CN110977973A - 架空输电线路巡检机器人自主越障装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空输电线路巡检机器人自主越障装置，包括用于检测机器人障碍信息的全局环境识别与定位传感器、局部障碍检测与定位传感器，用于检测机器人姿态信息的机器人姿态检测传感器，信息融合处理器接收机器人障碍信息及机器人姿态信息，经过处理将指令传输给越障控制处理器，越障控制处理器控制执行单元从而控制机器人实现相关动作。本发明采用多种传感器进行信息采集，并进行分布式的局部融合，综合全局环境识别与定位信息、局部障碍检测与定位信息、机器人姿态信息，能够实现机器人越障环境的精确识别及精准越障。

Description

架空输电线路巡检机器人自主越障装置

技术领域

本发明涉及一种自主越障装置，尤其涉及一种架空输电线路巡检机器人自主越障装置。

背景技术

随着社会经济的发展，对配电网供电可靠性要求越来越高，因此保障输电线路的安全运营至关重要。由于输电线路处在高空、线路环境复杂、线路障碍物类型多样，因而造成机器人障碍识别困难，无法实现自主越障功能，限制了巡检机器人的市场化应用。

本申请人公开了一篇公开号为CN108972563的专利，提出了一种基于多传感器的巡检机器人自主越障装置，该自主越障装置一方面仅能进行防震锤、垂线夹、手部开合检测，可检测的障碍种类有限，不能更好的应对多种障碍类型；另一方面信息融合处理器直接根据检测的障碍信息控制执行单元实现相应的越障动作，虽然操作简单，能大幅提高巡检效率，但是信息融合处理器不能实时获知机器人的姿态信息，不能更好的指引机器人执行相应的动作。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够进行全局环境识别及定位、局部障碍检测及定位，并且根据获知的机器人实时姿态信息实现精准识别及精准越障的架空输电线路巡检机器人自主越障装置。

技术方案：本发明的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，包括用于检测机器人障碍信息的全局环境识别与定位传感器、局部障碍检测与定位传感器，用于检测机器人姿态信息的机器人姿态检测传感器，信息融合处理器接收机器人障碍信息及机器人姿态信息，经过处理将指令传输给越障控制处理器，越障控制处理器控制执行单元从而控制机器人实现相关动作。

优选地，所述全局环境识别与定位传感器包括GPS传感器和倾角传感器，所述GPS传感器用于获取机器人地理坐标信息，结合数据库中GIS信息，判断机器人所处档段；所述倾角传感器用于检测机器人所处线路档段位置。

优选地，所述局部障碍检测与定位传感器包括微型激光雷达、红外漫反射式传感器、红外对射式传感器、超声波传感器、碰撞传感器、视觉摄像头和图像处理器；所述微型激光雷达用于检测巡检线路中线上障碍物检测；所述红外漫反射式传感器、超声波传感器用于越障过程中检测悬垂线夹、充电接头；所述红外对射式传感器用于检测防震锤和机器人手臂脱线位置；所述碰撞传感器用于检测无法通过的障碍物等意外碰撞检测；所述视觉摄像头用于采集巡检过程中机器人线路障碍图像，由图像处理器分析出障碍物类型。

优选地，所述机器人障碍信息中障碍类型包括防震锤、悬垂线夹、充电基站、耐张塔及终端塔。

优选地，所述机器人姿态检测传感器包括用于检测机器人手臂伸缩及开合状态的限位传感器、用于检测机器人速度的编码器、用于检测机器人倾斜角度的倾角传感器、用于检测机器人挂线状态力传感器。

优选地，所述执行单元包括行走电机驱动器和其驱动的行走电机、H桥电机正反转驱动电路及其驱动的直流电机。

优选地，所述直流电机包括手臂开合电机、手臂伸缩电机、中臂滑移电机。

优选地，所述信息融合处理器为嵌入式工控机。

优选地，所述越障控制处理器均为STM32微处理器。

优选地，所述信息融合处理器和越障控制处理器通讯方式为串口通讯。

有益效果：本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、采用多种传感器进行信息采集，并进行分布式的局部融合，综合全局环境识别与定位信息、局部障碍检测与定位信息、机器人姿态信息，实现机器人越障环境的精确识别及精准越障。2、可以实时获得机器人的手臂的伸缩状态、手臂的开合状态、行驶速度、机器人俯仰角和翻滚角、夹持机构的夹持力等各种姿态信息，便于机器人执行相关的越障动作。3、能够对应多种不同的障碍类型，执行不同的越障策略，更好地实现机器人自主越障。

附图说明

图1为本发明的装置电路连接图；

图2为本发明的机器人自主巡检流程图；

图3为本发明的机器人跨越悬垂线夹流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的架空输电线路巡检机器人具有控制装置，控制装置顶部设有三只行走臂，从正向行走方向来看，左边为前臂，右边为后臂，中部为中臂；前、后手臂为驱动臂，前、后驱动臂结构相同；前、后行走臂顶部设有行走机构，行走机构下方连接手掌开合机构和手臂伸缩机构；中臂可实现垂直伸缩动作，并利用中臂夹持机构实现手臂夹持，利用中臂滑移机构实现手臂滑移。机器人具有上述机械结构，并通过控制装置实现越障过程。

如图1所示，本发明的控制装置包括信息融合处理器及越障控制处理器，两者均为STM32微处理器，通讯方式均为串口通讯；信息融合处理器为嵌入式工控机；本发明还包括全局环境识别与定位传感器、局部障碍检测与定位传感器、机器人姿态检测传感器，上述各传感器设置于机器人不同位置处用于检测相应的信息。信息融合处理器接收上述各传感器检测到的信息用于识别障碍位置、判断障碍物类型，并根据机器人姿态信息，判断当前动作是否执行完成，向越障控制处理器发出指令，越障控制处理器通过控制I/O口高低电平来控制执行单元动作，从而控制机器人实现相关越障动作。

其中，全局环境识别与定位传感器包括GPS传感器和倾角传感器，GPS传感器用于获取机器人地理坐标信息，结合数据库中GIS信息，判断机器人所处档段；倾角传感器用于检测机器人所处线路档段位置及机器人倾斜角度。

其中，局部障碍检测与定位传感器包括微型激光雷达、红外漫反射式传感器、红外对射式传感器、超声波传感器、碰撞传感器、视觉摄像头和图像处理器；微型激光雷达用于检测巡检线路中线上障碍物检测；红外漫反射式传感器、超声波传感器用于越障过程中检测悬垂线夹、充电接头；红外对射式传感器用于检测防震锤和机器人手臂脱线位置；碰撞传感器用于检测无法通过的障碍物等意外碰撞检测；视觉摄像头用于采集巡检过程中机器人线路障碍图像，由图像处理器判断障碍物类型。

机器人姿态检测传感器包括用于检测机器人手臂伸缩及开合状态的限位传感器、用于检测机器人速度的编码器、用于检测机器人挂线状态力传感器。机器人越障过程中会经历一系列的姿态变化，机器人的各姿态通过限位传感器、编码器、倾角传感器和力传感器反馈回信息至信息融合处理器，融合处理器根据反馈回的姿态信息，判断当前动作是否执行完成；由于每一个姿态都有对应的传感器信号序列，姿态不同，传感器信号序列也不同，融合处理器将接收到的姿态信息的信号编码与各姿态完成后的信号编码比对，若一致，则说明前一动作已完成，即条件满足可执行下一越障动作，从而可形成机器人越障的闭环控制；若不一致，则继续等待，如果等待超时依然未达到目的姿态，则报错。

高压输电线路上安装有防震锤、悬垂线夹、充电基站、耐张塔及终端塔等，这些金具对于机器人本体来讲均为行走障碍。本实施例的执行单元包括三台驱动器及其驱动的三台直流行走电机；还包括H桥电机正反转驱动电路及其驱动的七台直流电机，七台直流电机中包括三台手臂开合电机、三台手臂伸缩电机、一台中臂滑移电机。

机器人控制装置两侧前后行走臂顶端设置有微型激光雷达，检测地线上方障碍物；前后行走臂侧边设置有视觉摄像头，可查看前方线路实时状况；前后行走臂的行走轮正上方设置有超声波传感器，可检测前进方向障碍；前后行走臂顶端两侧及空档底端两侧分别各设置有一个红外漫反射式传感器，均用于前行方向障碍检测；当机器人距离线上障碍物40cm时，如障碍在行走轮正前方，会触发超声波传感器，如障碍物发生偏斜，将触发前后行走臂顶端两侧的红外漫反射式传感器；前后行走臂空档中部设置有红外对射式传感器，检测穿入空档的障碍物；空档底部设置有碰撞传感器，检测底部碰撞情况；如障碍物在线的下方将触发红外对射式传感器，如障碍物发生偏斜，将触发前后行走臂空档底端两侧红外漫反射式传感器或碰撞传感器。在机器人前后臂及中臂上的限位处设置有限位传感器，电机尾部设置有编码器，在中臂夹持位置和前后臂与控制装置连接位置设置有力传感器，GPS传感器、倾角传感器设置于控制装置内部，倾角传感器不仅可以检测机器人所处线路档段位置，还可以检测机器人倾斜角度。各传感器的位置及数量可根据具体需要进行调整。

机器人前行过程中，视觉摄像头实时捕捉当前线路图像传输至图像处理器，图像处理器分析当前障碍物类型及距离，微型激光雷达对机器人行驶方向实时监测，视觉摄像头及图像处理器将监测数据传输至信息融合处理中心。GPS传感器及倾角传感器获取机器人当前坐标位置及倾斜角度，其中GPS精度为±2m，并实时传输至信息融合处理中心与线路GIS信息对比，依据对比与障碍物相距5m时，越障控制处理器向行走电机驱动器下发指令，将行驶速度降至正常巡检速度的1/2。

如图2所示，为机器人自主巡检流程图，开始巡检后，机器人高速行驶开始巡检，信息融合处理器判断前方障碍物类型，依据不同障碍物类型以及当前机器人姿态信息，执行相应的越障动作程序，由越障控制处理器执行相应的动作，完成越障程序后，机器人继续高速行驶对输电线路进行巡检，当巡检到终端塔或在障碍检测出现故障时，机器人结束巡检工作，等待下一任务。

机器人穿越防震锤动作流程：机器人行驶过程中，如前行走臂红外对射式传感器被遮挡，则认为当前障碍物为防震锤，并将防震锤障碍信息传输至信息融合处理器；信息融合处理器处理后控制执行单元，将速度进一步降低，并根据反馈的姿态信息，若上一动作已完成，则机器人利用手臂空挡开始穿越防震锤。

如图3所示，为机器人跨越悬垂线夹流程图，如前行走臂超声波传感器及红外漫反射式传感器中至少有一个被遮挡，且红外对射式传感器未被遮挡时，则认为当前障碍物为悬垂线夹，并将悬垂线夹障碍信息传输至信息融合处理器；信息融合处理器根据姿态传感器检测的信息首先判断机器人是否满足越障执行的条件，如满足条件，机器人停止，进行中臂前移；机器人中臂前移至导轨前限位时，执行中臂抓线；机器人完成中臂抓线后，开始前臂脱线；前臂完成脱线后，打开行走轮刹车并开始中臂后移；当机器人中臂后移至导轨后限位时，机器人执行前臂挂线，从而机器人前臂完成跨越。前臂完成跨越后机器人关闭刹车，执行中臂脱线；机器人完成中臂脱线后，继续前行，直至后臂遇障机器人停止；之后机器人中臂前移抓线，后臂脱线，刹车打开后中臂后移；机器人中臂后移至导轨后限位时，执行后臂挂线，关闭刹车，执行中臂脱线；至此机器人完成跨越悬垂线夹，返回成功。

机器人充电对接动作流程：如红外对射式传感器被遮挡则认为当前障碍物为充电基站，首先判断机器人是否满足需要充电，如不需要充电，机器人依照跨越悬垂线夹的流程跨越充电座；如需要充电，并根据反馈的姿态信息，若上一动作已完成，则进行中臂前移；机器人中臂前移至导轨前限位时，执行中臂抓线；机器人完成中臂抓线后，开始前臂脱线；前臂完成脱线后，打开行走轮刹车并开始中臂后移；当机器人中臂后移至导轨后限位时，机器人执行前臂挂线，从而使机器人前臂完成跨越；前臂完成跨越后机器人关闭刹车，执行中臂脱线；机器人完成中臂脱线后，继续前行，直至后臂遇障机器人停止；之后机器人中臂后移至导轨后限位时，机器人中臂上升，进行充电对接，当中臂对接限位被触动后，表明机器人充电对接成功，开始机器人充电；当机器人电量充满后进行中臂收缩，之后机器人中臂前移抓线，后臂脱线，刹车打开后中臂后移；机器人中臂后移至导轨后限位时，执行后臂挂线，关闭刹车，执行中臂脱线；至此机器人完成充电动作，返回成功。

机器人穿越耐张塔动作流程：机器人前臂红外对射式传感器检测到桥衔接板进入手臂空档后，机器人将速度进一步降低，并根据反馈的姿态信息，若上一动作已完成，机器人开始穿越入桥，当后臂红外对射式传感器检测到衔接板进入手臂空档后，表明机器人已传入桥中；中臂上升抓桥，然后前后臂同时脱线后，前后臂再挂入桥中，从而完成机器人上桥动作；机器人中臂脱线后，机器人依靠前后臂沿桥行走，当前臂超声波传感器检测到桥尾衔接板后，机器人停止，之后机器人中臂再次抓桥，之后前后臂脱线，并重新挂到线上，机器人中臂松脱，从而完成机器人下桥动作，实现机器人穿越耐张塔。

当检测到前方为终端塔时，机器人停止前进，并发出巡检结束提示。

如机器人通过传感器无法识别出当前障碍类型，或无法触发机器人前臂的碰撞传感器，则机器人无法进行越障，则向信息融合中心报警，越障控制处理器控制机器人停止动作。

Claims (10)

1.一种架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，包括用于检测机器人障碍信息的全局环境识别与定位传感器、局部障碍检测与定位传感器，用于检测机器人姿态信息的机器人姿态检测传感器，信息融合处理器接收机器人障碍信息及机器人姿态信息，经过处理将指令传输给越障控制处理器，越障控制处理器控制执行单元从而控制机器人实现相关动作。

2.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述全局环境识别与定位传感器包括GPS传感器和倾角传感器，所述GPS传感器用于获取机器人地理坐标信息，结合数据库中GIS信息，判断机器人所处档段；所述倾角传感器用于检测机器人所处线路档段位置及机器人倾斜角度。

3.根据权利要求1所述的多传感器组合的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述局部障碍检测与定位传感器包括微型激光雷达、红外漫反射式传感器、红外对射式传感器、超声波传感器、碰撞传感器、视觉摄像头和图像处理器；所述微型激光雷达用于检测巡检线路中线上障碍物检测；所述红外漫反射式传感器、超声波传感器用于越障过程中检测悬垂线夹、充电接头；所述红外对射式传感器用于检测防震锤和机器人手臂脱线位置；所述碰撞传感器用于检测无法通过的障碍物等意外碰撞检测；所述视觉摄像头用于采集巡检过程中机器人线路障碍图像，由图像处理器判断障碍物类型。

4.根据权利要求1所述的多传感器组合的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述机器人障碍信息中障碍类型包括防震锤、悬垂线夹、充电基站、耐张塔及终端塔。

5.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述机器人姿态检测传感器包括用于检测机器人手臂伸缩及开合状态的限位传感器、用于检测机器人速度的编码器、用于检测机器人挂线状态力传感器。

6.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述执行单元包括行走电机驱动器和其驱动的行走电机、H桥电机正反转驱动电路及其驱动的直流电机。

7.根据权利要求6所述的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述直流电机包括手臂开合电机、手臂伸缩电机、中臂滑移电机。

8.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述信息融合处理器为嵌入式工控机。

9.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述越障控制处理器均为STM32微处理器。

10.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人自主越障装置，其特征在于，所述信息融合处理器和越障控制处理器通讯方式为串口通讯。

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