan City, Shandong province 250002 City No. 2000 Patentee before: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE OF STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER Co. Patentee before: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. Patentee before: JINAN POWER SUPPLY COMPANY OF STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER Co. Patentee before: STATE GRID CORPORATION OF CHINA |
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