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500kv超高压输电线巡检机器人控制系统的发展

摘要︰本文介绍了一种机器人的运行和障碍导航控制检验原理，并介绍了基于分布式专家系统的控制系统（DES）的开发及控制系统的电磁屏蔽。巡检机器人可以运行在架空地线上并且自主跨越障碍（配重、 夹子和塔），并检查损坏的500千伏高电压输变电线路设备（塔、电源输电线路绝缘子）。运行在一个真正为500千伏的输电线路的现场实验显示机器人控制系统已具备检验任务的主要功能。
关键词：巡检机器人控制系统；输电线路；分布式的专家系统；

1.介绍

输电线路巡检任务的目的是了解线路运行状况并发现超高压输电线路设备的损坏。显然，检查任务对输电线路的正常运行非常重要。到目前为止，输电线路设备的检查主要由工人在地面上用望远镜检查。有时候，他们不得不爬上杆塔或用吊船悬挂在架空地线上，这些工作模式有许多缺点，如检查周期过长、工作强度过高、花销过大和很高的危险性。由于严酷的环境，它难以保证山区、草原和原始森林的检查质量。

巡检机器人可以代替工人到500千伏超高压电力传输线路环境下接受系统的检测任务。对巡检机器人的研究是从八十年代末开始的。移动机器人的类型研究从八十年代末开始。适用于66千伏光纤架空地线(OPGW)的检查机器人如图1所示，它可以在光纤复合架空地线上运行，并可以对配重和夹具这种障碍进行导航。图[2]中介绍了一种新型的移动机器人机制，它由双臂、4台驱动器和履带组成。实验结果证明机器人可以在架空地线上运行并对塔的障碍进行导航。[3]图介绍的是由多单元模块组成的机器人。它可以在通信线路和电力传输线路上运行并对障碍进行导航。因为它有18个自由度，所以就现实中应用来说机器人的功耗过高。还有许多其他类型的巡检机器人原型介绍比如图[4]、[5]、[6]。然而，因为还有许多导航障碍的问题，所以所有上述的机器人到目前为止还没有应用于真正的输电线路。巡检机器人的研究工作仍在继续。

架空地线上的障碍环境如图1所示。在架空地线上的主要障碍是重物、夹钳及塔。在电源传动系统中，杆塔上的线路布置和障碍物的结构尺寸是近似对于同种类型的输电线路来说。电力部门可以提供障碍的结构数据信息。

本文介绍了一种500千伏超高压输电线路的架空地线巡检机器人的一种基于新型的机制上的障碍导航控制策略。这种移动机器人的控制系统是一种基于可以自主运行和对架空地线上的障碍进行导航的CLIPS系统的混合体系结构的专家系统。

这种机器人可以自主在架空地线上运行并跨越障碍。由于安装了摄像头，机器人可以探测出输电线路设备的损害。机器人检测出的数据和图像可以通过无线传输设备传输到地面基站。地面基站不仅可以接收、存储和显示数据和图像还能同时完成实时远程控制和图像处理任务。基于机器人样机的现场试验结果表明，这种机器人控制系统具备了检测任务的主要功能。

本文的结构如下：介绍之后，第2节对移动机器人的运行和障碍导航原理进行了描述。第3节对巡检机器人的整个控制系统进行了详细的描述，包括机器人控制系统、地面基地控制系统配置和基于CLIPS的障碍导航的混合建构专家系统。第4节介绍的是实验的结果和未来要开展的工作。最后，第5节是结论。

2.运行和障碍导航原则

图2显示了移动机器人机械系统的概念图。移动机器人有两个机械臂（前臂和后臂）和一个机身。在两只机械臂顶端分别有两个机械爪，在机身上有一个运动轮。注意，在每个爪上都有一个轮子，当机械爪抓线，它可以使用滚轮沿着架空地线来回移动。

图3显示的是障碍导航的过程，作者分析了巡线机器人的运动学和目前的障碍导航策略----“分步实施”。通过一个或几个'分步实施'，巡检机器人可以自主导航一切障碍。首先，后臂上的机械爪夹持住输电线同时前臂延伸以进行障碍导航。第二步，前臂机械爪的夹持器夹持住输电线并且滚轮从输电线上脱离。两个夹子继续向前行进同时机身可以跨越障碍。最后，滚轮翻过输电线并抓住它。后臂的机械爪松开并进行障碍导航或移动到指定的位置抓住电线。

根据两种不同配重的距离和不同塔的大小，有如下几种不同的情况︰

• 首先，如果前臂的长度比两种配重到前臂的距离长并且机器人的机身可以直接对配重进行导航，那么障碍导航过程只需要一个“分步实施”如上述分析。这是一个简单的情况。
• 其次，如果前臂可以直接对两个配重进行导航，但是机身不可以对杆塔或第二配重进行导航，那么障碍物导航过程可以转化成第一种情况，在一个或两个“分步实施”之后。
• 最后，如果前臂仅仅可以导航塔而不能导航第二配重，那么障碍物导航过程可以转化为经过两次“分步实施”的第一种情况。

3.控制系统的发展

整个控制系统由机器人控制系统和地面基站组成，如图4所示。控制系统可以实现运行控制，障碍导航控制，摄像头和PAN/TILT控制，无线数据、图像传输和机器人的维护功能。

3.1机器人控制系统

机器人控制系统可以全自动或半自动的控制巡检机器人在架空地线上的运行和障碍导航。

考虑到机器人尺寸、重量、可靠性和过程功能的需要，选择了一个嵌入式计算机和一个基于PC/104总线的光耦隔离I/0模块作为控制系统的核心，其功能包括运行电机和钳电机控制，PAN/TILT控制和状态监视等。

通过电机和钳电机的合作运行，机器人可以在架空地线上进行工作。当机器人在电线上运行时，钳电机被关闭；当机器人从电线上离开时，钳电机被开启。PAN/TILT和相机模块可以完成输电线路设备的图像采集工作。

机器人和地面基地系统之间的控制命令和状态数据由一对无线数据调制解调器传输，图像则是由一组无线影像发送装置从机器人发送到地面基地系统。数据传输信道和图像传输信道彼此分开。

3.2地面控制系统

地面控制系统是由工业PC（IPC）、图像采集、微波接收器、数据调制解调器和监视器组成的。地面控制系统的主要任务是远程控制巡检机器人，它可以使机器人前进，停止，后退以及帮助机器人进行导航障碍。地面操作人员可通过人机界面控制巡检机器人。

3.3相机和无线传输系统

相机和无线传输系统包括一个高速球体相机，一对无线数据调制解调器和无线影像传输系统。该系统的功能如下：

• 发送由CCD照相机检测的电力传输线设备的实时图像和状态数据到地面基站。
• 在地面基站接收，存储和显示图像（显示模式：静止图像显示和实时图像显示）。完成遥控操作机器人（前进，后退和停止）。
• 控制PAN/TILT旋转（PAN：0-360度，TITL：0-180度），并定焦相机。

无线数据调制解调器（FC-206/B）使用点对点通信模式。一个FC-206/B作为主站连接到地面监视计算机而另一个FC-206/B作为子站连接机器人上的PC/104。

无线影像传输系统，包括一个微波发射器和一个微波接收器。连接微波发射器和微波接收器的CCD照相机连接着分别装有图像采集器和电视的地面监视计算机。其中一个接收的视频信号可以在电视上直接显示，而另一个则被输入到地面监视计算机以进行图像处理，存储和显示。

3.4分布式专家系统

整个控制系统是由一个分布专家系统（DES）----机器人专家系统和地面基地专家系统实现的。由于障碍物导航控制是一个复杂的控制过程，所以CLIPS凭借其强大的逻辑推理能力被选为专家系统的核心。CLIPS使用了著名的模式匹配算法----Rete算法，这种算法可以查找基于事实的规则，并具有较高的搜索效率。然而，CLIPS缺乏数据处理能力，尤其缺乏硬件操作能力造成与机器人控制不匹配，所以用CLIPS和C语言混合编程用于构造这个分布式专家系统。

3.4.1机器人专家系统

机器人专家系统由CLIPS推理引擎，CLIPS知识库，静态数据库，外部信息输入模块和决策模块组成，如图5。外部传感器信号具有接近式传感器（光纤传感器）信号和触觉传感器（限位开关）信号。在所有外部输入信号进入专家系统的核心之前，它们先经过预处理。通过预处理，这些传感器信号转化为真实信号被放入CLIPS推理引擎作为前提和触发。CLIPS推理引擎可以通过这些真实信号判断处理方法。

静态数据库对输电线和障碍的结构数据进行存储。所有巡检机器人运行的塔，则根据在数据库中的塔的顺序进行索引。当巡检机器人准备进行导航障碍时，当前的障碍结构数据就被读入机器人专家系统的缓冲器。这些数据包括配重的数量，塔、钳、配重的尺寸，两个相邻塔之间两个架空地线的相对位置等。这些数据被离线写入到数据库中，并在系统运行时不能被修改。

机器人专家系统是混合架构的，并且拥有两种控制模式：分层决策模式和直接控制模式，分别用于处于不同状态的移动机器人。

大多数移动机器人是由分层决策模式控制的，但还有一些是被直接控制模式控制。当传感器信号进入移动机器人控制装置之后，该系统决定开始进行分层控制或直接控制。在直接控制模式下，控制器驱动程序执行层直接产生初级命令。这种控制方式应答快速并且适合简单或紧急的控制任务，如机器人故障处理任务。这也确保了移动机器人控制系统的实时性。

3.4.2地面专家系统

地面基地专家系统由CLIPS推理引擎，CLIPS知识库，全球数据库，图像数据库，人机交互界面组成，如图6所示。地面专家系统可以指示巡检机器人进行障碍导航并且通过机器人发送的图像和数据对电力传输线上的设备故障进行检测。由于巡检机器人在架空地线上运行，所以整个DES的人机界面被设计在了地面专家系统。当巡检机器人发生故障或不能正常对障碍物进行导航，地面操作人员可以通过人机界面对机器人进行操控。操作人员可以通过远程操作菜单对巡检机器人进行操控。

地面专家系统输入的是由巡检机器人发送的图像和机器人状态信息。图像和机器人状态信息可以在图像数据库和全球数据库分别被恢复。被测物体的图像将会与标准模型进行比较。图像库存储着由巡检机器人发送的图像和典型的障碍物图像。地面监控系统能够使用模式分类技术识别巡检机器人前面的当前障碍物的类型。结果将传送给机器人，并帮助机器人进行障碍的导航。同时，地面监测专家系统可以处理由巡检机器人发出的电力传输线设备的图像，这些实时图象显示在屏幕和监视器（电视）上，因此，通过图像处理和操作者的判断，地面监测系统可以找到电力传输线上设备的损坏。

3.5电磁兼容性设计

因为运行的超高压输电线周围具有高的电磁场（EMF），所以有一个感应电流或感应电压在塔顶的线路和巡检机器人上。电磁场会干扰机器人控制器，使机器人不能正常工作，甚至直接摧毁机器人电路。

3.5.1超高压电力传输线周围的电磁场

500千伏超高压电力线路的正常线电压是500千伏，正常相电压为500除以根号3等于288千伏。架空地线和电力传输线之间的最近距离为9米，最远为15米。因为电压和电流的唯一频率是50HZ，因此它们可以被视为准电磁场或静电场。

架空地线两种运行模式：接地运行和绝缘运行。当一个架空地线两端被接地运行，其电位等于地面电位。然而，由于架空地线和电力传输线的互感，在其上存在感应电流。当其中一端接地，其感应电压高至数千伏。当两端都是绝缘的，它的感应电压可以是几十千伏。

3.5.2机器人的电磁屏蔽

机器人的电磁屏蔽包括静电场屏蔽和电磁场屏蔽。

静电场屏蔽是基于法拉第笼理论。作者使用库珀作为电场屏蔽材料，因为在机器人内有等电位。不过由于库珀过于灵活，难以撑机器人的外壳，所以作者使用库珀和铝的双层结构。

电磁场屏蔽的原理是在机器人的表面上形成低阻抗磁路，以避免电磁场影响到机器人。电磁场屏蔽材料可以选择铁磁材料（例如坡莫合金，镍钢和硅钢等）。

机器人的壳需要良好的导电和导磁能力以实现电磁屏蔽功能，所以减少孔和缝隙的数量和大小很重要。

3.5.3机器人和架空地线之间的电势关系

机器人和架空地线之间的电位关系有两种模式：接地模式和绝缘模式。在绝缘模式下，当机器人在架空地线上运行时，有机器人和架空地线之间的等效电容C1和机器人和电力传输线之间的另一个等效电容C2。由于机器人和架空地线（20-30厘米）之间的距离远小于该机器人和电力传输线（8-9米）之间的距离，因此基于电容电压分配原则，机器人的表面上有很高的电势。直接暴露于电磁场，无线数据调制解调器和微波发射器的天线表面上具有大量的静电荷，这些静电荷可能会击穿天线。因此，机器人必须在接地模式下运行。

4.实验

机器人的原型是专为验证感应电磁场造成的控制影响和500千伏超高压环境下的控制系统的电磁屏蔽功能。

现场试验采用的是一个真正的500KV超高压电力传输线，架空地线的型号是钢线GJ70。两个相邻的塔之间的距离400米。在实验过程中，天气为晴转多云，风力为3到4级。工人们用导索将机器人传送至杆塔交叉处并将其安置在架空地线上。在机器人和地面基站之间建立可靠的通信后，机器人的运行和巡检实验开始。通过高速球型摄像机检测到的输电线路设备（超高压输电线路，绝缘子，配重和塔架等）的图像同时传输到地面基站。实时图像清楚地显示在监视器上，如图8、9所示。

实验结果表明，机器人控制系统能够在超高压环境下正常工作，具备检查的主要功能。

5.结论

本文详细介绍了可以检查500千伏超高压输电线路的线悬式机器人控制系统的发展。巡检机器人采用两种工作模式：自主控制和远程控制操作模式。搭载了高速球型摄像机，它可以检测输电线路设备（超高压输电线路，绝缘子，配重和塔架等）的损坏。所检测到的图像可以通过无线影像传输系统传送到地面基站进行处理并存储。机器人和地面基站之间的通信则由无线数据调制解调器完成。

本文分析了DEC构建的机器人控制系统。基于CLIPS和C语言混合编程，DEC分为机器人专家系统和地面基地专家系统。通过两个专家系统的协作，使机器人能够成功完成检查任务。

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