高压输电线路自动巡线机器人电控系统的研究与开发

摘要

高压输电线路巡线机器人是机器人研究领域的前沿课题之一，是一种具有广阔应用前景的特种作业机器人。目前在我国，高压线路的巡检、维护基本上采用人工沿线逐塔巡视的作业方式，作业劳动强度大、费用高且危险性大，急需有可以取代人力进行线路维护的巡检方法和设备。巡线机器人给输电线路的巡视提供了新的概念和工作方式。在输电线路的巡检中使用机器人，不仅可以减轻巡线作业的强度，降低费用，也可以提高巡检作业的质量和管理技术水平，更保证了工作人员的安全。 目前国内外在这一方面的研究成果，特别是巡线机器人智能控制系统方面的研究成果还十分有限。本论文提出了一种可携带检测仪器和通讯装置，以22万伏高压输电线路地线为行驶路径，可自主完成输电线路巡检任务的巡线机器人电控系统。本文的主要研究内容及创新点如下： 首先，在分析了输电线路结构和巡线作业特点的基础之上，设计巡线机器人的电控系统，以PC104嵌入式系统作为机器人的主控系统，以聚合物锂电池组作为机器人的供电模块，以13套无刷直流电机伺服系统作为机器人各关节的驱动，以光电开关，接近开关，超声波传感器的不同组合构成机器人的感知装置。 其次，针对巡线机器人对伺服系统体积和重量的特殊要求，采用无刷直流电机作为机器人的伺服系统，并分析了抑制无刷直流电机转矩脉动的控制方案。通过仿真验证了此控制方案的可行性，但由于时间的限制，至今仅搭建了硬件系统，控制软件还有待进一步完善。 第三，针对22万伏高压输电线路上的各种障碍物，本文提出了一种结合人工控制、专家规则库、手爪微调控制、机身平衡控制、出错自动处理和最优运动轨迹设计的巡线机器人综合控制策略，并在实验线路上实现了巡线机器人自动行走、检测和自动翻越防震锤、耐张塔、猫头塔。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2 机器人关键技术

1.3 国内外巡检类机器人的研究概况

1.4 课题的意义

1.5 本课题巡线机器人的机械结构

1.6 本课题巡线机器人的图像处理和通讯

1.7 本课题的主要工作

第二章自动巡线机器人电控系统

2.1 自动巡线机器人的总体结构

2.2 主控制模块

2.3 伺服驱动系统模块

2.4 供电模块

2.5 检测模块

2.5.1 智能机器人对传感器的要求

2.5.2 巡线机器人的手爪传感器选型

2.5.3 检测障碍物传感器的选型

第三章巡线机器人无刷直流电机伺服系统

3.1 无刷直流电机伺服系统的基本原理

3.1.1 伺服系统的组成及原理

3.1.2 无刷直流电机的组成及原理

3.2 无刷直流电机转矩脉动的分析及其抑制方法

3.2.1 无刷直流电机转矩脉动的分析

3.2.2 无刷直流电机转矩脉动的抑制

3.3 系统仿真

3.3.1 仿真系统组成

3.3.2 仿真结果

3.4 无刷直流电机伺服系统实验装置的实现

3.4.1 控制系统总体结构设计

3.4.2 主电路设计

3.4.3 控制器设计

第四章自动巡线机器人的控制

4.1 巡线机器人的人机交互系统

4.2 基于规则库的机器人自动行走

4.2.1 产生式系统

4.2.2 规则库运行机理

4.2.3 规则库的建立

4.3 巡线机器人手爪的微调控制

4.3.1 手爪搜寻地线时的微调控制

4.3.2 手爪搜寻角钢时的微调控制

4.4 双臂巡线机器人的平衡控制

4.5 出错自动处理

4.6 机器人的运行轨迹设计

4.7 实验结果

第五章结论与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致 谢