CN108494289A - 高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统及控制方法，控制系统包括：电流传感器，用于检测避障臂内悬浮线圈电流大小；倾角传感器，用于检测机器人相对水平面的倾斜角度；加速度传感器，用于检测机器人在垂直高压输电线切线方向的加速度；距离检测传感器，用于检测位于避障臂的线缆保护套内的高压输电线与保护套中心轴线的距离；控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器、加速度传感器和距离检测传感器的检测，控制所述悬浮线圈电流的大小，使机器人在高压输电线上处于平稳悬浮状态。本公开保证机器人稳定通过输电线上遇到的各种障碍结构，即使高压输电线的坡度发生变化时，也可对悬浮力进行有效控制，使机器人始终处于悬浮状态。
Description
技术领域
本发明涉及高压输电线路巡线机器人技术领域，高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统及控制方法。
背景技术
目前高压输电线路巡线机器人已成为国内外研究的热点，传统的巡线机器人多采用轮臂复合式机构，外形尺寸大，机身笨重，由于轮臂式机器人的滑轮与高压线直接接触，存在摩擦和打滑等问题，降低巡线机器人的工作效率。湖北工业大学徐显金等人提出一种磁悬浮式磁力驱动机器人的方案，利用高压线周围产生的磁场实现磁力驱动，这种方案减小了机器人的外形尺寸，简化了结构，并且完全消除了摩擦和打滑等问题。本发明涉及上述方案中的磁力驱动机器人，通过控制机器人驱动线圈的电流，使机器人适应高压线坡度变化，并能稳定越过各种障碍结构，提高机器人的自动化程度。
发明内容
本公开一方面的目的在于提供一种高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，包括：电流传感器，用于检测避障臂内悬浮线圈电流大小；倾角传感器，用于检测机器人相对水平面的倾斜角度；加速度传感器，用于检测机器人在垂直高压输电线切线方向的加速度；测距传感器，用于检测位于避障臂的线缆保护套内的高压输电线与保护套中心轴线之间的距离；控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器、加速度传感器和距离检测传感器的检测，控制所述悬浮线圈电流的大小，使机器人在高压输电线上处于平稳悬浮状态。
在上述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，所述机器人处于悬浮状态时，所述控制器将所述悬浮线圈的电流调整为：
式(1)，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边和无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
在上述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，所述机器人具有三个避障臂，按前进方向依次为第一避障臂、第二避障臂和第三避障臂。
在上述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，第一避障臂越障时，第一避障臂中悬浮线圈的电流IA1＝0，悬浮力FA1＝0，所述控制器将第二避障臂中悬浮线圈电流IB1和第三避障臂IC1中悬浮线圈电流调整为：
第二避障臂越障时，第二避障臂中悬浮线圈的电流IB2＝0，悬浮力FB2＝0，所述控制器将第一避障臂中悬浮线圈电流IA2和第三避障臂中悬浮线圈电流IC2调整为
第三避障臂越障时，第三避障臂中悬浮线圈的电流IC3＝0，悬浮力FC3＝0，所述控制器将第一避障臂中悬浮线圈电流IA3和第三避障臂中悬浮线圈电流IB3调整为
式(2)～(6)中，G为机器人的重力，a为第一避障臂与第二避障臂之间的距离，b为第二避障臂与第三避障臂之间的距离，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边和无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
本公开另一方面的目的在于一种高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，包括如下步骤：倾角传感器检测机器人相对水平面的倾斜角度，电流传感器检测避障臂内悬浮线圈电流大小，基于所述倾角传感器和电流传感器的检测将悬浮线圈的电流调整到使机器人在高压输电线上处于悬浮状态时所需的电流值；测距传感器检测位于避障臂的线缆保护套内的高压输电线与保护套中心轴线之间的距离，基于所述测距传感器的检测调整悬浮线圈的电流使高压输电线位于保护套中心轴线上；加速度传感器检测机器人在垂直高压输电线方向的加速度，基于所述加速度传感器的检测调整悬浮线圈的电流，使机器人在垂直输电线方向上的加速度值为零，处于平稳的悬浮状态。
在上述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，所述机器人处于悬浮状态时，所述悬浮线圈的电流为：
式(7)，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边和无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
在上述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，所述机器人具有三个避障臂，按前进方向依次为第一避障臂、第二避障臂和第三避障臂。
在上述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，第一避障臂越障时，第一避障臂中悬浮线圈的电流IA1＝0，悬浮力FA1＝0，将第二避障臂中悬浮线圈电流IB1和第三避障臂IC1中悬浮线圈电流调整为：
第二避障臂越障时，第二避障臂中悬浮线圈的电流IB2＝0，悬浮力FB2＝0，将第一避障臂中悬浮线圈电流IA2和第三避障臂中悬浮线圈电流IC2调整为
第三避障臂越障时，第三避障臂中悬浮线圈的电流IC3＝0，悬浮力FC3＝0，将第一避障臂中悬浮线圈电流IA3和第三避障臂中悬浮线圈电流IB3调整为
式(8)～(12)中，G为机器人的重力，a为第一避障臂与第二避障臂之间的距离，b为第二避障臂与第三避障臂之间的距离，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边和无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
本公开保证磁力悬浮机器人可稳定通过输电线上遇到的各种障碍结构，由于高压输电线路在重力作用下呈悬链线结构，当高压输电线的坡度发生变化时，可控制磁力机器人悬浮力的大小，使机器人始终处于悬浮状态。
附图说明
图1为根据本公开的一个实施方式的高压直流输电线磁力机器人结构示意图。
图2为根据本公开的一个实施方式的避障臂打开后的结构示意图。
图3为根据本公开的一个实施方式的悬浮线圈的悬浮力分析图。
图4为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人在输电线上受力分析图。
图5为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人控制系统框图。
图6为根据本公开的一个实施方式的悬浮线圈中电流控制电路图。
图7为根据本公开的一个实施方式的测距传感器在安装位置示意图。
图8为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人悬浮力控制流程图。
图9为根据本公开的一个实施方式的第一避障臂张开时磁力机器人受力分析图。
图10为根据本公开的一个实施方式的第二避障臂张开时磁力机器人受力分析图。
图11为根据本公开的一个实施方式的第三避障臂张开时磁力机器人受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细的说明。
本公开主要对磁悬浮式磁力驱动机器人中悬浮线圈的电流进行控制，进而实现对悬浮力的控制，保证机器人稳定通过输电线上遇到的各种障碍结构，即使高压输电线的坡度发生变化时，也可对悬浮力进行有效控制，使机器人始终处于悬浮状态。
高压直流输电线磁力悬浮机器人的悬浮力由安培力提供，根据安培力的公式F＝BIL，当通有电流的导线经过磁场区域时，带电导线会受到安培力的作用，安培力的方向由左手定则判断，即伸开左手，使拇指与其它四指垂直且在同一平面内，让磁感线从手心流入，四指指向电流的方向，大拇指指向就是安培力的方向，安培力大小的计算公式为F＝BIL，其中B表示的为磁场区域的磁场强度，I表示带电导线的电流大小，L表示处于磁场中带电导线的长度，根据右手螺旋定则得到高压输电线周围产生的磁场的方向，即用右手握住高压输电线，右手大拇指指向高压输电线中电流的方向，四指的方向为磁场的方向，高压导线周围会产生磁场区域，规定在平面内，磁场的方向垂直平面向外用“·”表示，磁场的方向垂直平面向内用“×”表示。
其中，悬浮线圈的结构及其在避障臂的悬浮瓦上的安装方式可参见公开号CN103595301A，名称为“一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人”的专利申请。图3为磁力机器人在高压线上悬浮力分析图，由图可知，a线圈位于高压直流输电线1上部，沿逆时针方向，四条边分别为aa、ab、ac、ad；b线圈位于在高压直流输电线1下部，沿顺时针方向，四条边分别为ba、bb、bc、bd。aa边和ba边作为有效长边位于磁芯内，且平行于高压输电线1，磁芯为强导磁材质，用于强化高压电流产生的磁场。ac和bc边作为无效长边位于外衬瓦内的内，且平行于高压输电线1，外衬瓦为弱导磁材质。因此，aa和ba边所在处的磁场强度B远大于ac和bc边所在处的磁场强度。由安培力大小和方向定义可知，ab边和ad边、bb边和bd边所受安培力的大小相等，方向相反，力的作用相互抵消，而在aa边和ba边所受的安培力分别大于ac边和bc边，即F1＞F2。
当磁力机器人处于水平位置时，为保证机器人在竖直方向受力平衡，应满足Fa-Fb＝G，其中Fa为所受向上的安培力的合力，Fb为所受向下安培力的合力，G为机器人的重力。
当机器人相对水平面倾斜时，机器人的整体受力情况如图4所示，为保证机器人处于悬浮状态，在垂直高压线切线的方向上，应当满足Fa＝Fb+Gcosθ，θ为机器人倾角。由安培力公式得其中B1表示为悬浮线圈4有效长边处的磁场强度，B2表示为悬浮线圈4无效长边处的磁场强度，I1表示为悬浮电流即悬浮力线圈a和b中所通的电流，L1表示悬浮线圈长边(有效长边和无效长边)的长度，即图5中aa边、ba边、ac边、bc边的长度，代入上式得，线圈a和b中的电流与倾角θ的关系式为
基于上述对悬浮力的分析，一种高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，包括测距传感器2、电流传感器6、倾角传感器7、加速度传感器8、直流电源9和控制器11，这些器件可安装在如图1所示机器人底部支架5上，可参见图5的控制系统框图。
电流传感器6检测机器人避障臂内悬浮线圈4电流大小。由于机器人一般具有多个避障臂，且每个避障臂内的悬浮线圈4的控制相对独立，因此每个悬浮线圈4都具有一个电流传感器。如图1所示，磁力机器人具有三个避障臂，因此在悬浮力控制系统中设置三个电流传感器6，分别为电流传感器A、电流传感器B和电流传感器C。
倾角传感器7检测机器人相对水平面的倾斜角度θ，并反馈给控制器11。控制器11求解计算机器人处于悬浮状态时悬浮线圈4所需电流然后通过调节如图6所示的电流控制电路中晶体管的开合程度使悬浮线圈4中的电流达到
加速度传感器8检测机器人在垂直高压输电线切线方向的加速度，并反馈给控制器11。控制器11通过调节如图6所示的电流控制电路中晶体管的开合程度来调整悬浮线圈4中的电流，改变机器人所受的悬浮力，使机器人在垂直输电线方向上的加速度值为零，处于平稳的悬浮状态。
测距传感器2检测位于避障臂的线缆保护套3内的高压输电线1与保护套中心轴线之间的距离，使高压输电线1位于线缆保护套3的中心轴线上，保证机器人处于悬浮状态。在如图7所示一种实施方式中，两个测距传感器对称地安装在避障臂线缆保护套3内壁的上部和下部，s1为线缆保护套3内壁上部与高压输电线1之间的距离，s2为保护套3内壁下部与高压输电线1之间的距离，当s1＞s2时，当前避障臂的位置偏上，控制器调节PWM占空比改变图6所示电路中晶体管的开合程度，减小当前避障臂中悬浮线圈中的电流值；当s1＜s2时，当前避障臂的位置偏下，控制器调节PWM占空比改变图6所示电路中晶体管的开合程度，增大当前避障臂中悬浮线圈中的电流值，保证机器人处于悬浮状态。每个避障臂中悬浮线圈4电流值的调节相互独立，因此在每个避障臂内都设有测距传感器2。图1中具有三个避障臂的磁力机器人设有测距传感器A、测距传感器B和测距传感器C。
直流电源9用于给悬浮线圈4及其它直流器件提供电能。
一种高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，包括如下步骤：倾角传感器7检测机器人相对水平面的倾斜角度，电流传感器6检测避障臂内悬浮线圈4电流大小，基于所述倾角传感器7和电流传感器6的检测将悬浮线圈4的电流调整到机器人在高压输电线1上处于悬浮状态时所需的电流值测距传感器2检测位于避障臂的线缆保护套3内的高压输电线1与保护套3中心轴线之间的距离，调整悬浮线圈4的电流使高压输电线位于保护套3中心轴线上；加速度传感器8检测机器人在垂直高压输电线方向的加速度，调整悬浮线圈4的电流，使机器人在垂直输电线方向上的加速度值为零，处于平稳的悬浮状态。该控制过程可参见图8所示的实施方式。
架空高压直流输电线磁力悬浮机器人通过控制避障臂的开合穿越高压线1上的障碍物，其中避障臂的开合方式可采用现有技术，例如可参见公开号CN106505463A，名称为“一种高压直流磁悬浮巡检机器人避障装置”的专利申请。下面以图1所示的具有三个避障臂的磁力机器人为例，对越障过程中悬浮力的控制进行详细说明。
(1)首先第一避障臂10越障时，第一避障臂10张开，第二避障臂11和第三避障臂12闭合，此时第一避障臂10中悬浮线圈4的电流IA1＝0，悬浮力FA1＝0，如图9所示，为保证机器人整体所受的悬浮力不变，并且不发生翻转，则应该满足其中，FB1为第二避障臂11提供的悬浮力，FC1为第三避障12臂提供的悬浮力，G为机器人的重力，a为第一避障臂10与第二避障臂11之间的距离，b为第二避障臂11与第三避障臂12之间的距离。根据安培力公式可知通电线圈所受安培力与所通电流成正比关系，线圈a、b中的电流与倾角θ之间的关系式为其中IB1为第二避障臂11中悬浮线圈4内流通的电流，IC1为第三避障臂12中的悬浮线圈4内流通电流。
(2)当第一避障臂10越过障碍物后，第一避障臂10再次闭合，第二避障臂11开始越障时，第二避障臂11张开，第三避障臂12闭合，此时第二避障臂11中悬浮线圈4的电流IB2＝0，悬浮力FB2＝0，如图10所示，为保证机器人整体所受的悬浮力不变，并且不发生翻转，则应该满足其中，FA2为第一避障臂10提供的悬浮力，FC2为第三避障臂12提供的悬浮力，线圈a、b中的电流与倾角θ之间的关系式为其中IA2为第一避障臂10中悬浮线圈4内流通的电流，IC2为第三避障臂12中的悬浮线圈4内流通的电流。
(3)当第二避障臂11越过障碍物后，第二避障臂11再次闭合，第三避障臂12开始越障时，第三避障臂12张开，第一避障臂10闭合，此时第三避障臂12中悬浮线圈4的电流IC3＝0，悬浮力FC3＝0，如图11所示，为保证机器人整体所受的悬浮力不变，并且不发生翻转，则应该满足其中，FA3为第一避障臂10提供的悬浮力，FB3为第二避障臂11提供的悬浮力，线圈a、b中的电流与倾角θ之间的关系式为其中IA3为第一避障臂10中悬浮线圈4内流通的电流，IB3为第二避障臂11中的悬浮线圈内流通的电流。
当第三避障臂12越过障碍后会再次闭合，此时机器人完成越障动作，三个避障臂均处于闭合状态。
Claims (8)
1.一种高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，其特征在于，包括：
电流传感器，用于检测避障臂内悬浮线圈电流大小；
倾角传感器，用于检测机器人相对水平面的倾斜角度；
加速度传感器，用于检测机器人在垂直高压输电线切线方向的加速度；
测距传感器，用于检测位于避障臂的线缆保护套内的高压输电线与保护套中心轴线之间的距离；
控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器、加速度传感器和距离检测传感器的检测，控制所述悬浮线圈电流的大小，使机器人在高压输电线上处于平稳悬浮状态。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，其特征在于，所述机器人处于悬浮状态时，所述控制器将所述悬浮线圈的电流调整为：
式(1)，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边和无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，其特征在于，所述机器人具有三个避障臂，按前进方向依次为第一避障臂、第二避障臂和第三避障臂。
4.根据权利要求3所述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制系统，其特征在于，
第一避障臂越障时，第一避障臂中悬浮线圈的电流IA1＝0，悬浮力FA1＝0，所述控制器将第二避障臂中悬浮线圈电流IB1和第三避障臂IC1中悬浮线圈电流调整为：
第二避障臂越障时，第二避障臂中悬浮线圈的电流IB2＝0，悬浮力FB2＝0，所述控制器将第一避障臂中悬浮线圈电流IA2和第三避障臂中悬浮线圈电流IC2调整为
第三避障臂越障时，第三避障臂中悬浮线圈的电流IC3＝0，悬浮力FC3＝0，所述控制器将第一避障臂中悬浮线圈电流IA3和第三避障臂中悬浮线圈电流IB3调整为
式(2)～(6)中，G为机器人的重力，a为第一避障臂与第二避障臂之间的距离，b为第二避障臂与第三避障臂之间的距离，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边和无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
5.一种高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
倾角传感器检测机器人相对水平面的倾斜角度，电流传感器检测避障臂内悬浮线圈电流大小，基于所述倾角传感器和电流传感器的检测将悬浮线圈的电流调整到使机器人在高压输电线上处于悬浮状态时所需的电流值；
测距传感器检测位于避障臂的线缆保护套内的高压输电线与保护套中心轴线之间的距离，基于所述测距传感器的检测调整悬浮线圈的电流使高压输电线位于保护套中心轴线上；
加速度传感器检测机器人在垂直高压输电线方向的加速度，基于所述加速度传感器的检测调整悬浮线圈的电流，使机器人在垂直输电线方向上的加速度值为零，处于平稳的悬浮状态。
6.根据权利要求5所述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，其特征在于，所述机器人处于悬浮状态时，所述悬浮线圈的电流为：
式(7)，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边和无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
7.根据权利要求5所述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，其特征在于，所述机器人具有三个避障臂，按前进方向依次为第一避障臂、第二避障臂和第三避障臂。
8.根据权利要求7所述的高压直流输电线磁力机器人悬浮力控制方法，其特征在于，
第一避障臂越障时，第一避障臂中悬浮线圈的电流IA1＝0，悬浮力FA1＝0，将第二避障臂中悬浮线圈电流IB1和第三避障臂IC1中悬浮线圈电流调整为：
第二避障臂越障时，第二避障臂中悬浮线圈的电流IB2＝0，悬浮力FB2＝0，将第一避障臂中悬浮线圈电流IA2和第三避障臂中悬浮线圈电流IC2调整为
第三避障臂越障时，第三避障臂中悬浮线圈的电流IC3＝0，悬浮力FC3＝0，将第一避障臂中悬浮线圈电流IA3和第三避障臂中悬浮线圈电流IB3调整为
式(8)～(12)中，G为机器人的重力，a为第一避障臂与第二避障臂之间的距离，b为第二避障臂与第三避障臂之间的距离，B1为悬浮线圈有效长边处的磁场强度，B2为悬浮线圈无效长边处的磁场强度，L1为悬浮线圈有效长边或无效长边的长度，G为机器人的重力，θ为机器人相对水平面的倾斜角度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |