CN107972038B - 一种自主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主变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法，包括升降冲洗机构、移动机构和控制系统，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；控制系统包括控制器和传感器组，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。本发明实现了冲洗机器人的小型化和智能化。

Description

一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法

技术领域

本发明涉及一种自主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。

近年来，移动式水冲洗在世界各国流行。例如美国、日本和加拿大在线路上采用带有绝缘斗、由机械手遥控喷头的带电水冲洗车，变电所内采用自动控制的固定式水冲洗装置。固定式水冲洗设备主要应用于取水方便、污秽严重的地区，它有固定的供水管道和接近设备的固定喷口，需要时可及时冲洗。固定水冲洗设备主要是由储水箱、水泵、电动机、压力表、管路、阀门和喷口组成。一般喷出的水柱呈45°的扇面，冲洗周期一般每个月两次。固定式水冲洗设备包括多种型号的喷嘴以及喷射系统等，操作方便、反应迅速、安全可靠、节省人力。但是由于固定式水冲洗设计应用点窄，设备的使用率不高，喷嘴要求高，从市场应用方面考虑，对于一般污秽、水源不充足的地方，成本大、工作利用率低。

同时，现有的水冲洗机器人体积较大，不利于运输，同时冲洗过程不易控制，整个冲洗过程复杂、容易出现误充等现象，会对供电造成危害。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统及方法，本发明通过设计小型化、轻型化的设计，使得变电站/换流站的绝缘子清洗更加方便、便捷。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统，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，所述行走机构为履带式行走机构，采用弹性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。这样的设计能够使自主冲洗机器人跨越沟道和电缆沟，自带动力可在变电站室外道路和设备区内无障碍运动，具有复杂路面的越障能力。

进一步，所述行走机构的底盘结构采用电机驱动，驱动电机位于底盘的后端，底盘前端位置布置锂电池提供驱动电源，液压动力单元设置于底盘中部，纯水进水口位于底盘后部，底盘上部预留空间，以设置升降冲洗机构及控制元件。

进一步，所述行走机构的底盘结构设置有克里斯蒂与玛蒂尔达四轮组平衡悬挂系统。以适应重载避震，可以有效的减少地形的冲击。

克里斯蒂悬挂是一种独立式圆柱螺旋弹簧悬挂系统，由前后互相连接的圆柱形螺旋弹簧构成，位于前方的为可调式水平螺旋弹簧，后方的则是倾斜布置的螺旋弹簧，将路轮的垂直运动转化成弹簧的伸缩，由此产生的弹性形变提供给车体的支撑力。克里斯蒂悬挂具有很好的柔软性和可靠性。

玛蒂尔达四轮组属于平衡式悬挂，平衡式悬挂是一种非独立式悬挂，多个负重轮使用同一组支撑架以及弹性部件，然后每侧安装一组的悬挂组件。

优选的，所述电机驱动为双电机驱动方式，采用两个电机分别驱动两个驱动轮，两个电机的功率平衡是通过控制器进行功率匹配，这种布置方案可以减少内部使用空间，对电机的转速的同步性要求较高，加速和爬坡性能好，牵引力大，可采用电子整速系统替代原来的机械差速系统，使用性能得到很大提高。

优选的，所述电机驱动为单电机驱动方式，采用一个电机经过减速器同轴输出驱动两个前轮，此种方案需要配置差速器，后置的液压驱动转向单元负责方向的调节，直流电机行走驱动出现故障的频率较高，用户需要及时保养，及时检查和更换直流行走电机的碳刷及换向器。

进一步的，所述升降冲洗机构的垂直摆动油缸与水平摆动油缸，均采用螺旋摆动油缸摆动角度分别为360°和180°。

进一步的，所述水枪的喷嘴结构具有一伸缩段，越靠近喷嘴出口，喷嘴直径越小，且收缩段外轮廓与水平面的夹角范围为10°-20°，喷嘴的出口端为圆柱状。

进一步的，所述传感器组包括激光传感器、倾斜角度传感器、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其他辅助冲洗机器人的协同作业。

自主变电站设备带电水冲洗机器人完成主冲洗作业，辅助冲洗机器人完成跟随作业，辅助冲洗机器人位于自主变电站设备带电水冲洗机器人的下方一定距离处，以切断自主变电站设备带电水冲洗机器人冲洗作业产生的水流，达到绝缘的目的。

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。

优选的，对于绝缘子进行标定和机器人本体的倾斜角度的调整的方法，具体包括以下步骤：

(1)假设待冲洗设备区域为理想环境，建立理想情况模型，确定水枪的冲洗角度范围与激光传感器在水平方向及垂直方向的伺服控制量；

(2)读取实际操作环境中机器人的倾斜角度，以及机器人倾斜后喷枪位置的改变参数，修订机器人倾斜后水枪的俯仰区间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)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；

(2)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；

(3)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为本发明的系统结构图；

图2(a)、图2(b)为移动机器人的电动底盘驱动方案示意图；

图3为本发明的机器人移动底盘示意图；

图4为本发明的水枪喷嘴示意图；

图5为本发明的缘子俯仰冲洗计算的示意图；

图6为本发明的水冲洗机器人控制系统示意图；

图7为本发明的控制系统硬件组成图；

图8为本发明的信息采集系统工作原理示意图；

图9为本发明的控制逻辑示意图；

图10为本发明的电池管理示意图；

图11为本发明的伺服过程中激光传感器测量平面示意图；

图12为本发明的水枪冲洗示意图；

图13为本发明的安全防护功能模块；

图14为本发明的双机冲洗示意图；

图15为本发明的冲洗顺序示意图；

其中，1-1、驱动电机，1-2、减速机构，1-3、驱动轮，1-4驱动轮1、风速仪，2、激光测距仪，3、全景摄像仪，4、热成像仪，5、超声传感器。

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机器人设备大、不易移动，在冲洗时不易做到安全绝缘防护等不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统。该系统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。

移动机器人目前常用的移动方式有：轮式、履带式、腿-足式、蠕动式等，其中以轮式和履带式应用最为广泛。轮式具有结构和控制简单、运行速度快、效率高等优点，但一般只适用于比较平坦和坚硬的连续地面环境，越障能力差，在松软和泥泞地面行动能力差。

移动机器人的电动底盘的两种驱动方案，如图2(a)、图2(b)所示：

1.双电机驱动方案，采用两个电机分别驱动两个驱动轮，两个电机的功率平衡是通过控制器进行功率匹配，这种布置方案可以减少内部使用空间，对电机的转速的同步性要求较高，加速和爬坡性能好，牵引力大，可采用电子整速系统替代原来的机械差速系统，使用性能得到很大提高；

2.单电机驱动方案，采用一个电机(通常为直流电机)经过减速器同轴输出驱动两个前轮，此种方案需要配置差速器，后置的液压驱动转向单元(可与上装的液压系统融合)负责方向的调节，直流电机行走驱动出现故障的频率较高，用户需要及时保养，及时检查和更换直流行走电机的碳刷及换向器。

机器人移动底盘结构如图3所示，主要包括行走机构和控制部分，行走部分采用不锈钢材质，提升底盘的整体防护性能，控制部分的整体外壳采用防屏蔽材料，为节省布置空间，采用两个电机分别驱动，其中行走机构驱动电机位于底盘的后端，底盘前端位置布置锂电池提供驱动电源，液压动力单元位底盘中部，底盘上部预留位置为水冲洗执行机构、控制元件及液压驱动元件。纯水进水口位于底盘后部。

机器人移动底盘采用加强避震器组合的撞击吸能设计，可以有效的减少地形的冲击。悬挂系统采用克里斯蒂与玛蒂尔达四轮组平衡悬挂，可以适应重载避震。

克里斯蒂悬挂是一种独立式圆柱螺旋弹簧悬挂系统，由前后互相连接的圆柱形螺旋弹簧构成，位于前方的为可调式水平螺旋弹簧，后方的则是倾斜布置的螺旋弹簧，将路轮的垂直运动转化成弹簧的伸缩，由此产生的弹性形变提供给车体的支撑力。克里斯蒂悬挂具有很好的柔软性和可靠性。玛蒂尔达四轮组属于平衡式悬挂，平衡式悬挂是一种非独立式悬挂，多个负重轮使用同一组支撑架以及弹性部件，然后每侧安装一组的悬挂组件。

电动底盘是指以电来进行驱动的底盘，大多数都是为电池提供电能。锂电池具有体积小，容量大，电压稳定，可以循环使用，安全性强等优点，有利于可持续发展，因此机器人在电池选择上优先选择锂电池。

电池的主要性能参数为电压和容量，锂电池在指定的放电条件下所放出的电量称为容量Q，其单位为A.h。

电池布置在底盘前部位置，可以作为负重，增加底盘的稳定性。将底盘外部护板拆除后可更换电池。为了方便电池的更换，采用目前市场上较为通用的锂电池，其电气接口均为国标规定，通用性好，易于维护。

机器人绝缘支撑主要由定制绝缘杆件、水平摆动油缸、俯仰摆动油缸等组成，其液压源来于装在底盘上的液压动力单元。其顶部负载预估为30Kg。

水枪是水冲洗机器人的末端段执行元件，水枪的性能决定着水冲洗的质量。因此，合适的喷嘴类型和参数，能够显著地提升水射流的效率。

对比现有几种类型的高压水射流水枪的结构和性能特点，结合水冲洗的要求，选择圆锥带圆柱出口段型喷嘴的水枪，其特点为水柱射程远，水流密度高，水流不易散花。如图4所示，圆锥带圆柱出口段型喷嘴在结构上主要由圆锥收缩段和圆柱出口段组成.

固定式冲洗支架与水冲洗机器人配合对变电站绝缘子等设备进行冲洗作业。如图5所示，其中H为水冲洗机器人的作业高度，h1为支柱绝缘子的混凝土圆杆长度，h1＝2.5m，h2为支柱绝缘子总高度，h2＝2.5m，α为最小俯仰角度，β为垂直冲洗角度，根据水冲洗导则要求，β应不大于45°，取β＝45°。L为水冲洗机器人和绝缘子之间水平距离，即机器人的作业位置。R为水冲洗水柱长度。

变电站设备带电水冲洗机器人属于工作于危险环境下的特种机器人，本身集合了高电压绝缘、液压、绝缘材料、无线通讯、视觉、自动控制等许多方面的技术。其绝缘能力将直接影响到机器人在复杂电磁环境下的工作性能。

尽管采取了许多绝缘措施，有些关键部件仍不可避免地要使用金属材料，如位于液压升降臂末端的摆动油缸、俯仰油缸、水枪支架等由于机械强度的原因必须要采用金属材料。金属工作时处于带电体与地之间，这样金属对带电体和地将分别存在电容。电容的耦合作用使金属导体具有一定的电位(该电位高于地电位而低于带电体的电位)。这些金属的存在，不可避免地要对高压电场产生影响，在导体附近电场强度可能增大，因此在机器人移动工作时，绝缘部件及空气会不会击穿，损坏机器人，进而引起变电站事故，还要对此进行分析。如果机器人的绝缘性能达不到要求，那么整个机器人的设计方案要进行修改。

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。

机器人控制系统包括：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、倾斜角度传感器、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。

按系统功能模块分类，水冲洗机器人控制系统主要包括水冲洗机器人主控系统和水冲洗机器人智能冲洗系统，如图6所示。其中，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。

控制系统硬件组成如图7所示，激光传感器和倾斜角度传感器通过串口通讯模块与工控机进行通讯，旋转角传感器、俯仰角传感器和直线位移传感器通过模拟量信号采集模块与工控机进行通讯。工控机通过继电器对各个电磁阀和电机进行控制。

主控系统包括信息采集模块、运动控制模块、无线遥控模块和抗干扰模块设计。其中，信息采集模块通过光纤通讯，将采集到的信息发送给工控机，工控机接收处理将控制信号通过EtherCAT通讯传递到运动控制模块，基于ADLINK MXE-201工控机开发的自主作业系统通过rocket M网桥和air MAX 0mni与工控机进行通讯，实现对机器人运动和作业的远程控制，另外为了提高系统的稳定性，还设计了抗干扰模块，系统详细设计如下所示。

机器人信息采集系统是机器人进行冲洗作业的依据，信息采集的及时有效可以为控制器提供及时有效的判断依据，指定科学合理的控制策略。机器人的信息采集系统包括机器人作业信息采集系统、系统误差信息采集系统。其中机器人作业信息采集包括机器人本体状态信息采集和作业对象状态信息采集，系统误差信息采集包括干扰信息和环境状态信息采集。

根据图8所示，信息采集系统的具体工作原理为：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。

底盘驱动系统采用电机驱动，由两个电机共同控制，控制方式为半自主控制。控制器通过特定的控制介质采用网桥实现和底盘驱动系统的远程通讯，人工的实现远程控制机器人完成相应的作业路径行走。在行走过程中，驱动系统作业常开警示灯会闪烁以示警示，在光线条件较暗的情况下，可开启照明灯保证机器人的安全运动。

电源管理模块是整个机器人系统正常工作的重要判断标准，由于底盘驱动系统和水冲洗作业系统共用一套电源，所以应该对电源系统进行实时的监测。该系统会对电源剩余电量、电流值、电源温度等指标进行检测。既要保证电源本身处于正常、足电的状态，也要保证输出电流处于合理范围以内。

系统状态指示灯系统是机器人系统正常工作与否的外在指示标志。驱动系统和作业系统工作时会有相应的警示灯进行警示作业人员，当系统出现异常时会有相应的报警灯进行报警，当光线条件不好时，会有照明灯保证作业环境内的光照充足。

电池的温度是判断电池能否正常使用的关键性参数，如果电池的温度超过一定值，有可能造成电池的不可恢复性破坏。电池组之间的温度差异造成电池组的单体之间的不均衡，从而会造成电池寿命的降低，系统中温度采样单元，是通过总线数字化温度传感器完成。

变电站设备带电水冲洗机器人操作的智能化水平是机器人实用化的重要性能指标，设计一套结构合理、功能完备、使用方便的机器人智能控制系统是项目研发的主要工作之一。根据现场实际需求设计了变电站设备带电水冲洗机器人智能冲洗系统，其按功能层次分人机交互层、运动规划层、运动控制层等三层。

其中，运动控制层采用Ethecat总线技术，EtherCAT技术具有微妙级的总线周期，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样，通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。Ether CAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式I/O的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。

从功能模块的层次分，可以分为激光伺服模块，安全防护模块，双机协同模块等，其中水枪伺服模块可实现机器人水枪的冲洗俯仰和摆动两个自由度的伺服控制，有效提高机器人系统的实用性；安全防护模块主要解决水冲洗作业过程中安全防护的功能，保证水冲洗作业的安全性；双机协同模块可实现双机器人协同控制，模拟人工双枪作业的功能，提高水冲洗作业的有效性。

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。

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；

θ1＝arctan((H2-H3)/D)

θ2＝arctan((H1-H3)/D)

其中：D＝L*α

倾斜任意角度

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。

根据上述分析知：

倾斜式绝缘子

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。

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)。

如图13所示，该图为伺服过程中激光传感器测量平面示意图，图中蓝色圆柱形物体为绝缘子在测量平面内的投影，红色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，其控制原理图如图14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。其安全防护功能模块图如图13所示。

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。

双机协同模块

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。两台工控机的通讯通过TwinCAT OPC实现，通过TCP/IP协议实现两机的数据通信。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15所示，水枪按照①—②—③—④的顺序完成一冲N回(此处N＝2)的冲洗作业，两台机器人同步动作，完成冲洗。

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 (8)

1.一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：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；

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；或，

对绝缘子进行标定，检测机器人本体的倾斜角度，分析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，检测升降冲洗机构的状态，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，控制器以此进行电源管理；

对绝缘子进行标定和检测机器人本体倾斜角度的方法，包括以下步骤：

(1)假设待冲洗设备区域为理想环境，建立理想情况模型，确定水枪的冲洗角度范围与传感器组的激光传感器在水平方向及垂直方向的伺服控制量；

(2)读取实际操作环境中机器人的倾斜角度，以及机器人倾斜后喷枪位置的改变参数，修订机器人倾斜后水枪的俯仰区间。

2.如权利要求1所述的一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述行走机构为履带式行走机构，采用弹性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；

或，所述行走机构的底盘结构采用电机驱动，驱动电机位于底盘的后端，底盘前端位置布置锂电池提供驱动电源，液压动力单元设置于底盘中部，纯水进水口位于底盘后部，底盘上部预留空间，以设置升降冲洗机构及控制元件。

3.如权利要求1所述的一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述行走机构的底盘结构设置有克里斯蒂与玛蒂尔达四轮组平衡悬挂系统；

克里斯蒂悬挂是一种独立式圆柱螺旋弹簧悬挂系统，由前后互相连接的圆柱形螺旋弹簧构成，位于前方的为可调式水平螺旋弹簧，后方的则是倾斜布置的螺旋弹簧，将路轮的垂直运动转化成弹簧的伸缩，由此产生的弹性形变提供给车体的支撑力；

玛蒂尔达四轮组属于平衡式悬挂，平衡式悬挂是一种非独立式悬挂，多个负重轮使用同一组支撑架以及弹性部件，然后每侧安装一组的悬挂组件。

4.如权利要求2所述的一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述电机驱动为双电机驱动方式，采用两个电机分别驱动两个驱动轮，两个电机的功率平衡是通过控制器进行功率匹配；或，所述电机驱动为单电机驱动方式，采用一个电机经过减速器同轴输出驱动两个前轮，配置有差速器，后置的液压驱动转向单元负责方向的调节。

5.如权利要求1所述的一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：所述升降冲洗机构的垂直摆动油缸与水平摆动油缸，均采用螺旋摆动油缸，摆动角度分别为360°和180°；

或，所述水枪的喷嘴结构具有一伸缩段，越靠近喷嘴出口，喷嘴直径越小，且收缩段外轮廓与水平面的夹角范围为10°-20°，喷嘴的出口端为圆柱状。

6.如权利要求1所述的一种自主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、倾斜角度传感器、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斜角度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。

7.如权利要求1所述的一种自主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和主控制器进行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其他辅助冲洗机器人的协同作业。

8.如权利要求1所述的一种自主变电站设备带电水冲洗机器人系统，其特征是：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；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。

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