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文檔簡介
1、架空輸電線路巡檢機器人一、引言隨著全球經(jīng)濟高速全面發(fā)展,對能源的需求越來越大,超高壓大容量電力線路大幅擴建,能源覆蓋面越來越廣。架空電力線路是將輸電導(dǎo)線用絕緣子和金具架設(shè)在桿塔上,使得導(dǎo)線對地面和建筑物保持一定的距離,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的供電。基于該特點,對于遠(yuǎn)距離輸電大多都會采用架空輸電線路。然而,雖然架空輸電線路具有投資小、建設(shè)速度快、施工簡單方便,但是當(dāng)其線路輸送中容量越大,輸送距離就越長,要求線路的電壓也就越高,而此時輸電線路的阻抗能力逐步成反比,其存在的缺陷也越來越明顯,比如易受到風(fēng)雪和雷擊等自然因素的影響,從而容易引發(fā)各種安全事故。因此,隨著高壓甚至是超高壓輸電線路的發(fā)展,輸電線路安全
2、保障性也得到越來越多的關(guān)注,輸電線路的巡檢工作也就越發(fā)重要。目前,架空電力線路的巡檢主要分為三類,人工巡檢、飛行器巡檢以及智能機器人巡檢。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,采用智能化機器人進(jìn)行電力線路的巡檢也逐漸引起關(guān)注。二、電力巡線機器人2.1電力巡線機器人發(fā)展在2002年以前,架空輸電線路早已出現(xiàn),架空電力線路的主要巡檢方式還是依靠傳統(tǒng)的人工巡檢和直升機巡檢,基于這兩種巡檢方式,輸電線路的安全性能基本能夠得到保證。20世紀(jì)80年代末,日本、美國和加拿大等國相繼開發(fā)了不同用途的巡線機器人,如1988年東京電力公司的Sawada等人研制了具有初步自主越障能力的架空地線巡檢移動機器人;1989年美國TRC公
3、司研制了一臺懸臂自治巡檢機器人,能沿架空線路較長距離地爬行,進(jìn)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點、壓接頭等視覺巡檢任務(wù),但其不具有越障功能;2004年后,隨著發(fā)展和需求,線路巡檢機器人進(jìn)行了越障結(jié)構(gòu)、檢測以及導(dǎo)航等方面的技術(shù)改進(jìn)。2.2電力巡線機器人系統(tǒng)線路巡檢機器人是一套復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng),主要由機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航與定位、巡視掃描裝置、電源與屏蔽封閉機箱和通信系統(tǒng)等幾部分組成。在整個巡檢機器人的發(fā)展歷程中,研究者也主要針對這些組成部分進(jìn)行了改進(jìn)。2.2.1 機械機構(gòu)早在1989年左右,國外就開始了對線路巡檢機器人的研制,并由無跨越功能的巡檢機器人發(fā)展到具有跨越障礙物功能,從驅(qū)動方式上由輪式巡
4、檢機器人歷經(jīng)仿生手臂機器人到輪臂復(fù)合式機器人再到多關(guān)節(jié)輪臂復(fù)合式機器人。典型的輪式機器人為在移動體的兩端安裝有滑動輪,中間形成溝槽,以嵌合電纜,實現(xiàn)在電纜上行走。此類機器人只能在一檔線上工作,不具越障功能,而實際上輸電線桿塔上存在防振錘、絕緣子、懸垂金具、壓接管等設(shè)備,這些都成為機器人在行駛過程中的障礙物,為了完成整個線路的巡檢,就需要由人工帶電作業(yè)將其從障礙物的一側(cè)搬運到另一側(cè),這不僅影響了工作效率,而且也不安全。?P節(jié)機器人,通過多個關(guān)節(jié)點和多個連接棒連接組成,在夾著電線的左右兩端是電磁鐵,其在移動時,通過電磁鐵吸引力夾緊電線并移動,當(dāng)檢測到障礙物時,從碰觸到障礙物最前端的節(jié)點開始,依次切
5、斷電磁鐵的電源開關(guān),這樣,觸碰到障礙物的電磁鐵關(guān)節(jié)就可以打開,穿過障礙物,穿越過障礙物的電磁鐵再閉合開關(guān),再次通過磁鐵吸引力夾緊電線前行。由于結(jié)構(gòu)的限制,其可以跨越一些簡單的障礙物。當(dāng)遇到桿塔時,則仍需人工進(jìn)行輔助搬運,因此,并沒有徹底解決跨越障礙的功能。手臂升降式巡檢機器人,本體上左右兩端分別具有一個仿生手臂,仿生手臂的頂端是夾爪,用來夾住電纜并行走,在遇到障礙物時,通過依次釋放左右兩端的夾爪以及配合升降裝置,使巡檢機器人逐步跨越障礙物,并再次依次夾緊電纜。該巡檢機器人由于夾爪的適應(yīng)性比較強,可以實現(xiàn)各種障礙物的跨越。但是仿生手臂夾爪一方面緊固性不夠,容易產(chǎn)生松動;另一方面,對電纜的損害也比
6、較大。輪臂復(fù)合驅(qū)動巡檢機器人,在移動體兩側(cè)帶有兩個長條形的臂膀,在正常移動式,兩個臂膀不工作,僅僅由移動體上的滑輪夾緊電纜進(jìn)行移動,當(dāng)遇到障礙物時,兩個臂膀頂端的夾爪機構(gòu)分別勾住障礙物兩端的電纜,釋放夾緊電纜的驅(qū)動輪,使移動體脫離電纜,移動體順著臂膀形成的弧形軌道從一端滑行到另一端,實現(xiàn)移動體障礙物跨越,然后將移動體的驅(qū)動輪再次夾緊電纜,釋放臂膀兩頂端的夾爪裝置。輪臂復(fù)合式巡檢機器人結(jié)合了輪式機器人和仿生手臂機器人各自的優(yōu)點,既能實現(xiàn)輪式巡檢機器人蠕動行走功能又能實現(xiàn)仿生手臂式移動機器人爬行的優(yōu)點,因此,在巡檢機器人領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。2.2.2 電源技術(shù)電源作為巡檢機器人的供電設(shè)備,是巡檢機器
7、人不可或缺的一部分。要保證巡線機器人在野外大范圍長時間工作,必須提供持續(xù)可靠的電源。然而由于架空輸電線路巡檢機器人工作環(huán)境的特殊性,除了使用常規(guī)的蓄電池之外,只能依靠機器人本體或者借助線路本身進(jìn)行充電,并且由于承重限制,對充電裝置的改進(jìn)點很少。現(xiàn)有技術(shù)中巡檢機器人的供電裝置大致分為:蓄電池、電流互感充電、燃油發(fā)電機充電和太陽能充電。獨立的蓄電池供電裝置由于受到體積和重量的限制,不能滿足長時間供電要求。因此,在電池電力不夠時,需要進(jìn)行電池更換。除了使用人工輔助從高壓輸電線上取下機器人更換電池,還可以通過使用電池箱空中對接裝置,取下舊電池,并安裝新電池。然而,電池的更換并不能徹底解決供電問題。針對
8、蓄電池的缺陷,部分研究者嘗試采用燃油發(fā)電機為機器人供電,但燃油發(fā)電機需攜帶油箱,工作時受環(huán)境影響大,可靠性差,重量大,因此,實際使用起來并不是很方便。由于巡線機器人一般沿大工作電流的電力線爬行,因此,就產(chǎn)生了直接從電力線上獲取能源的耦合供電方式,采用電流互感器從爬行的輸電線路上獲取感應(yīng)電流作為機器人的工作電源,從而解決了巡線機器人長時間驅(qū)動的動力問題。隨著太陽能充電技術(shù)的發(fā)展,使巡線機器人的供電裝置使用太陽能充電也成為了可能。2.2.3 檢測技術(shù)巡檢機器人主要目的是對線路中存在的損壞和斷線問題進(jìn)行檢測,根據(jù)檢測手段可以分為接觸式檢測和非接觸式檢測。傳統(tǒng)的線路檢測比如斷線問題等,都是通過人工上線
9、檢查或者使用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行視察,這些方法給人身安全帶來重大威脅,也容易造成檢查不準(zhǔn)確。為了解決人工檢測的安全性問題,引入機器人巡檢,早在1988年,日本就已經(jīng)研制出通過在巡檢移動體上設(shè)置投影檢測傳感器或縷檢測傳感器檢測電纜,使用照相機對故障電纜拍照并發(fā)送給地面基地,實現(xiàn)損傷巡檢。這類檢測只能檢測電纜表面故障,針對該缺陷,研發(fā)了可對電纜深入檢測的巡檢機器人,典型的有兩類。第一類利用聲音判斷故障,該類機器人沿電線移動時,使用敲動錘不斷敲擊電線,從而通過麥克風(fēng)產(chǎn)生聲音,將該聲音信號與原設(shè)置的聲音信號進(jìn)行比較,如果聲音頻率有偏差則判定該線纜有損傷,該方法能夠檢測到肉眼看不到的電線損傷。另一類機器人使用紅外
10、技術(shù)檢測,該類機器人本體上設(shè)置微型紅外光成像傳感器,用于確定機器人所在位置,觀察變壓器的局部放電、火花放電、及觀測部位的繞組變形;同時設(shè)置高指向紅外溫度傳感器檢測變壓器鐵軛、分接開關(guān)及套管的可觀測部位的局部溫升,而微型攝像頭,用于采集變壓器內(nèi)部繞組、變壓器鐵軛、分接開關(guān)和套管的可觀測部位的圖像,采集的圖像信息直接送給無線傳輸模塊。由于電纜損傷包括表面損傷以及內(nèi)部損傷,因此,為了全面檢測電纜故障,單一的檢測技術(shù)并不能完全滿足需求,因此,需要融合多種技術(shù)手段同時檢測。針對該需求,融合多種故障檢測裝置的巡檢機器人應(yīng)運而生,其通過超聲傳感器、高速球攝像機、CCD豺目機及紅外熱成像儀等多種技術(shù)手段共同檢
11、測電纜故障。2.2.4 導(dǎo)航與定位巡線機器人的導(dǎo)航與定位,方式比較多樣化,大體上分可以分為全局導(dǎo)航和局部導(dǎo)航;單一技術(shù)導(dǎo)航和多技?g融合導(dǎo)航。具體來講有以下幾種:射頻標(biāo)簽導(dǎo)航通過在電纜上部分位置設(shè)置RFID標(biāo)簽,巡檢機器人上相應(yīng)設(shè)置標(biāo)簽讀寫器,讀取標(biāo)簽及相應(yīng)的編碼,根據(jù)編碼得到巡檢機器人所處的地理坐標(biāo),調(diào)整巡檢機器人移動路線和空間姿態(tài)。視覺導(dǎo)航根據(jù)圖像獲取裝置如照相機、攝像機的個數(shù)分為單目視覺導(dǎo)航、雙目視覺導(dǎo)航以及多目視覺導(dǎo)航,其原理都是通過實時獲取圖像,并將其發(fā)送給控制站,由控制站判斷之后進(jìn)行避障等路徑規(guī)劃。除此之外,還有常用的GP/航、慣性導(dǎo)航以及磁導(dǎo)航等等。雖然巡檢機器人的導(dǎo)航技術(shù)有很多,但是其都存在各自的缺陷,因此,可以通過融合多種導(dǎo)航技術(shù)提高準(zhǔn)確度。比如可以組合使用DGP序口慣性導(dǎo)航技術(shù),當(dāng)DGPSE星信號被干擾時,則采用慣性導(dǎo)航,對DGPS勺缺陷通過慣性導(dǎo)航來加以補充和改進(jìn);又比如通過GIS-GPS模塊以及電磁傳感器陣列共同配合進(jìn)行導(dǎo)航,
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