CN111564881A - 一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统充电检测技术，具体涉及一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置及控制方法，该装置包括移动模块、悬臂模块、控制模块、地面终端、测量模块、供电模块。移动模块能沿输电线缆行走，悬臂模块包含有充电插头和抓取关节，实现越障功能，充电插头与供电插座相连时可以给机器人充电，充电过程中测量模块对环境进行实时监测并将监测的数据传输给地面终端，当发现温度过高或者湿度过高不宜充电时，终端人员将立即停止充电操作，控制模块实现控制机器人的运动，测量模块将测量的数据信息传输给地面终端，供电模块实现给机器人充电的操作。该装置能有效地解决巡检机器人自身能够携带的动力能源有限的问题，提高巡检机器人的巡检效率。

Description

一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置及控制方法

技术领域

本发明属于电力系统充电检测技术领域，尤其涉及一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置及控制方法。

背景技术

目前，建设智能电网和增强供电可靠性已经上升为国家战略，机器人用于检测、监测电力设备状态，作为近几年发展起来的新兴项目，呈现出巨大的发展潜力和成长空间。建设智能电网已进入全面快速发展的新阶段。智能高压电网项目的推进虽然进行已久，目前，巡检机器人和高压巡检机器人的能源在线补给装置的研究依旧处于起步阶段，由于缺乏能源在线补给装置，高压输电线上的仪器和带电作业设备一般都采用电池供电。电池工作时间短，需要频繁更换，影响仪器和设备的工作效率，因而在线感应取电电源装置的开发就显得非常必要。机器人在这一邻域的运用将极大程度的为高空施工者的工作带来便捷，大大降低了高空作业的风险和成本，而由与巡检机器人自身能够携带的动力能源有限，高空巡检又是一项能量消耗大切作业持续时间长的工作，所以研制一种高压线智能巡检充电机器人及其巡检方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置及控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置，包括移动模块、悬臂模块、控制模块、地面终端、测量模块和供电模块；

移动模块包括两个轮组，每个轮组包括三个轮子和驱动电机，上方两个轮子固定在导轨上，下方轮子可沿导轨移动；上方两个轮子之间装有位置传感器，通过联轴器将轮子与电机链接起来；

悬臂模块包括机械臂、五个电机、充电插头、抓取关节、钣金连接件、展臂到位传感器、收臂到位传感器，通过联轴器将电机与机械臂连接起来，通过螺栓链接将钣金连接件连接到机箱上，机械臂的末端有抓取关节和充电插头；

控制模块包括机器人机箱、控制板、机器人电源、GPS传感器26、继电器23、整流桥22，机器人机箱与钣金连接件用螺栓链接进行固定，控制板、电源、GPS传感器、继电器和整流桥置于机器人机箱内，控制板控制机械臂和下方轮子的运动，并将GPS的位置信息通过5G无线传输给地面终端，机器人电源为各元器件供电，GPS传感器定位机器人的位置传输给控制器，控制器控制继电器的开合从而控制机器人电池是否充电，整流桥的正极与负极输出与机器人电池正极与负极相连接；

供电模块包括太阳能电池板、太阳传感器、超级电容组、铅酸蓄电池、旋转平台、稳压器、横塔机箱、控制器、充电接口、挡雨板，充电接口安装在横塔机箱的侧面，上方装有挡雨板，太阳能电池板安装在横塔机箱上方，初始位置面朝南方与水平面成一定角度，旋转平台安装在横塔机箱下方，太阳传感器安装在横塔机箱上面，超级电容组、铅酸蓄电池、稳压器、控制器安装于横塔机箱内部；

测量模块包括摄像头、激光测距仪，第一、第二电流传感器、第一、第二电压传感器、第一、第二温度传感器、第一、第二湿度传感器；摄像头固定在机器人机箱的上方，激光测距仪通过螺栓连接安装在机器人机箱的钣金连接件上，第一电流传感器、第一电压传感器、第一温度传感器、第一湿度传感器设置于机器人机箱内；第二电流传感器、第二电压传感器、第二温度传感器、第二湿度传感器设置于横塔机箱内。

一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置充电方法，包括以下步骤：

步骤1、选取最优充电横塔；当终端人员根据机器人机箱中的电流电压值检测出SOC值到5％-10％时，地面终端根据其GPS传感器实时获取机器人的位置信息，配合安装在控制器里的GIS软件计算出机器人与各横塔的距离，根据横塔机箱的电流电压值检测机箱电池的SOC值，判断是否能够满足机器人充电，如果可以，再根据横塔机箱内环境温度与湿度判断是否满足充电环境条件，从而选取最优充电横塔进行充电；

步骤2、机器人前往最优充电横塔充电行驶速度的控制；地面终端根据GPS所监测的位置信息，判断机器人与充电横塔的距离，当机器人距离横塔20～30米时，机器人行驶速度为1.0米/每秒～2.0米/每秒，当机器人距离横塔10～20米时，机器人行驶速度为0.5米/每秒～1.0米/每秒，当机器人距离横塔5～10米时，机器人行驶速度为0.2米/每秒～0.5米/每秒；

步骤3、机器人前往最优充电横塔充电过程中避障处理；机器人在距离障碍物为5～10米时开始减速，在距离障碍为0.3～0.5米时停下，摄像头在高压电缆上寻找最优抓取点并获取其二维坐标，通过激光测距仪测出最优抓取点距离，将所获取的信息传输给控制器，控制器分析计算出抓取点的三维坐标，分别规划出机械臂抓取关节的路径和轮组夹紧高压电缆的路径；完成路径规划后机械臂展开，机械臂末端旋转到抓取关节，机械臂抓取关节抓取最优抓取点，机器人移动模块下方轮子沿导轨松开，轮组离开高压电缆，控制器控制机器人轮组卡槽处在电缆的正上方，通过上方两个轮子中间的位置传感器进行监测，然后缓慢放下轮组，使机器人上方两个轮子卡槽压在高压电缆上，然后下方轮子沿导轨进行夹紧，抓取关节松开，机器人收缩机械臂，实现避障操作；

步骤4、完成机器人充电；当机器人距离充电接口为0.3～0.5米时，机器人停止，打开机械臂，机械臂末端旋转到充电插头，摄像头识取周围环境图片，并与供电插座的图片形状进行对比，识别到供电插座后，获取供电插座圆心的二维坐标位置信息，通过激光测距仪测量距离，控制器分析计算出抓取点的三维坐标，然后对机械臂充电插头圆心点进行最优路径规划，使机械臂充电插头与供电插座水平连接，完成连接后，机器人整流桥的正极与负极输出与机器人电池正极与负极相连接，使储能蓄电池给机器人电池供电；充电过程中测量模块实时监测横塔机箱与机器人机箱内的数据信息，并实时传输给地面终端，如果温度过高或者湿度过高终端将显示报警，终端人员立即停止充电操作，当检测到机器人电池SOC值到达100％值时，充电完成。

本发明的有益效果：本发明通过抓取关节能有效实现机器人越障功能，通过太阳能传感器监测太阳的实时位置，提高太阳能电池板对太阳能的利用率，安全稳定地对机器人进行供电，有效的解决巡检机器人自身能够携带的动力能源有限的问题，提高巡检机器人的巡检作业效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例充电机器人结构示意图；

图2为本发明一个实施例供电模块结构示意图；

图3为本发明一个实施例机器人轮组示意图；

图4为本发明一个实施例机械臂结构示意图；

图5为本发明一个实施例机器人速度控制示意图；

图6为本发明一个实施例供电插座标准图片示意图；

图7为本发明一个实施例太阳能供电流程图；

图8为本发明一个实施例机器人充电对接流程图；

图9为本发明一个实施例机器人越障流程图；

图10为本发明一个实施例供电接口与充电接口链接示意图；

其中，1-两个轮组、2-摄像头、3-机械臂、4-激光测距仪、5-电流传感器、6-电压传感器、7-温度传感器、8-湿度传感器、9-整流桥、10-继电器、11-控制板、12-电源、13-GPS传感器；14-铅酸蓄电池、15-超级电容组、16-太阳传感器、17-横塔机箱、18-太阳能电池板、19-旋转平台、20-供电插座、21-挡雨板、22-稳压器、23-控制器；24-导轨、25-位置传感器；26-钣金连接件、27-充电插头、28-抓取关节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置，包括移动模块、悬臂模块、控制模块、地面终端、测量模块、供电模块。移动模块能沿输电线缆行走，悬臂模块包含有充电插头和抓取关节，遇到障碍时抓取关节可以实现越障功能，充电插头与供电插座相连时可以给机器人进行充电，充电过程中测量模块对环境进行实时监测并将监测的数据传输给地面终端，如果发现温度过高或者湿度过高不宜充电时，终端人员将立即停止充电操作，控制模块实现控制机器人的运动，测量模块有激光测距仪、电流传感器、电压传感器、温度传感器、湿度传感器。将测量的电压、电流、温度、湿度数据信息传输给地面终端，终端人员根据电流电压检测出电池的SOC值，判断横塔机箱电池是否可以充满机器人，然后根据机箱里面的温度与湿度判断是否可以进行充电操作，供电模块实现稳定的给机器人进行充电的操作，充电过程中测量模块实时监测横塔机箱与机器人机箱里面的数据信息，实时传输给地面终端，如果温度过高或者湿度过高终端将显示报警，终端人员立即停止充电操作。

移动模块包括两个轮组1，如图3所示，每个轮组包括三个轮子和驱动电机，轮组上方两个轮子是固定在导轨上，下方轮子可以沿导轨24进行移动，实现压紧电缆和松开电缆，上方两个轮子之间装有位置传感器25，在越障过程中检测电缆是否处在轮组卡槽中间，通过联轴器将轮子和电机链接起来，电机接受控制器的脉冲信号后控制轮子运动到指定位置。使机器人能沿输电缆行走，

图4所示，悬臂模块包括机械臂3、五个电机、充电插头27、抓取关节28、钣金连接件26、展臂到位传感器、收臂到位传感器，机器人在前进过程在机械臂收缩成一个长方体，增强前进时机器人使的稳定性，通过联轴器链接将电机与机械臂连接起来，通过螺栓链接将钣金件连接到机箱上，机械臂的末端有抓取关节和充电插头，充电插头为圆台型，当充电接头与供电插座进行连接时，如果两圆心位置有误差，斜面将会对误差进行自动校正，从而完成充电操作。展臂到位传感器监测机器人展臂到位，收臂到位传感器监测机器人收臂到位，当机器人前进遇到障碍时，控制器选择最优抓取点并进行轨迹规划，抓取关节抓取最优抓取点，轮组松开，然后在最优最优夹紧点实现轮组夹紧，从而实现机器人的避障功能。

如图1所示，控制模块包括机器人机箱、控制板11、电源12、GPS传感器13、继电器10、整流桥9，机器人机箱与机械臂上的钣金件用螺栓链接进行固定，控制板11、电源12、GPS传感器13、继电器10和整流桥9放在机器人机箱里面，控制板11控制机械臂和轮子的运动，并将GPS的位置信息通过5G无线传输给地面终端，电源12给各元器件供电，GPS传感器13定位机器人的位置并传输给控制器，控制器控制继电器的开合，从而控制是否给机器人电池充电，整流桥9的正极与负极输出与机器人电池正极与负极相连接，使储能蓄电池给机器人电池供电。

如图2所示，供电模块包括太阳能电池板18、太阳传感器16、超级电容组15、铅酸蓄电池14、旋转平台19、稳压器22、横塔机箱17、控制器23、供电插座20、挡雨板21，供电插座20安装在横塔机箱17的侧面，上方装有挡雨板21防止充电接口被淋湿，太阳能电池板18安装在横塔机箱17上方，初始位置面朝南方与水平面成一定角度，下方装有一个旋转平台19，由控制器23控制，从而控制太阳能电池板18的朝向，实现将太阳能转换为电能，太阳传感器16安装在横塔机箱17上面，当有太阳出来的时候实时监测太阳的位置并传输给控制器23，控制器23控制旋转平台19旋转使太阳能电池板18面朝太阳，最大效率的利用太阳能，超级电容组15、铅酸蓄电池14、稳压器22、控制器23安装在横塔机箱17内部，超级电容组15、铅酸蓄电池14作为储能元件，稳压器22稳定充电时电路电压。太阳能供电流程如图7所示。

如图1所示，测量模块包括摄像头2、激光测距仪4，电流传感器5、电压传感器6、温度传感器7、湿度传感器8，摄像头2固定在机器人机箱的上方，在机器人工作前，将供电插座20的标准图片传输给控制器23，当机器人到达指定位置后，摄像头2识取周围环境图片并对比标准图片，识别到供电插座20后确定其圆心的二维位置坐标，通过激光测距仪4测量出距离机器人的距离，控制器23通过计算得到供电插座20圆心相对于充电插头27圆心的三维坐标，控制器23根据坐标对机械臂充电插头27的圆心进行最优路径规划，使充电插头27与供电插座20完成水平对接从而对机器人电池进行充电。激光测距仪4通过螺栓连接安装在机器人机箱的钣金件上，第一、第二电流传感器、第一、第二电压传感器、第一、第二温度传感器、第一、第二湿度传感器分别安装于塔横机箱17与机器人机箱内，检测电池的电流、电压与机箱内部环境的湿度、温度的数据信息，并通过5G无线传输地面终端。充电前检测人员根据塔横机箱17的电流电压值检测机箱电池的SOC值判断是否可以充满机器人，如果可以然后根据里面环境温度与湿度判断是否可以进行充电。如果符合充电条件机器人将前往充电。

一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置控制方法，如图8所示，包括如下步骤：

1、当终端人员根据机器人机箱中的电流电压值检测出SOC值到5％-10％时，地面终端根据其GPS传感器实时获取机器人的位置信息，配合安装在控制器里的GIS软件计算出机器人与各横塔的距离，根据塔横机箱的电流电压值检测机箱电池的SOC值判断是否可以充满机器人，如果可以然后根据里面环境温度与湿度判断是否可以进行充电。根据以上要求选取最优充电横塔进行充电。

2，选取完最优充电横塔后，机器人前往塔横充电，地面终端根据GPS所监测的位置信息，判断机器人与充电横塔的距离。当距离横塔20～30米时，机器人高速行驶，机器人行驶速度为1.0米/每秒～2.0米/每秒。当距离横塔为10～20米时，机器人中速行驶，机器人行驶速度为0.5米/每秒～1.0米/每秒。当距离横塔为5～10米时，机器人低速行驶，机器人行驶速度为0.2米/每秒～0.5米/每秒。如图5所示。

3，机器人高速行驶如果中途遇到防震锤或其他障碍，机器人在距离障碍为5～10米时开始减速，在距离障碍为0.3～0.5米时停下，摄像头在高压电缆上寻找最优抓取点并获取其二维坐标，通过激光测距仪测出最优抓取点距离，所获取得信息传输给控制器，控制器分析计算出抓取点的三维坐标，然后对机械臂进行最优路径规划，分别规划出机械臂抓取关节的路径和轮组夹紧高压电缆的路径，路径规划完成后，机械臂展开，机械臂末端旋转到抓取关节，机械臂抓取关节抓取最优抓取点，机器人移动模块下方轮子沿导轨松开，轮组离开高压电缆，控制器控制机器人使机器人轮组卡槽处在电缆的正上方，通过上方两个轮子中间的位置传感器进行监测，然后缓慢放下轮组，使机器人上方两个轮子卡槽压在高压电缆上，然后下方轮组沿导轨进行夹紧，抓取关节松开，机器人收缩机械臂，最后实现避障操作。机器人越障流程如图9所示。

4、当机器人接近塔横，距离充电接口为0.3～0.5米时，机器人停止，打开机械臂，机械臂末端旋转到充电插头，摄像头识取周围环境图片，并与供电插座的图片形状进行对比，识别到供电插座后，获取供电插座圆心的二维坐标位置信息，激光测距仪测量出其距离，控制器分析计算出抓取点的三维坐标，然后对机械臂充电插头圆心点进行最优路径规划，使机械臂充电插头与供电插座水平连接，如图10所示。完成连接后，机器人整流桥的正极与负极输出与机器人电池正极与负极相连接，使储能蓄电池给机器人电池供电，充电过程中测量模块实时监测横塔机箱与机器人机箱里面的数据信息，并实时传输给地面终端，如果温度过高或者湿度过高地面终端将显示报警，终端人员立即停止充电操作，当检测到机器人电池SOC值到达100％值时，充电完成。图6为供电插座标准图片。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种高压输电线路巡检机器人智能充电装置，其特征是，包括移动模块、悬臂模块、控制模块、地面终端、测量模块和供电模块；

移动模块包括两个轮组，每个轮组包括三个轮子和驱动电机，上方两个轮子固定在导轨上，下方轮子可沿导轨移动；上方两个轮子之间装有位置传感器，通过联轴器将轮子与电机链接起来；

悬臂模块包括机械臂、五个电机、充电插头、抓取关节、钣金连接件、展臂到位传感器、收臂到位传感器，通过联轴器将电机与机械臂连接起来，通过螺栓链接将钣金连接件连接到机箱上，机械臂的末端有抓取关节和充电插头；

控制模块包括机器人机箱、控制板、机器人电源、GPS传感器、继电器、整流桥，机器人机箱与钣金连接件用螺栓链接进行固定，控制板、电源、GPS传感器、继电器和整流桥置于机器人机箱内，控制板控制机械臂和下方轮子的运动，并将GPS的位置信息通过5G无线传输给地面终端，机器人电源为各元器件供电，GPS传感器定位机器人的位置传输给控制器，控制器控制继电器的开合从而控制机器人电池是否充电，整流桥的正极与负极输出与机器人电池正极与负极相连接；

供电模块包括太阳能电池板、太阳传感器、超级电容组、铅酸蓄电池、旋转平台、稳压器、横塔机箱、控制器、充电接口、挡雨板，充电接口安装在横塔机箱的侧面，上方装有挡雨板，太阳能电池板安装在横塔机箱上方，初始位置面朝南方与水平面成一定角度，旋转平台安装在横塔机箱下方，太阳传感器安装在横塔机箱上面，超级电容组、铅酸蓄电池、稳压器、控制器安装于横塔机箱内部；

测量模块包括摄像头、激光测距仪，第一、第二电流传感器、第一、第二电压传感器、第一、第二温度传感器、第一、第二湿度传感器；摄像头固定在机器人机箱的上方，激光测距仪通过螺栓连接安装在机器人机箱的钣金连接件上，第一电流传感器、第一电压传感器、第一温度传感器、第一湿度传感器设置于机器人机箱内；第二电流传感器、第二电压传感器、第二温度传感器、第二湿度传感器设置于横塔机箱内。

2.如权利要求1所述的高压输电线路巡检机器人智能充电装置充电方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、选取最优充电横塔；当终端人员根据机器人机箱中的电流电压值检测出SOC值到5％-10％时，地面终端根据其GPS传感器实时获取机器人的位置信息，配合安装在控制器里的GIS软件计算出机器人与各横塔的距离，根据横塔机箱的电流电压值检测机箱电池的SOC值，判断是否能够满足机器人充电，如果可以，再根据横塔机箱内环境温度与湿度判断是否满足充电环境条件，从而选取最优充电横塔进行充电；

步骤2、机器人前往最优充电横塔充电行驶速度的控制；地面终端根据GPS所监测的位置信息，判断机器人与充电横塔的距离，当机器人距离横塔20～30米时，机器人行驶速度为1.0米/每秒～2.0米/每秒，当机器人距离横塔10～20米时，机器人行驶速度为0.5米/每秒～1.0米/每秒，当机器人距离横塔5～10米时，机器人行驶速度为0.2米/每秒～0.5米/每秒；

步骤3、机器人前往最优充电横塔充电过程中避障处理；机器人在距离障碍物为5～10米时开始减速，在距离障碍为0.3～0.5米时停下，摄像头在高压电缆上寻找最优抓取点并获取其二维坐标，通过激光测距仪测出最优抓取点距离，将所获取的信息传输给控制器，控制器分析计算出抓取点的三维坐标，分别规划出机械臂抓取关节的路径和轮组夹紧高压电缆的路径；完成路径规划后机械臂展开，机械臂末端旋转到抓取关节，机械臂抓取关节抓取最优抓取点，机器人移动模块下方轮子沿导轨松开，轮组离开高压电缆，控制器控制机器人轮组卡槽处在电缆的正上方，通过上方两个轮子中间的位置传感器进行监测，然后缓慢放下轮组，使机器人上方两个轮子卡槽压在高压电缆上，然后下方轮子沿导轨进行夹紧，抓取关节松开，机器人收缩机械臂，实现避障操作；

步骤4、完成机器人充电；当机器人距离充电接口为0.3～0.5米时，机器人停止，打开机械臂，机械臂末端旋转到充电插头，摄像头识取周围环境图片，并与供电插座的图片形状进行对比，识别到供电插座后，获取供电插座圆心的二维坐标位置信息，通过激光测距仪测量距离，控制器分析计算出抓取点的三维坐标，然后对机械臂充电插头圆心点进行最优路径规划，使机械臂充电插头与供电插座水平连接，完成连接后，机器人整流桥的正极与负极输出与机器人电池正极与负极相连接，使储能蓄电池给机器人电池供电；充电过程中测量模块实时监测横塔机箱与机器人机箱内的数据信息，并实时传输给地面终端，如果温度过高或者湿度过高终端将显示报警，终端人员立即停止充电操作，当检测到机器人电池SOC值到达100％值时，充电完成。

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