CN110718903B - 一种巡线机器人动力源补给系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种巡线机器人动力源补给系统，包括液体燃料电池与蓄电池混合动力系统，控制系统和巡线机器人高空补加液体燃料装置。本申请的巡线机器人动力源补给系统所采用的动力源是液体燃料电池与蓄电池相结合的混合动力，以液体燃料电池作为主动力，蓄电池作为辅助动力，通过控制系统保证当巡线机器人当燃料耗尽时，能够到达燃料补给站，补给液体燃料。并且机器人无需从线路取下来便可以进行高空补加燃料。

Description

一种巡线机器人动力源补给系统
技术领域
本申请涉及巡线机器人技术领域，特别涉及一种巡线机器人动力补给系统。
背景技术
动力源是控制巡线机器人在输电线路上移动和作业的关键。传统的巡线机器人在动力源方面主要是依靠蓄电池，目前普遍采用的蓄电池体积重量大、功率密度低、充电时间长、使用寿命短等缺点极大地限制了巡线机器人在输电线路上移动和作业。
发明内容
本申请的目的在于提供一种巡线机器人动力补给系统，以解决采用具有体积重量大、功率密度低、充电时间长、使用寿命短等缺点蓄电池限制巡线机器人在输电线路上移动和作业的问题。
根据本申请的实施例，提供了一种巡线机器人动力源补给系统，包括液体燃料电池与蓄电池混合动力系统，控制系统和巡线机器人高空补加液体燃料装置。
进一步地，所述液体燃料电池与蓄电池混合动力系统包括液体燃料电池，蓄电池，DC/DC变换器和微程序控制器；
所述液体燃料电池，所述蓄电池和所述DC/DC变换器分别与所述微程序控制器连接；
所述液体燃料电池和所述蓄电池分别与所述DC/DC变换器连接。
进一步地，所述控制系统包括主控制器，所述主控制器包括PID控制器。
进一步地，所述PID控制器包括：
获取单元，用于获取巡线机器人到基站的距离，巡线机器人的速度，巡线机器人的燃料消耗量和巡线机器人的内部电能，所述内部电能包括液体燃料的电能和蓄电池的电能；
计算单元，用于根据所述距离，所述速度和所述燃料消耗量计算到达基站所需要的燃料；
控制单元，用于如果所述液体燃料的电能大于所述到达基站所需要的燃料，所述内部电能与所述到达基站所需要的燃料的差值大于临界值，增大燃料消耗，控制微控制器将多余的电储存到蓄电池中；
如果所述液体燃料的电能等于所述到达基站所需要的燃料，所述内部电能与所述到达基站所需要的燃料的差值等于预设值，减小燃料消耗，停止给蓄电池充电，所有能源只用于机器人运动。
进一步地，所述巡线机器人高空补加液体燃料装置包括加液体燃料软管，液体燃料储存室，储管室和软管输送机构；
所述液体燃料储存室和所述储管室相邻；
所述液体燃料软管与所述液体燃料储存室连通；
所述液体燃料软管与所述软管输送机构设于所述储管室中。
进一步地，所述软管输送机构包括两个胶皮圆柱滚子，联轴器，伺服电机，滑轨和滑槽；
所述胶皮圆柱滚子与所述伺服电机通过所述联轴器连接，所述联轴器设于所述滑槽内，所述伺服电机与所述滑轨滑动连接，所述加液体燃料软管设于两个胶皮圆柱滚子之间。
进一步地，所述液体燃料储存室的内壁上设有液体燃料指示计。
由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种巡线机器人动力源补给系统，包括液体燃料电池与蓄电池混合动力系统，控制系统和巡线机器人高空补加液体燃料装置。本申请的巡线机器人动力源补给系统所采用的动力源是液体燃料电池与蓄电池相结合的混合动力，以液体燃料电池作为主动力，蓄电池作为辅助动力，通过控制系统保证当巡线机器人当燃料耗尽时，能够到达燃料补给站，补给液体燃料。并且机器人无需从线路取下来便可以进行高空补加燃料。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本申请实施例示出一种液体燃料电池与蓄电池混合动力系统的结构示意图；
图2为根据本申请实施例示出PID控制流程图；
图3为根据本申请实施例示出测距原理图；
图4为根据本申请实施例示出一种PID控制器的结构示意图；
图5为根据本申请实施例示出一种巡线机器人高空补加液体燃料装置的结构示意图；
图6为根据本申请实施例示出一种软管输送机构的结构示意图。
图示说明：
其中，11-液体燃料电池，12-蓄电池，13-DC/DC变换器，14-微程序控制器，21-获取单元，22-计算单元，23-控制单元，31-加液体燃料软管，32-液体燃料储存室，321-液体燃料指示计，322-进液口，33-储管室，34-软管输送机构，341-胶皮圆柱滚子，342-联轴器，343-伺服电机，344-滑轨，345-滑槽。
具体实施方式
动力源是控制巡线机器人在输电线路上移动和作业的关键。传统的巡线机器人在动力源方面主要是依靠蓄电池，无论用的是哪种蓄电池，它们所储存的电能终归是有限制的。当电能耗光之后机器人必须要从线路上取下来充完电后才能继续作业。
基于上述问题，本申请实施例提供一种巡线机器人动力源补给系统，包括液体燃料电池与蓄电池混合动力系统，控制系统和巡线机器人高空补加液体燃料装置。
液体燃料电池具有功率密度大、比能量高、无污染等优点，具有无需对接电源的漫长充电过程等特点，可以有效解决巡线机器人所面临的能源供给方面的问题，为自主机器人动力系统提供一个良好的供电方案,解决自主机器人当前的动力源问题，因此液体燃料电池在巡线机器人领域具有广阔的应用前景。
基站定位的大致原理为：巡线机器人端测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA(Time of Arrival)，到达时刻或TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)，根据该测量结果并结合基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出巡线机器人的位置。实际的位置估计算法需要考虑多基站(3个或3个以上)定位的情况，因此算法要复杂很多。一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明显，通过准确的位置可以间接计算出到达基站所需要液体燃料的量，对机器人进行优化控制，保证机器人可以运动到基站顺利补给。
空中加液体燃料技术是，在地面对输电线路的机器人加液体燃料，液体燃料是有机物，因为有机物是不导电，即使液体燃料泄漏也不会产生安全事故，同时机器人无需下导线可以直接在导线上补给完成之后继续作业。
本申请的巡线机器人动力源补给系统及装置所采用的动力源是液体燃料电池与蓄电池相结合的混合动力，以液体燃料电池作为主动力，蓄电池作为辅助动力，通过控制系统保证当巡线机器人当燃料耗尽时，能够到达燃料补给站，补给液体燃料。并且机器人无需从线路取下来便可以进行高空补加燃料。
进一步地，参阅图1，所述液体燃料电池与蓄电池混合动力系统包括液体燃料电池11，蓄电池12，DC/DC变换器13和微程序控制器14；
所述液体燃料电池11，所述蓄电池12和所述DC/DC变换器13分别与所述微程序控制器14连接；
所述液体燃料电池11和所述蓄电池12分别与所述DC/DC变换器13连接。
本申请中，液体燃料电池做为主动力，为巡线机器人提供移动的同时，通过微程序控制器14将一部分电能储存到蓄电池12中去，作为辅助动力源。
在此动力系统中，液体燃料电池11作为主要动力源，由于液体燃料电池11本身适合长时间平稳供电，负载功率变化过大或者过快都会导致液体燃料电池11性能降低，因此需要通过DC/DC变换器13，将其电压转换成稳定、可控的直流电压，避免液体燃料电池11频繁的大范围变功率输出，由此提高液体燃料电池11的寿命。通过DC/DC变换器13为巡线机器人运动提供电能，带动负载运动。与此同时，多余的电能由微程序控制器14控制，将电能储存在蓄电池12中去，作为机器人辅助动力源。一部分蓄电池12的电用作机器人控制机械手作业、越障和控制电路。另一部分蓄电池12的电，当液体燃料耗尽时，巡线机器人可以将蓄电池的电作为动力源，运动到液体燃料供给站，补充液体燃料。
在此动力系统中，液体燃料电池11作为主要的能量供给单元向负载提供能量采用功率限制环节保证燃料电池的输出功率在允许的范围内以防止燃料电池进入欧姆极化区以外的工作区域，与液体燃料电池11串联的DC/DC变换器13执行能量控制策略，在将母线电压维持在设定值的前提下将燃料电池的输出电流调节为期望电流。
蓄电池12进行充电时采用恒流充电方式，相对于充电过程来说，蓄电池12的放电过程对蓄电池12的影响较小，故蓄电池12采用自然放电。蓄电池12工作在放电模式时，当监测到的蓄电池12soc减小到设定极限最小值或放电电流超过额定值时，立即停止放电。同时，为延长蓄电池12的使用寿命在混合驱动系统运行的过程中将蓄电池12的荷电状态维持SOC取值在0-1之间，根据实际情况确定。
进一步地，所述控制系统包括主控制器，所述主控制器包括PID控制器。
PID(proportion integration differentiation)其实就是指比例，积分，微分控制。如图2所示，PID控制法应用于机器人位置判断中。机器人距离基站误差为e(k)，控制器输出的燃料消耗值为u(k)，距离则可建立如下控制律：
式中，K为实验系数，e(k)为误差系数，kP，kI，kD分别为比例、积分、微分的三个系数矩阵，一般取对角阵。PID控制中，比例、积分、微分既可以单独使用，也可以PI、PD、PID结合使用。控制系统中的误差可以在工作空间、关节空间或距离特征空间表示，而机器人的控制输入为在输电线路上位置或速度动(即位置增量)指令。对于基于信号传递时间与空间系统，误差信号是在距离时间和空间表示的。
机器人通过在液体燃料供应地附近的基站，判断到最近基站的位置，通过PID算法，不断精确到达燃料供应点所需要消耗的液体燃料。
PID算法包括模糊PID算法、滑模结构PID算法和神经网络PID算法。
进一步地，参阅图4，所述PID控制器包括：
获取单元21，用于获取巡线机器人到基站的距离S，巡线机器人的速度v，巡线机器人的燃料消耗量P和巡线机器人的内部电能Q1，所述内部电能Q1包括液体燃料的电能Q燃和蓄电池的电能Q蓄；Q1＝Q燃+Q蓄；
基站的个数是由补给站数量决定的，每一个补给站处都有一个基站。燃料补给站的到机器人的距离存在于导频矩阵的列向量频率或行向量频率中，机器人通过向液体燃料供应地附近的基站传输导频信号，判断到最近基站的位置。假设矩阵列向量物理意义为JL的符号，故用一个JL符号通过导频的频谱搜索，频谱的最大值处即为目标距离所在位置，进而获得距离。测距原理如图3所示。
计算单元22，用于根据所述距离S，所述速度v和所述燃料消耗量P计算到达基站所需要的燃料Q2；
已知距离S和机器人速度v，根据S＝vt，得到到达基站的时间t，t为燃料补给站所需要的时间。
假设机器人燃料消耗量是P L/h，到达燃料补给站所需要的燃料为Q2＝Pt；
控制单元23，用于如果所述液体燃料的电能大于所述到达基站所需要的燃料，即Q燃>Q2，机器人到达补给站燃料是充足的，所述内部电能与所述到达基站所需要的燃料的差值大于临界值，即Q1-Q2＝e′(k)比较大时，增大燃料消耗，控制微控制器将多余的电储存到蓄电池中；
如果所述液体燃料的电能等于所述到达基站所需要的燃料，即Q燃＝Q2时，此时的状态为临界整定状态。所述内部电能与所述到达基站所需要的燃料的差值等于临界值，即Q1-Q2＝e′(k)等于一个临界值，减小燃料消耗，停止给蓄电池充电，并控制伺服电机停止除运动外的一切作业，所有能源只用于机器人运动。
尽管当Q燃<Q2且Q1>Q2时通过能量计算机器人也可以运动到燃料补给站，但是为了保险起见，受PID调节这种情况是不会出现的。
伺服电机和微程序控制器受主控制器控制，PID控制器是主控制器的一部分，也可以对伺服电机和微程序控制器进行控制。
进一步地，参阅图5，所述巡线机器人高空补加液体燃料装置包括加液体燃料软管31，液体燃料储存室32，储管室33和软管输送机构34；
所述液体燃料储存室32和所述储管室33相邻；
所述液体燃料软管31与所述液体燃料储存室32连通；
其中，加液体燃料软管31与液体燃料储存室32通过进液口322相连。
所述液体燃料软管31与所述软管输送机构34设于所述储管室33中。
加液体燃料软管31除了头部其余都是在储管室33里面的。当机器人到达液体燃料补给站上方，机器人会控制舵机旋转，控制软管输送机构34将加液体燃料软管31输送到液体燃料供给接口，利用油泵装置向液体燃料储存室32输送液体燃料，液体燃料填充完成后，控制软管输送机构34将加液体燃料软管31收回至储管室33。
进一步地，参阅图6，所述软管输送机构34包括两个胶皮圆柱滚子341，联轴器342，伺服电机343，滑轨344和滑槽345；
所述胶皮圆柱滚子341与所述伺服电机343通过所述联轴器342连接，所述联轴器342设于所述滑槽345内，所述伺服电机343与所述滑轨344滑动连接，所述加液体燃料软管31设于两个胶皮圆柱滚子341之间。伺服电机343与主控制器连接。
伺服电机343上面有个可以在滑轨344上滑动的缺口，从而实现伺服电机343与滑轨344滑动连接。胶皮圆柱滚子341，联轴器342和伺服电机343可以在滑槽345上下滑动。
机器人到达液体燃料补给站上方，加液体燃料软管31除了头部其余都是在储管室33里面的，因为管子是软管，受到两个胶皮圆柱滚子341挤压，所以起始状态是扁平的。
控制伺服电机343带动两个胶皮圆柱滚子341顺时针旋转时，由于受摩擦力的作用，胶皮圆柱滚子341会夹带着扁平的加液体燃料软管31向外运动，一直将加液体燃料软管31输送到液体燃料供给接口，放管操作完成。
利用油泵装置向液体燃料储存室32输送液体燃料，随着液体燃料冲进管道，受到液体压力的作用，扁平的加液体燃料软管31会鼓起来，两个胶皮圆柱滚子341受到管道所给的支持力时会沿着滑槽345被顶起来。液体燃料填充到指定容量后，停止供给。
当液体燃料停止供给后，管道内的液体压强会慢慢消失，此时两个胶皮圆柱滚子341的重力会大于管道液体的支持力，两个胶皮圆柱滚子341会把加液体燃料软管31挤扁。
此时控制伺服电机343做逆时针旋转，同样利用摩擦力，两个胶皮圆柱滚子341便把放下去的加液体燃料软管31慢慢的收回来，收管结束，动力源补给完成。
进一步地，所述液体燃料储存室32的内壁上设有液体燃料指示计321。当液体燃料加到液体燃料指示计321时，会向地面发出信号，停止液体燃料的供给。液体燃料指示计321是一个液位传感器，当补充燃料的液面到达传感器的位置时，会传递给主控制器一个信号，控制伺服电机343转动将管道收回。
由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种巡线机器人动力源补给系统，包括液体燃料电池与蓄电池混合动力系统，控制系统和巡线机器人高空补加液体燃料装置。本申请的巡线机器人动力源补给系统所采用的动力源是液体燃料电池与蓄电池相结合的混合动力，以液体燃料电池作为主动力，蓄电池作为辅助动力，通过控制系统保证当巡线机器人当燃料耗尽时，能够到达燃料补给站，补给液体燃料。并且机器人无需从线路取下来便可以进行高空补加燃料。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种巡线机器人动力源补给系统，其特征在于，包括液体燃料电池与蓄电池混合动力系统，控制系统和巡线机器人高空补加液体燃料装置；
其中，所述巡线机器人高空补加液体燃料装置包括加液体燃料软管(31)，液体燃料储存室(32)，储管室(33)和软管输送机构(34)；
所述液体燃料储存室(32)和所述储管室(33)相邻；
所述加液体燃料软管(31)与所述液体燃料储存室(32)连通；
所述加液体燃料软管(31)与所述软管输送机构(34)设于所述储管室(33)中；
当巡线机器人到达液体燃料补给站上方时，所述巡线机器人控制所述软管输送机构(34)将所述加液体燃料软管(31)输送到所述液体燃料供给接口，通过油泵装置向所述液体燃料储存室(32)输送液体燃料，液体燃料填充完成后，所述巡线机器人控制软管输送机构(34)将所述加液体燃料软管(31)收回至所述储管室(33)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液体燃料电池与蓄电池混合动力系统包括液体燃料电池(11)，蓄电池(12)，DC/DC变换器(13)和微程序控制器(14)；
所述液体燃料电池(11)，所述蓄电池(12)和所述DC/DC变换器(13)分别与所述微程序控制器(14)连接；
所述液体燃料电池(11)和所述蓄电池(12)分别与所述DC/DC变换器(13)连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制系统包括主控制器，所述主控制器包括PID控制器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述PID控制器包括：
获取单元(21)，用于获取巡线机器人到基站的距离，巡线机器人的速度，巡线机器人的燃料消耗量和巡线机器人的内部电能，所述内部电能包括液体燃料的电能和蓄电池的电能；
计算单元(22)，用于根据所述距离，所述速度和所述燃料消耗量计算到达基站所需要的燃料；
控制单元(23)，用于如果所述液体燃料的电能大于所述到达基站所需要的燃料，所述内部电能与所述到达基站所需要的燃料的差值大于临界值，增大燃料消耗，控制微控制器将多余的电储存到蓄电池中；
如果所述液体燃料的电能等于所述到达基站所需要的燃料，所述内部电能与所述到达基站所需要的燃料的差值等于预设值，减小燃料消耗，停止给蓄电池充电，所有能源只用于机器人运动。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述软管输送机构(34)包括两个胶皮圆柱滚子(341)，联轴器(342)，伺服电机(343)，滑轨(344)和滑槽(345)；
所述胶皮圆柱滚子(341)与所述伺服电机(343)通过所述联轴器(342)连接，所述联轴器(342)设于所述滑槽(345)内，所述伺服电机(343)与所述滑轨(344)滑动连接，所述加液体燃料软管(31)设于两个胶皮圆柱滚子(341)之间。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液体燃料储存室(32)的内壁上设有液体燃料指示计(321)。
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