CN1776367A - 高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，其特征在于：将一系列相同参数的电磁传感器分别布置在机器人的手臂上，各组传感器分别同轴线布置，让机器人的各待调控部位的空间位姿状态能通过各该部位的传感器阵列组相对高压输电导线的距离表征。本发明的优点是：实现简单，结构小巧，成本低廉；可避免强电场、强磁场的干扰，实用性强；控制算法简单，操作方便。如配备相应的机器人设备，可以用来辅助完成高压巡线机器人沿架空高压输电线路进行全自动化的巡检作业。

Description

高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法

技术领域

本发明涉及机器人自动作业领域，尤其是一种高压巡线机器人沿架空高压输电线路自动巡检作业时的导航方法。

背景技术

在架空电力线路巡线机器人领域，已有日本东京电力公司的Sawada等人、美国TRC公司、加拿大魁北克水电研究院(IREQ)的Montambault等人先后开展了巡线机器人的研究工作，但他们研制的巡线机器人工作时一般需要人工辅助，或只能完成两线塔之间电力线路的检查，作业范围小，自治程度低。国内有武汉大学在863基金项目资助下开展了具有行走和越障功能的架空电力线路巡线机器人的研究，并申请了专利CN200410061316.8、CN200410061314.9、CN200320116267.4。

具有行走和越障功能的巡线机器人沿架空电力线路运行，要跨越防震锤、悬垂绝缘子、线夹、杆塔等障碍，因此要求其导航传感器系统具有自主的全局定位能力，提供合适的导航方法成为亟待解决的重要问题。由于巡线机器人工作在野外环境下，其行驶路径高压输电线路周围分布有强电场与强磁场，使其对自动导航传感器的选用十分苛刻，目前使用的主要有视觉传感器、超声传感器、激光测距仪等。视觉导航具有很高的空间和灰度分辨率，其探测的范围广、精度高，能够获取场景中绝大部分信息。缺点是难以从背景中分离出要探测的目标，为了将障碍与背景分开，所需的图像计算量很大，导致系统的实时性能较差。而超声传感器的测算距离与巡线机器人的定位要求不符，也不适宜于野外环境。激光测距仪安装定位复杂，成本昂贵，重量体积庞大，机器人不堪负荷。必须克服上述导航传感器的缺点，寻找新的导航方法突破现有技术的局限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法。

为实现本发明所述目的，本发明提供一种高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，将一系列相同参数的电磁传感器分别布置在机器人的手臂上；各组传感器分别同轴线布置，并设各组轴线分别为l_A、l_B、l_C…；各传感器线圈的两端所产生感应电动势按下式：

$\mathrm{\ϵ}=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{NS}\cos \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{NS}\cos \mathrm{\θ}*{\mathrm{\μ}}_0\frac{\mathrm{dI}}{2\mathrm{\πrdt}}---\left(1\right)$

而定，式中ε为线圈中的感应电动势；φ为通过线圈的磁通量；S为线圈截面积；θ为线圈截面的法线与磁场方向的夹角；N为线圈的匝数；r为偏离导线的距离；μ₀为真空磁导率；

根据公式(1)，使各组传感器的dI、N、S、θ均相等，即让感应电动势ε仅与距离r有关，亦即，让机器人的各待调控部位的空间位姿状态能通过各该部位的传感器阵列组相对高压输电导线的距离r表征。

而且，在每个机器人手臂上设置三组电磁传感器A、B、C，以组成的传感器阵列组来实现对高压导线位姿的识别；使三组传感器阵列分布时满足以下条件：l_A平行于l_B，l_C垂直于l_A、l_B所确定的平面且l_C与l_A、l_B的距离相等，各组中所有传感器与高压导线的夹角θ均相等，而且各电磁传感器相隔一定距离。

而且，每组m个传感器在其轴线上确定2m-3个点，这2m-3个点将传感器轴线分成2m-2个区间，通过模拟/数字转换比较各传感器感应电动势值的大小，获取最大电动势ε_max、次大电动势ε_sec所对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线上的区域。

而且，导航算法中，设ε_Amax、ε_Bmax、ε_Cmax分别表示A、B、C组传感器感应电动势的最大值，ε_Asec、ε_Bsec、ε_Csec分别表示A、B、C组传感器感应电动势的次大值)，导航计算的步骤如下，

a.通过调整使得|ε_Amax-ε_Bmax|＜临界值，则此时高压导线与l_A、l_B距离相等，即高压导线近似平行于l_A、l_B所确定的平面。

b.求取ε_Amax、ε_Asec、ε_Bmax、ε_Bsec对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线l_A、l_B上的区域，则此两区域间连线范围即为高压导线投影到手臂平面时的区域范围。

c.求取ε_Cmax、ε_Csec对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线l_C上的区域。则此时传感器所在空间区域范围已唯一确定。

为了解决现有技术的难题，本发明采用电磁传感器为高压巡线机器人沿输电线路的相线进行导航，在机器人手臂上设置电磁传感器阵列，根据电磁传感器阵列中的电磁传感器布置划分若干组位置区间，采集电磁传感器阵列的感应信息，按照感应结果和区间划分确定高压导线所在区域，判断其相对于机器人的空间位姿。传感器结构小巧、重量轻、便于安装，软件处理方便，造价低廉。通过布置电磁传感器阵列而划分区间感应高压导线所在位置，简便可靠，利用巧妙的电磁传感器设置，更是提高了效率和精度。本方法实施简单，可避免强电场、强磁场的干扰，实用性强。

附图说明

图1是本发明工作原理示意图；

图2是本发明实施例的电磁传感器测头示意图；

图3A和图3B是本发明实施例的电磁传感器分布示意图；

图4是本发明具体实施例的区间划分示意图；

图5是本发明具体实施例的信号调理电路图。

具体实施方式

参见图1，在机器人手臂上设置电磁传感器阵列，根据电磁传感器阵列中的电磁传感器布置划分若干组位置区间，采集电磁传感器阵列的感应信息，按照感应结果和区间划分确定高压导线所在区域，判断其相对于机器人手臂的空间位姿。得出高压导线相对于机器人手臂的空间位姿，通过机器人自身姿态参数的转换，即可唯一确定机器人各部件相对于高压导线的空间位姿，从而进行导航。架空电力线路巡线机器人的导航系统除电磁传感器外，还应当配设多路转换开关、信号调理电路、模拟/数字(AD)转换电路、控制器等部分，由于集成电路和可编程芯片技术已应用得相当成熟以及广泛，本发明不予赘述，仅提供实施例的电路简略说明以供参考：参见图5，由于电磁传感器线圈回路两端产生的感应电动势信号比较微弱，必须经过放大增大其幅值，选用LM324作为运放芯片，通过可调电阻R3在1～500范围内调节放大倍数；为减少电磁干扰，对信号进行带通滤波，采用二阶压控电压源带通滤波电路，通过C1与R1组成的低通滤波和C2与R2组成的高通滤波级联，使得中心频率f₀＝50Hz，带宽B＝10Hz；最后用两个稳压二极管D1、D2将信号电压限制在AD采样范围内。选用AD574AJD作为AD转换芯片。AD转换后得到的是正弦信号，然后提取其峰值。控制器可采用PC104、89S51单片机等。电磁传感器的感应结果经多路转换开关、信号调理电路和AD转换电路处理成数字信息，控制器根据数字信息进行导航计算，得到机器人的空间位姿后通过驱动器驱动电机，指挥机械本体动作。运动过程中电磁传感器监控机体与环境的位姿关系，反馈到控制器，进而调整运动轨迹，架空电力线路巡线机器人的电磁导航系统得以实现。

参见图2，电磁传感器的测头为具有软磁磁芯的密绕电感线圈，磁芯可以采用铁、硅钢片、坡莫合金等软磁材料，本发明实施例采用普通的具有铁芯的密绕电感线圈L。

参见图3A、3B，为了感应机器人手臂的空间位置，将一系列相同参数的电磁传感器分别布置在机器人的手臂上；各组传感器分别同轴线布置，并设各组轴线分别为l_A、l_B、l_C…。根据比奥-沙伐定律和法拉第电磁感应定律，把一个截面积为S，N匝的线圈(线圈截面的法线与磁场方向的夹角为φ)置于无限长的通有交变电流的导线旁边，则线圈回路的两端将产生感应电动势按下式：

$\mathrm{\ϵ}=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{NS}\cos \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{NS}\cos \mathrm{\θ}*{\mathrm{\μ}}_0\frac{\mathrm{dI}}{2\mathrm{\πrdt}}---\left(1\right)$

式中ε为线圈中的感应电动势，单位为V；φ为通过线圈的磁通量，单位为Wb；S为线圈截面积，单位为m²；θ为线圈截面的法线与磁场方向的夹角，单位为rad；N为线圈的匝数；r为偏离导线的距离，单位为m；μ₀为真空磁导率，取μ₀＝4π×10^-7，单位为N/A²。

根据公式(1)，电磁传感器感应电动势ε与电流的变化率dI、线圈的匝数N、线圈的截面积S、线圈与导线的夹角θ以及线圈与导线的距离r有关。为了简化计算ε与r的关系，本发明人采用“相对值检测”思路，即设计一组传感器，使其dI、N、S、θ均相等，则ε仅与r有关，亦即，让机器人的各待调控部位的空间位姿状态能通过各该部位的传感器阵列组相对高压输电导线的距离r表征。也就是说在这组传感器中，ε值最大的传感器距离高压输电导线最近。用这种相对值检测方法，设计合理的传感器阵列组，即可以确定高压输电导线的位姿状态。

本发明实施例在每个机器人手臂上设计了A、B、C三组电磁传感器，组成电磁传感器阵列组，来实现对高压导线位姿的识别。各组采用的电磁传感器个数计为m，各组m值可以不一样，为后续处理方便最好A、B组取相同值。具体实施时，m值通常在3～15，取值与传感器尺寸、机构尺寸和检测精度有关。其中，各组电磁传感器的测头完全相同，以保证具有相同的N、S，实际上整个电磁传感器阵列采用相同的传感器即可方便的实现；每组电磁传感器测头的中心轴共线(设其轴线分别为l_A、l_B、l_C)，以此保证各组中所有传感器测头与高压导线的夹角相等。由于高压导线电流变化率dI对所有传感器均相同，则每组传感器符合相对值检测条件。当然不使一组电磁传感器的dI、N、S、θ均相等，而计算r，理论上可以实现，但必然更为繁琐，“相对值检测”是一种优选方案。

三组电磁传感器分布时满足以下条件：l_A平行于l_B，l_C垂直于l_A、l_B所确定的平面且l_C与l_A、l_B的距离相等。这种布置是为了构成便于计算时参照的一种立体坐标系，以便根据高压导线到各组电磁传感器的投影唯一确定高压导线所在区域，判断其相对于机器人的空间位姿。本发明实施例将A、B组分布于机器人手臂的两侧，C组垂直于手臂方向布置(沿手爪方向)，实施时还可以交换平面，A、B组垂直于手臂方向。

为了防止影响通过相邻电磁传感器的磁通量，将每两传感器测头间相互隔开一定距离。一组电磁传感器中采用相同数值设置两传感器测头之间的间隔距离，该数值在1mm～20mm之间。不同组的间隔距离可以不同。

本发明的导航原理建立在“相对值检测”原理及上述阵列排布方法的基础上，每组传感器中距离高压导线越近的感应电动势越大。以本发明实施例中的A组传感器为例，由m个电磁传感器A₁～A_m组成，假设其中A_n号传感器感应电动势为ε_n，A组中感应电动势最大值为ε_Amax，次大值为ε_Asec，则：

①、若ε_n＝ε_Amax且ε_n-1＝ε_n+1＝ε_Asec，则表明高压导线距离A_n传感器最近且A_n与A_n-1、A_n+1距离相等，即高压导线在l_A上的投影为A_n传感器的中点处，记为α_n。

②、若ε_n＝ε_n+1＝ε_Amax，则表明高压导线距离A_n、A_n+1传感器最近且距离相等，即在α_n、a_n+1连线中点处，记为α_n(n+1)。

③、若ε_n＝ε_Amax、ε_t＝ε_Asec，则表明高压导线在A_n与A_t传感器之间区域靠近A_n侧，即轴线l_A上(α_n，α_nt)区间，记为A_nt。

根据以上规则，每组m个电磁传感器可确定2m-3个点，这2m-3个点将电磁传感器轴线分成2m-2个区间，其中m的取值根据具体的传感器尺寸、机构尺寸和需要的检测精度而数目不同。参见图4，本发明实施例中A组m个传感器确定a₁₂、a₂、a₂₃、…a_(m-1)m这2m-3个点，将轴线l_A分为A₁₂、A₂₁、A₂₃、…A_(m-1)m这2m-2个区间；B组m个传感器确定b₁₂、b₂、b₂₃、…b_(m-1)m这2m-3个点，将轴线l_B分为B₁₂、B₂₁、B₂₃、…B_(m-1)m这2m-2个区间；C组同样设置。通过模拟/数字(AD)转换比较各传感器感应电动势值的大小，获取最大感应电动势ε_max、次大感应电动势ε_sec所对应的传感器编号，即可确定高压导线投影到传感器轴线上的区域。

为了通过电磁传感器确定高压导线相对于机器人手臂的空间位姿，还要进行以下导航运算处理(设ε_Amax、ε_Bmax、ε_Cmax分别表示A、B、C组传感器感应电动势的最大值，ε_Asec、ε_Bsec、ε_Csec分别表示A、B、C组传感器感应电动势的次大值)：

①、通过调整使得|ε_Amax-ε_Bmax|＜临界值，则此时高压导线与l_A、l_B距离相等，即高压导线近似平行于l_A、l_B所确定的平面。采用临界值是一种容差方法，即当ε_Amax与ε_Bmax的差值小于临界值时我们就认为它们近似相等了。临界值的选取与控制精度有关，当控制精度要求高时临界值选取得小，控制精度要求低时临界值选取得大，一般情况下为小于0.2的较小数值。

②、求取ε_Amax、ε_Asec、ε_Bmax、ε_Bsec对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线l_A、l_B上的区域，则此两区域间连线范围即为高压导线投影到手臂平面时的区域范围。

③、求取ε_Cmax、ε_Csec对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线l_C上的区域。则此时电磁传感器所在空间区域范围已唯一确定。

显然，本发明提供的方法可以为专利CN200410061316.8中公开的具有行走和越障功能的巡线机器人提供优秀的导航功能，该机器人有两个手臂(原文称为“小臂”)，因此电磁传感器阵列也应当备有两套，以实现不同手臂过障时为机器人提供准确的导航。同时，这种方法也适用于其他种类的巡线机器人，无论手臂的数量，无论是否具有先进地行走和越障功能。

Claims (4)

1.一种高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，其特征是：

1.1将一系列相同参数的电磁传感器分别布置在机器人的手臂上；

1.2各组传感器分别同轴线布置，并设各组轴线分别为l_A、l_B、l_C…；

1.3各传感器线圈的两端所产生感应电动势按下式：

$\mathrm{\ϵ}=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{NS}\cos \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{NS}\cos \mathrm{\θ}*{\mathrm{\μ}}_0\frac{\mathrm{dI}}{2\mathrm{\πrdt}}---\left(1\right)$

而定，式中ε为线圈中的感应电动势；φ为通过线圈的磁通量；S为线圈截面积；θ为线圈截面的法线与磁场方向的夹角；N为线圈的匝数；r为偏离导线的距离；μ₀为真空磁导率；

1.4根据公式(1)，使各组传感器的dI、N、S、θ均相等，即让感应电动势ε仅与距离r有关，亦即，让机器人的各待调控部位的空间位姿状态能通过各该部位的传感器阵列组相对高压输电导线的距离r表征。

2.根据权利要求1所述的高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，其特征是：

1.1.1在每个机器人手臂上设置三组电磁传感器A、B、C，以组成的传感器阵列组来实现对高压导线位姿的识别；

1.1.1.2使三组传感器阵列分布时满足以下条件：l_A平行于l_B，l_C垂直于l_A、l_B所确定的平面且l_C与l_A、l_B的距离相等，各组中所有传感器与高压导线的夹角θ均相等，而且各电磁传感器相隔一定距离。

3.根据权利要求1或2所述的高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，其特征是：

每组m个传感器在其轴线上确定2m-3个点，这2m-3个点将传感器轴线分成2m-2个区间，通过模拟/数字转换比较各传感器感应电动势值的大小，获取最大电动势ε_max、次大电动势ε_sec所对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线上的区域。

4.根据权利要求3所述的高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，其特征是：在导航算法中，设ε_Amax、ε_Bmax、ε_Cmax分别表示A、B、C组传感器感应电动势的最大值，ε_Asec、ε_Bsec、ε_Csec分别表示A、B、C组传感器感应电动势的次大值，导航计算的步骤如下：

a.通过调整使得|ε_Amax-ε_Bmax|＜临界值，则此时高压导线与l_A、l_B距离相等，即高压导线近似平行于l_A、l_B所确定的平面。

b.求取ε_Amax、ε_Asec、ε_Bmax、ε_Bsec对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线l_A、l_B上的区域，则此两区域间连线范围即为高压导线投影到手臂平面时的区域范围。

c.求取ε_Cmax、ε_Csec对应的传感器编号，确定高压导线投影到传感器轴线l_C上的区域。则此时传感器所在空间区域范围已唯一确定。

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