输电线路断股修补机器人的研究与设计

摘要

输电线路是电力传输网的重要组成部分，长期运行于露天，受复杂气候、内部应力、腐蚀、雷击、外力破坏等因素影响，输电线容易出现导线裂纹、铝线断股及散开等现象。致使输电导线载流能力降低、断股位置局部发热严重和线路间安全距离变短，影响线路安全运行。重则甚至引发输电线路相间短路、闪络等严重事故，所以必须进行修补，及时消除安全隐患。传统人工修补方法需攀爬杆塔并在高空、强电磁场环境中作业，且多是处于断电状态，即使带电检修，也必须身穿绝缘服，存在劳动强度大、危险性高和效率低等不足。使用机器人替代人工作业，能有效降低劳动强度和危险性，提高作业效率。 本文首先对断股修补机器人特定作业环境，以及导线破损、断股修补任务进行分析，总结出利用机器人开展断股修补任务，其本体结构必须具有的功能，从而提出一种夹块式修补作业方法和机器人断股修补工作流程。根据夹块式修补作业方法，提出了输电线路断股修补机器人本体结构设计方案，包括本体移动机构、作业机械臂和夹块式修补末端等三部分，使其能沿线路行走、爬坡以及跨越防振锤。为了提升机器人断股修补作业智能化水平，提出了基于机器视觉的伺服控制方法，弥补传统视觉检测在目标背景复杂和强光照影响下，识别准确率低的不足。采用基于深度学习的导线断股检测方法，使机器人自动移动到导线断股位置。通过双目视觉测量系统获取目标点的空间三维坐标，经作业机械臂运动学模型求解出各关节运动量，而后控制作业机械臂的末端执行器自主定位到目标点，完成将分叉铝线捋直复位和利用夹块式修补末端包裹断股导线等任务。 最后，研制出导线修补机器人实验样机，并完成机器人控制系统软、硬件设计，利用C-sharp语言和VS平台，将提出的视觉检测与伺服控制方法在控制程序中实现。将机器人放置于模拟线路和现场线路进行了实物样机性能测试，包括导线断股检测、目标点定位和断股修补作业，验证了导线修补机器人系统的可行性和稳定性。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3本文主要工作及内容安排

第二章机器人作业环境与断股修补方法

2．1机器人作业环境及任务

2．2机器人断股修补方法

2．3断股修补关键问题探讨

2．4本章小结

第三章断股修补机器人总体机械结构设计

3．1断股修补机器人整体机械结构设计

3．2机器人本体移动机构设计

3．2．1行走轮

3．2．2导线夹爪

3．2．3本体控制机箱

3．3断股修补作业机械臂及修补末端设计

3．3．1包片式断股修补作业机械臂

3．3．2夹块式断股修补作业机械臂

3．3．3修补效果对比

3．4本章小结

第四章导线断股检测方法与视觉控制

4．1基于SSD的导线断股检测方法

4．1．1 ResNet前置网络

4．1．2 SSD网络结构

4．1．3目标损失函数

4．1．4数据集扩充

4．1．5网络训练

4．1．6导线断股检测结果

4．2目标点坐标测量

4．2．1相机成像原理

4．2．2摄像机内参数

4．2．3摄像机外参数

4．2．4目标点坐标计算

4．3作业机械臂运动学分析

4．3．1机械臂模型建立及连杆参数确定

4．3．2作业机械臂的运动学模型

4．4基于模糊-PID的作业机械臂关节控制

4．4．1模糊-PID复合控制器设计

4．4．2模糊控制器

4．5本章小结

第五章断股修补机器人测控系统设计

5．1测控系统整体结构

5．2测控系统硬件组成

5．2．1本体主控制板

5．2．2电机及电机驱动控制器

5．2．3视频图像处理与无线信息传输

5．2．4传感器及其他控制设备

5．2．5机体电源系统

5．2．6地面控制端

5．3测控系统软件设计

5．3．1机载控制系统软件设计

5．3．2地面站人机交互系统软件设计

5．4本章小结

第六章断股修补机器人实验及分析

6．1模拟线路断股导线修补实验

6．1．1实验条件

6．1．2实验过程

6．2．1实验条件

6．2．2实验过程

6．3试验结果及分析

6．4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录