CN107994529B - 一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置及方法，它包括无人机系统，所述无人机系统上搭载有用于机械除冰的智能机械臂装置和用于喷洒除冰的喷洒装置；所述无人机系统通过无线传输与现场指挥中心进行通讯。首先利用无人机携带机械臂前往覆冰输电线，遥控并释放机械臂，通过自驱动、智能化的机械臂开展覆冰输电线表层除冰，可避免机械臂与输电线表层铝股的磨耗，然后利用无人机携带化学试剂喷洒进行二次深层除冰，该除冰技术具有速度快、精度高、效果好的优势。

Description

一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于无人机的组合式、智能化融雪除冰装置及方法，属于架空输电线除冰技术领域。

背景技术

输电线路是重要的生命线工程，输电线路的积雪覆冰可引起输电线舞动、杆塔倾斜倒塌、断线及绝缘子闪络等电气事故，威胁到电网系统的安全运营，并且会引发输电线的次生灾害，给社会和人民的生命财产造成严重危害。因此，国家每年投入大量资源进行覆冰输电线路检测和融雪除冰。

目前，针对输电线的积雪覆冰，传统的除冰手段主要包括机械除冰、热力融冰和自然被动除冰等方式，机械除冰法，由于机械臂与输电线之间存在摩擦，容易造成输电线表面摩擦损耗，影响输电线铝股导电性能。另外，对于架设在大江大河或崇山峻岭之间的输电线路，一旦产生覆冰，工作人员难以在输电线塔输电线上及时架设机械臂装置，影响了除冰效率；热力融冰法对输电线的伏特值要求较高，对绝缘子串和杆塔除冰效果较差，成本相对较高；自然被动除冰法虽简单易行，成本低，但具有较强的偶然性，不能稳定高效地除冰。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，提出一种基于无人机的组合式、智能化融雪除冰技术。首先利用无人机携带机械臂前往覆冰输电线，遥控并释放机械臂，通过自驱动、智能化的机械臂开展覆冰输电线表层除冰，可避免机械臂与输电线表层铝股的磨耗，然后利用无人机携带化学试剂喷洒进行二次深层除冰，该除冰技术具有速度快、精度高、效果好的优势。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置，它包括无人机系统，所述无人机系统上搭载有用于机械除冰的智能机械臂装置和用于喷洒除冰的喷洒装置；所述无人机系统通过无线传输与现场指挥中心进行通讯。

所述无人机系统包括无人机机身，所述无人机机身的顶部安装有太阳能电池板和风速传感器，在无人机机身的前端安装有第一双目摄像头和红外探测仪，所述无人机机身的底端安装有强力电磁铁，所述强力电磁铁通过磁吸力与智能机械臂装置和喷洒装置相连；所述无人机机身的后端安装有第一信息接收装置，所述第一信息接收装置通过无线信号传输与现场指挥中心进行通讯。

所述智能机械臂装置包括机身，所述机身上安装有传动齿条，所述传动齿条与行走驱动机构相配合，并驱动机身沿传动齿条行走，所述传动齿条的两端安装有用于固定机身的第一固定机械臂组件和第二固定机械臂组件，在第一固定机械臂组件的前端安装有第二双目摄像头，所述机身的底部安装有用于碎冰的碎冰机械手臂组件和用于除冰渣的冰渣清理机械手臂组件，所述机身的顶部安装有第一铁块，所述第一铁块与无人机系统的强力电磁铁相配合，并对机身进行固定；所述机身的顶部安装有第二信息接收装置，所述第二信息接收装置通过无线传输与现场指挥中心进行通讯。

所述行走驱动机构包括主电机，所述主电机的输出轴上安装有主齿轮，所述主齿轮和传动齿条构成齿轮齿条传动。

所述喷洒装置包括漏斗，所述漏斗的底部通过导管连接有喷头，所述喷头与设置在漏斗内部的泵体相连通，并进行喷药作业。

所述第一固定机械臂组件、第二固定机械臂组件、碎冰机械手臂组件和冰渣清理机械手臂组件采用相同的结构；包括前挡板和后挡板，在两挡板之间安装有电机，所述电机的输出轴上安装有啮合齿轮，所述啮合齿轮的主轴上安装有第二机械手指，所述啮合齿轮与从动齿轮啮合传动，所述从动齿轮的主轴上安装有第一机械手指；所述第二机械手指上部安装有第一距离感应器。

所述碎冰机械手臂组件上安装有用于测量冰层的厚度传感器以及与第二机械手指的第一距离感应器相配合的第二距离感应器。

所述机身内部安装有蓄电池、线路和控制开关；所述蓄电池通过线路与无人机系统的太阳能电池板相连。

所述第一固定机械臂组件、第二固定机械臂组件、碎冰机械手臂组件和冰渣清理机械手臂组件的电机都通过信号线与机身上的第二信息接收装置相连。

采用任意一项所述基于无人机的组合式智能融雪除冰装置的除冰方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：现场指挥中心连接无人机系统和智能机械臂装置；工作人员向无人机系统发出指令，利用无人机携带智能机械臂装置到达覆冰输电线上方，通过无人机的第一双目摄像头，初步判断输电线的覆冰情况，释放智能机械臂到输电线上；

Step2：通过现场指挥中心控制智能机械臂装置的第一固定机械臂组件和第二固定机械臂组件的电机，使其机械手指张开，并夹紧固定在输电线上进而对整个机身进行固定；

Step3：指挥中心通过无线信号发出指令，开启碎冰机械手臂组件的自动除冰模式；智能机械臂装置利用自带的第二双目摄像头确定好输电线位置，通过厚度传感器探测覆冰厚度，自动设定除冰厚度，调节合适的机械手指夹紧力和自身姿态，开始自驱动爬行除冰；

Step5：通过启动智能机械臂装置的冰渣清理机械手臂组件，通过冰渣清理机械手臂组件对破碎之后的覆冰进行二次清除；

Step5：机械除冰工作顺利开展后，工作人员操控无人机，用无人机的强力电磁铁连接化学喷洒装置，利用无人机携带喷洒装置进行二次深层除冰，去除输电线的剩余残冰；

Step6：利用无人机巡查输电塔和绝缘子的覆冰情况，携带化学喷洒装置开展后续除冰工作。

本发明有如下有益效果：

1、通过采用上述的组合式智能融雪除冰装置，其融雪除冰效果和效率显著提高，首先通过机械臂表层除冰，再进行化学喷洒二次深层除冰，克服了基于无人机技术的单一机械臂和化学喷洒除冰稳定性差，效果欠佳的问题。

2、无人机工作性能强，通过双目摄像头，风速传感器等，可以准确，便捷的巡查和判断输电线的覆冰情况，也可为智能机械臂的精准控制夹紧力和化学喷洒装置提供作业平台。

3、利用无人，不受地形、气象条件限制，可快速、方便、安全得安装、释放机械臂装置，克服了传统机械装置架设难的问题。

4、加设了太阳能充电板，提高了无人机续航能力，克服了传统无人机携带化学喷洒装置除冰的续航问题。

5、自驱动、智能化机械臂，不需要无人为其提供前进的驱动力，可感应输电线覆冰厚度，实时调节机械臂力，实现了在覆冰输电线上自爬行除冰，避免了与输电线的机械摩擦，保护了输电线的表层铝股通电性能。

6、无人机携带机械臂和喷洒装置成本较低，且可以完成绝缘子串和相间间隔棒等部位的除冰任务。

7、高空处的风速与地面风速是不一致的，无人机装有风速传感器，当检测高空风速时，可变式喷头调节喷洒面积大小，提高除冰工作的效率，当风速传感器测得风速较大时，可及时回收无人机和机械臂装置，避免机械损伤。

8、本发明可利用多台机械臂同时交叉作业，比如携带机械臂无人机、携带喷洒装置无人机、对输电塔除冰的无人机，三种无人机同时开展除冰工作，进一步提高覆冰输电线的除冰效率。

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是本发明搭载智能机械臂装置结构示意图。

图2是本发明搭载喷洒装置结构示意图。

图3是本发明无人机系统结构俯视图。

图4是本发明智能机械臂装置三维图。

图5是本发明喷洒装置三维图。

图6是本发明第一固定机械臂组件三维图。

图7是本发明整体系统结构图。

图中：无人机机身1、智能机械臂装置2、强力电磁铁3、第一双目摄像头4、喷洒装置5、太阳能电池板6、红外探测仪7、第一信息接收装置8、风速传感器9、第一铁块10、机身11、第二双目摄像头12、第二信息接收装置13、第一固定机械臂组件14、碎冰机械手臂组件15、冰渣清理机械手臂组件16、传动齿条17、第二固定机械臂组件18、前挡板19、后挡板20、从动齿轮21、啮合齿轮22、电机23、第一机械手指24、第二机械手指25、第二铁块26、漏斗27、导管28、喷头29。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-7所示，一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置，它包括无人机系统，所述无人机系统上搭载有用于机械除冰的智能机械臂装置2和用于喷洒除冰的喷洒装置5；所述无人机系统通过无线传输与现场指挥中心进行通讯。通过采用上述的组合式智能融雪除冰装置首先利用无人机携带机械臂前往覆冰输电线，遥控并释放机械臂，通过自驱动、智能化的机械臂开展覆冰输电线表层除冰，可避免机械臂与输电线表层铝股的磨耗，然后利用无人机携带化学试剂喷洒进行二次深层除冰，该除冰技术具有速度快、精度高、效果好的优势。

进一步的，所述无人机系统包括无人机机身1，所述无人机机身1的顶部安装有太阳能电池板6和风速传感器9，在无人机机身1的前端安装有第一双目摄像头4和红外探测仪7，所述无人机机身1的底端安装有强力电磁铁3，所述强力电磁铁3通过磁吸力与智能机械臂装置2和喷洒装置5相连；所述无人机机身1的后端安装有第一信息接收装置8，所述第一信息接收装置8通过无线信号传输与现场指挥中心进行通讯。工作过程中，通过无人机系统工作性能强，通过双目摄像头，风速传感器等，可以准确，便捷的巡查和判断输电线的覆冰情况，也可为智能机械臂的精准控制夹紧力和化学喷洒装置提供作业平台。

进一步的，所述智能机械臂装置2包括机身11，所述机身11上安装有传动齿条17，所述传动齿条17与行走驱动机构相配合，并驱动机身11沿传动齿条17行走，所述传动齿条17的两端安装有用于固定机身11的第一固定机械臂组件14和第二固定机械臂组件18，在第一固定机械臂组件14的前端安装有第二双目摄像头12，所述机身11的底部安装有用于碎冰的碎冰机械手臂组件15和用于除冰渣的冰渣清理机械手臂组件16，所述机身11的顶部安装有第一铁块10，所述第一铁块10与无人机系统的强力电磁铁3相配合，并对机身11进行固定；所述机身11的顶部安装有第二信息接收装置13，所述第二信息接收装置13通过无线传输与现场指挥中心进行通讯。通过采用上述的智能机械臂装置2，工作过程中，能够将整个机身11固定在输定导线上，并通过第一固定机械臂组件14和第二固定机械臂组件18将其固定在导线上，通过所述的碎冰机械手臂组件15能够对覆冰进行夹碎进而起到碎冰的目的，通过所述的冰渣清理机械手臂组件16能够对破碎之后的覆冰进行进一步的清理。

进一步的，所述行走驱动机构包括主电机，所述主电机的输出轴上安装有主齿轮，所述主齿轮和传动齿条17构成齿轮齿条传动。通过所述的主电机能够驱动主齿轮，所述主齿轮和传动齿条17相配合能够驱动机身11移动。

进一步的，所述喷洒装置5包括漏斗27，所述漏斗27的底部通过导管28连接有喷头29，所述喷头29与设置在漏斗27内部的泵体相连通，并进行喷药作业。工作过程中，通过所述的喷洒装置5能够喷洒化学药剂进而进行除冰作业。

进一步的，所述第一固定机械臂组件14、第二固定机械臂组件18、碎冰机械手臂组件15和冰渣清理机械手臂组件16采用相同的结构；包括前挡板19和后挡板20，在两挡板之间安装有电机23，所述电机23的输出轴上安装有啮合齿轮22，所述啮合齿轮22的主轴上安装有第二机械手指25，所述啮合齿轮22与从动齿轮21啮合传动，所述从动齿轮21的主轴上安装有第一机械手指24；所述第二机械手指25上部安装有第一距离感应器。工作过程中，通过电机23驱动啮合齿轮22，通过啮合齿轮22驱动从动齿轮21，进而带动第一机械手指24和第二机械手指25夹紧输电导线。而且通过调节夹紧力能够将覆冰夹碎。

进一步的，所述碎冰机械手臂组件15上安装有用于测量冰层的厚度传感器以及与第二机械手指25的第一距离感应器相配合的第二距离感应器。通过厚度传感器能够检测覆冰的厚度，进而控制碎冰机械手臂组件15的夹紧力，进而保证了最佳的碎冰效果。

进一步的，所述机身11内部安装有蓄电池、线路和控制开关；所述蓄电池通过线路与无人机系统的太阳能电池板6相连。通过所述的蓄电池能够进行给机械臂组件进行供电。

进一步的，所述第一固定机械臂组件14、第二固定机械臂组件18、碎冰机械手臂组件15和冰渣清理机械手臂组件16的电机23都通过信号线与机身11上的第二信息接收装置13相连。

实施例2：

采用任意一项所述基于无人机的组合式智能融雪除冰装置的除冰方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：现场指挥中心连接无人机系统和智能机械臂装置2；工作人员向无人机系统发出指令，利用无人机携带智能机械臂装置2到达覆冰输电线上方，通过无人机的第一双目摄像头，初步判断输电线的覆冰情况，释放智能机械臂到输电线上；

Step2：通过现场指挥中心控制智能机械臂装置2的第一固定机械臂组件14和第二固定机械臂组件18的电机，使其机械手指张开，并夹紧固定在输电线上进而对整个机身11进行固定；

Step3：指挥中心通过无线信号发出指令，开启碎冰机械手臂组件15的自动除冰模式；智能机械臂装置2利用自带的第二双目摄像头12确定好输电线位置，通过厚度传感器探测覆冰厚度，自动设定除冰厚度，调节合适的机械手指夹紧力和自身姿态，开始自驱动爬行除冰；

Step5：通过启动智能机械臂装置2的冰渣清理机械手臂组件16，通过冰渣清理机械手臂组件16对破碎之后的覆冰进行二次清除；

Step5：机械除冰工作顺利开展后，工作人员操控无人机，用无人机的强力电磁铁连接化学喷洒装置5，利用无人机携带喷洒装置5进行二次深层除冰，去除输电线的剩余残冰；

Step6：利用无人机巡查输电塔和绝缘子的覆冰情况，携带化学喷洒装置5开展后续除冰工作。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置，其特征在于：它包括无人机系统，所述无人机系统上搭载有用于机械除冰的智能机械臂装置（2）和用于喷洒除冰的喷洒装置（5）；所述无人机系统通过无线传输与现场指挥中心进行通讯；

所述无人机系统包括无人机机身（1），所述无人机机身（1）的顶部安装有太阳能电池板（6）和风速传感器（9），在无人机机身（1）的前端安装有第一双目摄像头（4）和红外探测仪（7），所述无人机机身（1）的底端安装有强力电磁铁（3），所述强力电磁铁（3）通过磁吸力与智能机械臂装置（2）和喷洒装置（5）相连；所述无人机机身（1）的后端安装有第一信息接收装置（8），所述第一信息接收装置（8）通过无线信号传输与现场指挥中心进行通讯；

所述智能机械臂装置（2）包括机身（11），所述机身（11）上安装有传动齿条（17），所述传动齿条（17）与行走驱动机构相配合，并驱动机身（11）沿传动齿条（17）行走，所述传动齿条（17）的两端安装有用于固定机身（11）的第一固定机械臂组件（14）和第二固定机械臂组件（18），在第一固定机械臂组件（14）的前端安装有第二双目摄像头（12），所述机身（11）的底部安装有用于碎冰的碎冰机械手臂组件（15）和用于除冰渣的冰渣清理机械手臂组件（16），所述机身（11）的顶部安装有第一铁块（10），所述第一铁块（10）与无人机系统的强力电磁铁（3）相配合，并对机身（11）进行固定；所述机身（11）的顶部安装有第二信息接收装置（13），所述第二信息接收装置（13）通过无线传输与现场指挥中心进行通讯；

所述行走驱动机构包括主电机，所述主电机的输出轴上安装有主齿轮，所述主齿轮和传动齿条（17）构成齿轮齿条传动；

所述第一固定机械臂组件（14）、第二固定机械臂组件（18）、碎冰机械手臂组件（15）和冰渣清理机械手臂组件（16）采用相同的结构；包括前挡板（19）和后挡板（20），在两挡板之间安装有电机（23），所述电机（23）的输出轴上安装有啮合齿轮（22），所述啮合齿轮（22）的主轴上安装有第二机械手指（25），所述啮合齿轮（22）与从动齿轮（21）啮合传动，所述从动齿轮（21）的主轴上安装有第一机械手指（24）；所述第二机械手指（25）上部安装有第一距离感应器；

所述碎冰机械手臂组件（15）上安装有用于测量冰层的厚度传感器以及与第二机械手指（25）的第一距离感应器相配合的第二距离感应器。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置，其特征在于：所述喷洒装置（5）包括漏斗（27），所述漏斗（27）的底部通过导管（28）连接有喷头（29），所述喷头（29）与设置在漏斗（27）内部的泵体相连通，并进行喷药作业。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置，其特征在于：所述机身（11）内部安装有蓄电池、线路和控制开关；所述蓄电池通过线路与无人机系统的太阳能电池板（6）相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的组合式智能融雪除冰装置，其特征在于：所述第一固定机械臂组件（14）、第二固定机械臂组件（18）、碎冰机械手臂组件（15）和冰渣清理机械手臂组件（16）的电机（23）都通过信号线与机身（11）上的第二信息接收装置（13）相连。

5.采用权利要求1-4任意一项所述基于无人机的组合式智能融雪除冰装置的除冰方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：现场指挥中心连接无人机系统和智能机械臂装置（2）；工作人员向无人机系统发出指令，利用无人机携带智能机械臂装置（2）到达覆冰输电线上方，通过无人机的第一双目摄像头，初步判断输电线的覆冰情况，释放智能机械臂到输电线上；

Step2：通过现场指挥中心控制智能机械臂装置（2）的第一固定机械臂组件（14）和第二固定机械臂组件（18）的电机，使其机械手指张开，并夹紧固定在输电线上进而对整个机身（11）进行固定；

Step3：指挥中心通过无线信号发出指令，开启碎冰机械手臂组件（15）的自动除冰模式；智能机械臂装置（2）利用自带的第二双目摄像头（12）确定好输电线位置，通过厚度传感器探测覆冰厚度，自动设定除冰厚度，调节合适的机械手指夹紧力和自身姿态，开始自驱动爬行除冰；

Step5：通过启动智能机械臂装置（2）的冰渣清理机械手臂组件（16），通过冰渣清理机械手臂组件（16）对破碎之后的覆冰进行二次清除；

Step5：机械除冰工作顺利开展后，工作人员操控无人机，用无人机的强力电磁铁连接化学喷洒装置（5），利用无人机携带喷洒装置（5）进行二次深层除冰，去除输电线的剩余残冰；

Step6：利用无人机巡查输电塔和绝缘子的覆冰情况，携带化学喷洒装置（5）开展后续除冰工作。