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线圈耳机
曲阜师范大学工学院 董 浩
本文针对高压输电线路提出一种新的机器人设计—智能巡线机器人，本机器人能够对高压输电线路进行巡视检查，标记故障点位置，简单故障由机器人自行处理，复杂故障将故障点位置发送至地面控制中心，地面控制人员可在第一时间内获取线路故障点信息，及时组织人员进行抢修，并且能够依托新兴的“物联网”和“互联网+”技术实现数字化巡检、智能判断故障、机器自学习等功能，可以有效完成对输电线路运行状态的实时监控。机器人携带的维修金具还可以做到对发现的故障实时处理，简单故障可以做到实时排除，复杂故障可以在简易处理之后尽量做到线路不停地、少停电，以此减低经济损失。巡线机器人在高空巡线期间，地面操作人员可在地面遥控，机器人与地面控制中心之间采用无线通讯，从而满足机器人运行数据及图像的传输。通过机器人每个关节的配合，可实现对简单故障进行处理和翻越障碍物。每个关节采用电驱动，舵机及驱动器作为机器人关节结构。机器人是可移动机器人，电源由高能量体积密度和高能量重量密度电池构成。机器人故障处理和翻越障碍时通过传感器识别障碍物。在巡检时依靠传感器来判断线路的运行状态，及时检测判断线路缺陷。 1.引言
众所周知，高压输电线路是电力传输的主要设备之一，它的安全稳定运行直接影响到供电系统的可靠性。电力线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、风吹日晒、材料老化的影响，经常出现断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，可能会造成严重事故（张运楚，梁自泽，谭民，架空电力线路巡线机器人的研究综述），容易造成大范围停电，进而导致系统解列，给社会经济发展
造成巨大的损失。近年来，国家提出智能电网的发展规划，需要以某些设备的更新升级来带动整个电网的智能化，其中非常重要的一环就是巡检的智能化。在重要输电路段或者地形复杂山区等地，人工巡检较困难，且具有较大危险性。机器人巡检可以实现对重点路断、人工难以攀爬线路进行远程监视。而这些目标的实现均离不开具有自主学习、智能远程控制、能够处理多种任务的智能巡线机器人，通过采用先进的巡检方式工具和设备、可以极大地提高巡检效率，缩短线路故障处理时间，快速恢复用电，消除潜在的隐患，从而保证电力系统的安全运行。基于此目的，本文设计了基于智能电网下的智能巡线机器人。
2.总体设计
按照发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的逻辑顺序来设计，本文将从以下四个方面分别来进行介绍：（1）当前电网巡线方式，（2）巡线机器人智能特点，（3）巡线机器人电气系统设计，（4）巡线机器人机械设计。
数控冲床模具2.1 当前电网巡线方式
当前电网的巡线方式主要有地面目测法、航测法和机器人巡检法三种，但前两种方法具有很大的弊端。
地面目测法：采用肉眼对辖区内的电力线进行观测。但是输电线路分布点多较多、地理条件复杂, 巡线工人需要翻山越岭、涉水过河、徒步或驱车巡检.这种方法劳动强度大, 工作效率和探测精度低, 可靠性差（左岐，谢植，梁自泽，唐健隆，孙德辉，刘仁学，巡线机器人的发展与应用）。
无人机航测法：主要通过直升机和无人机巡检两种方式。直升机巡检法，巡检时需与线路保持一定安全距离，降低了检测精度。无人机巡检，不仅需保持安全距离并且续航时间短。而且两种方法均受天气影响大，恶劣天气下无法巡检，受电磁干扰大，并且效费比差，成本高昂。
机器人巡检法就可以有效的解决前两种巡检方法所存在的弊端，机器人巡检可用于常规检测与简易维修，具有故障判别准确的特点。基于此，我们团队设计了更加先进的智能巡线机器人，机器人的四个主要组成部分：运动机械臂、主摄像头、可更换任务模块、主机箱。
2.2 巡线机器人的智能特点
本文设计的巡线机器人可以实现在物联网下的高效远程控制，具有大数据下的智能自学习系统、灵活多变的任务模块和智慧电源系统。它是悬挂在高压输电线路上进行巡检，并通过物联网将数据传输到后台大数据中心，大数据中心可对数据进行自处理，运用互联网+技术，工作人员可通过电脑对巡线机器人进行实时监测和远程控制。
物联网下的高效远程控制：巡检机器人将获取的信息通过移动数据网络上传后台大数据中心进行备份处理，后方总控中心可以实时监控机器人的实时情况并对机器人进行控制，通过互联网，维修人员也可以在获得许可的PC 端和安装app 的移动端实时获取数据以及实时控制。这样维修人员就可以在不攀爬塔线的情况下实时了解故障情况。
灵活多变的任务模块：在机器人的上部设有可拓展的任务模块，可以根据任务需要有选择的更换金具维修模块、除冰模块、额外探测模块以及额外电源模块。从而适应不同的任务环境，做到实时维修，使检测更加细致，机器人的运行稳定性更高。
智慧电源系统：机器人配置了带有智慧电池管理系统的双供电系统，在带电线路运行时采用动线供电，并且向锂电池充电，充电完成后停止充电；当运行到因故障停电线路时，则由锂电池供电，从而实现机器人能够在不同的任务环境下正常运行。智慧电池管理系统可以根据当前的运行环境智能调整供电方案以延长电池寿命，从而提高机器人全寿周期的性价比。
智能自学习系统：巡线机器人可以做到将采集的数据实时传回大数据中心进行备份，大数据中心会对采集的数据以及机器人的控
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制策略进行分析，并进行优化，最后将优化更新后的程序通过通信系统在机器人不返回总控中心的情况下，分发到各机器人，从而实现系统升级，实现机器人的自学习过程。
2.3 动力部分和电气系统
主要由两个机械臂和V型轮轴承以及驱动电机组成，图像由高清广角摄像头采集经过TS832传输至RC832，传输距离高达1000米以上，通过显示器可以看到图像。
我们团队还设计了详细的电气系统方案和机械系统方案以满足实际的运行需要。巡线机器人电气系统，分为通讯系统、传感系统、电磁屏蔽系统和缺陷检测系统。
通信系统，在有4G信号时使用4G网络，在偏远没有信号的地区则使用沿线架设的700MHz无线网络进行通信，未来还会根据智能电网的发展程度而加入动线载波通信。
传感系统，主要由超高清4K可见光摄像机或者红外摄像机或者紫外摄像机和fpv图传系统组成。
电磁防护系统，机器人在结构设计上采用带有电磁屏蔽功能的金属件封装；内部数据传输线采用屏蔽双绞线设计；传感器信号输入端采用瞬变二极管进行保护；采用等电位作业，通过地线接触轮与地线进行接触，将机器人在电磁环境中感应产生的电气干扰传输至地线上，通过电磁滤波降低辐射对通信系统的干扰。
缺陷检测系统，用来检测输电线路器件的锈蚀、缺失、移位，导线的松股与断股和缺损的绝缘子片。
红外摄像头可以显示热故障，通过图像的方式显示热分布，并且安全性较高，不影响机器人的运行状态，自动捕捉温度点，显示温度的分布情况，且扫描半径广泛，测温范围宽，精度高。
2.4 巡线机器人的机械设计
仿生越障系统是以灵长类动物的攀爬特性为切入点，对机器人
的运动系统进行仿生学设计。
图1 机器人机械结构设计
而灵活多变的任务模块是指在机箱中部设置成品的可扩展任务模块，例如：金具维修模块、除冰模块、额外探测模块、电池模块等等。方便根据任务适时替代更换。发现故障后可进行简易处理。
3.硬件设计
3.1 控制器的选择
控制器选择K60N512VM100芯片。芯片内部由多组电源引脚构成，分别为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换等电路，内部电压调节器为振荡器和内核供电。为了电源稳定，MCU内部包含多组电源电路，同时引出多处电源引脚，方便外接滤波电容的接入。为了电源平衡，MCU提供了内部相连的地的多处引出脚，供电路设计使用（144引脚K60的IO端口资源列表：百度文库）。3.2 驱动电路的设计
本机器人使用团队自行设计的L298N驱动模块，通过控制器给驱动模块发出控制信号，进而决定机器人的运动方式和运动速度。
3.3 机器人基本工作原理和图像传输系统铜编织线
肘型电缆头
多点干油泵
机器人基本原理是将远程采集图像传回地面接收端，并且可以实时控制机器人的运动方式，若机器人检测到简单故障，可通过运动机械臂处理故障，如果故障比较严重，线路损害十分厉害，机器人自行无法修补，便将该点处的GPS定位发送至单片机，单片机采集到信号后，传回地面控制系统，并告知工作人员此处有故障需要
金刚石碎片
及时维修。流程图可简写为：
图2 机器人的工作流程图
4.软件设计
软件通过I AR进行编程处理，主要有图像处理程序，传输控制程序，电机PWM调制，其中算法主要采取串级P ID进行闭环处理。程序语言使用C语言编程，闭环控制大大提高了机器人抗干扰能
力，确保机器人系统的稳定性。
图3 红外摄像头图像
5.总结
目前，智能电网建设和增强供电可靠性已上升为国家战略（分析电力智能巡检机器人行业市场发展趋势：电力高级人才网），本文设计的智能巡线机器人能够对高压输电线路进行巡视检查，标记故障点位置，简单故障由机器人自行处理，复杂故障将故障点位置发送至地面控制中心，地面控制人员可在第一时间内获取线路故障点信息，及时组织人员进行抢修。机器人可以做到对发现的故障实时处理，简单故障可以做到实时排除，复杂故障可以在简易处理之后，尽量做到线路少停电、不停电，停电后迅速查询故障点位置，快速恢复用电，减少经济损失，提高社会经济效益。
作者简介：董浩（1998—），山东滨州人，大学本科，现就读于曲阜师范大学工学院。
