CN114362286B - 一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了架空输电线路巡检技术领域的一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统及方法。系统包括间隔设定距离安装在架空输电线路的杆塔上的若干个充电站；所述充电站包括太阳能组件、智能配电柜和充电座，所述智能配电柜分别与所述太阳能组件和所述充电座电连接；所述充电座内设置有底座电极，所述底座电极上安装有喇叭形插入口，所述喇叭形插入口用于使巡检机器人的充电插头通过所述喇叭形插入口插入所述充电座，从而使底座电极与安装在充电插头上的插头电极电连接。本发明具有充电对接成功率高，巡检机器人巡检效率高等特点。

Description

一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统及方法

技术领域

本发明属于架空输电线路巡检技术领域，具体涉及一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统及方法。

背景技术

随着电网规模的扩大和智能化巡检要求的提高，利用机器人对架空输电线路进行检查已成为近年来的研究热点。但是高压输电线路多分布在野外，跨越山川湖泊，机器人能量补给存在困难。因此，为满足机器人全天候在线工作的要求，机器人能量补给是一个急需解决的问题。同时，需对机器人充电策略进行研究，从而进一步提高线路巡检机器人的工作效率，提升机器人实用化水平。目前，机器人能量在线补给的方式有感应取电、本体太阳能充电及杆塔处设置充电站等，但在目前的应用中，存在着充电站故障率高、充电对接成功率低、充电站部署不合理等问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统及方法，具有充电对接成功率高，巡检机器人巡检效率高等特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面，提供一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统，包括间隔设定距离安装在架空输电线路的杆塔上的若干个充电站；所述充电站包括太阳能组件、智能配电柜和充电座，所述智能配电柜分别与所述太阳能组件和所述充电座电连接；所述充电座内设置有底座电极，所述底座电极上安装有喇叭形插入口，所述喇叭形插入口用于使巡检机器人的充电插头通过所述喇叭形插入口插入所述充电座，从而使底座电极与安装在充电插头上的插头电极电连接。

进一步地，在所述底座电极和所述充电座之间设有若干个用于改变所述底座电极的水平位置的调节弹簧。

进一步地，所述充电插头安装在巡检机器人的导向孔内，所述导向孔内设置有压紧检测传感器，在所述压紧检测传感器和所述充电插头之间设置有用于支撑充电插头的支撑弹簧。

进一步地，所述太阳能组件采用单晶硅太阳能电池并采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装。

进一步地，所述智能配电柜内设置有蓄电池，所述蓄电池通过太阳能充放电控制器分别与所述太阳能组件和所述充电座电连接；所述太阳能组件的功率是所述蓄电池功率的1.5倍。

进一步地，所述太阳能充放电控制器通过GPRS模块与智能管理平台通信连接。

第二方面，提供一种架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，基于第一方面所述的架空输电线路巡检机器人塔上充电系统，包括：建立巡检机器人工作能耗模型；根据建立的巡检机器人工作能耗模型确定充电站的部署方案；基于充电站的部署方案，根据巡检机器人本体电池的剩余电量选择设定的充电模式进行充电。

进一步地，所述巡检机器人工作能耗模型为：

W_z＝W_w+W_r+W_o (1)

其中，W_z表示巡检机器人在第z个档段的能量损耗，W_w表示巡检机器人在单档距内的作业能量损耗，W_r表示巡检机器人在单档距内的行走能量损耗，W_o表示巡检机器人在单档距内的越障能量损耗；

W_w＝P_w.n.t (2)

其中，P_w表示巡检机器人巡检作业功率，n表示不同巡检类型下巡检点数量，t表示单次作业时间；

其中，M_q表示上坡驱动力矩，M_z表示下坡驱动力矩，r表示行走轮内径，L₁表示上坡段弧长，L₂表示下坡段弧长；

W_o＝W_r′+W_P·x+W_e·y+W_l·z (6)

其中，W_r′表示巡检机器人在越障时的行走能耗，W_P表示巡检机器人的压紧轮压紧、松开能耗，W_e表示巡检机器人的横向模组展开、收拢能耗，W_l表示巡检机器人的手臂扭转关节的闭锁及打开能耗，x表示压紧轮压紧或松开的次数，y表示横向模组展开或收拢的次数，z表示手臂扭转关节的闭锁及打开次数。

进一步地，所述充电站的布局方案，满足：

其中，E表示巡检机器人本体电池提供给巡检机器人的有效工作电能，W_z表示巡检机器人在第z个档段的能量损耗，表示巡检机器人在非巡检模式下，在第i个档段行走和越障所消耗的电能，q表示充电站所部署的档段，s表示安全系数。

进一步地，所述充电模式包括：顺路充电、紧急充电和人为控制充电；所述顺路充电，指正常巡检情况下，当巡检机器人路过充电站时即进行能量补给，完成补给后继续线路巡检任务；所述紧急充电，指当目标充电站不满足巡检机器人顺路充电需求时，巡检机器人暂停当前巡检任务，并自动插入紧急充电任务，以非巡检模式返回上一充电站进行能量补给，完成补给后折返并继续原巡检任务；所述人为控制充电，指当人工选择目标充电站并下发充电指令后，巡检机器人暂停当前巡检任务，并评估当前巡检机器人本体电池的剩余电量，若满足到达目标充电站的要求，则行驶至目标充电站进行充电；若不满足到达目标充电站的要求，则返回失败原因并推荐可行方案供用户选择。

进一步地，在巡检机器人充电前，巡检机器人执行以下检测及对接流程：1)巡检机器人利用压紧轮上的碰检传感器检测过桥支撑板，当碰检到安装有充电座的过桥支撑板后巡检机器人停止；2)巡检机器人的压紧轮下降并前进一定距离，行驶至充电座的下方；3)巡检机器人的压紧轮上升，带动充电插头插入充电座中；4)当巡检机器人的压紧轮上升至压紧检测传感器有信号时停止上升，并判断充电接口电压，当检测到电压时表明对接成功，开始充电；当未检测到电压时，巡检机器人的压紧轮下降，然后重复2～4动作直至对接成功。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明通过间隔设定距离在架空输电线路的杆塔上安装充电站及设置喇叭形插入口从而方便充电座内的底座电极与安装在充电插头上的插头电极顺利连接，具有充电对接成功率高，巡检机器人巡检效率高等特点；

(2)本发明通过分析巡检机器人的能耗，建立巡检机器人的能耗模型，进而确定巡检机器人的部署方案，从而使充电站的部署更加合理，提高了巡检机器人的巡检效率，降低了巡检故障率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统的整体方案示意图；

图2是本发明实施例提供的一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统中充电站的系统结构示意图；

图3是本发明实施例中充电座与巡检机器人对接前的状态示意图；

图4是本发明实施例中充电座的剖面结构示意图；

图5是本发明实施例中巡检机器人的充电插头的剖面结构示意图；

图6是本发明实施例中巡检机器人与充电座对接过程中的不同状态示意图；

图7是本发明实施例中巡检机器人与充电座充电对接位置微调算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1～图5所示，一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统，包括间隔设定距离安装在架空输电线路的杆塔上的若干个充电站；充电站包括太阳能组件1、智能配电柜2和充电座3，智能配电柜2分别与太阳能组件1和充电座3电连接。

一、机器人塔上充电方案设计

1)在线充电总体方案

线路巡检机器人巡检总体方案如图1所示，机器人通过自动上下线系统进入架空输电线地线进行巡检工作。

机器人通过自动上下线系统进入架空输电线地线进行巡检工作。工作过程包括：行走、巡检点作业、越障、在线充电、巡检结束下线等环节。为满足机器人全天候在线工作的要求，在施工阶段将综合线路总长、机器人续航能力、杆塔结构特点，规划在固定杆塔建立太阳能充电基站，设置充电接口。当机器人需要充电时，机器人按照规划路径前往充电基站；到达充电基站所处杆塔后，按照设定流程进行充电对接开始能量补给；完成补给后，按照规划进行充电复位并继续进行巡检工作。

2)塔上充电系统

为提高充电站的安全性及可靠性，塔上充电装置采用模块化设计，塔上充电系统模块框图如图2所示，分为太阳能组件1、智能配电柜2、智能管理平台4三大核心模块；智能配电柜2内设置有蓄电池21，蓄电池21通过太阳能充放电控制器22分别与太阳能组件1和充电座3电连接；太阳能组件1的功率是蓄电池功率的1.5倍。

太阳能充放电控制器22通过GPRS模块23与智能管理平台4通信连接。

太阳能组件1采用单晶硅太阳能电池并采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装。

(1)太阳能组件

为提高太阳能电池的光电转换效率，选用单晶硅太阳能电池并采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，提高其可靠性和使用寿命。根据前期试点情况，除需考虑当地环境因素及不同地区的气候及日照条件等客观条件外，为提高充电系统供电可靠性，避免极端天气出现造成供电不足，将太阳能电池的功率提升至本体电池需求的1.5倍。

(2)智能配电柜

充电系统需长期运行在野外自然环境下，工作环境恶劣，因此在满足IP67防护的智能配电柜中集成太阳能充放电控制器、GPRS串口服务器模块、光伏防雷器、直流空开及蓄电池等关键部件，从而提高关键部件的安全性、工作可靠性和维护的便捷性。

(3)智能管理平台

通过管理平台，可远程监测太阳能系统运行数据，实现远程监控中心对多个充电基站的发电状态、蓄能状态、负载能耗的监视、数据分析和故障预警；通过远程控制，实现对用电设备的启动和停止操作，确保系统的安全运行。

二、充电接口及充电对接方法

1)机器人充电接口设计

机器人充电接口的设计如图3～图5所示，分为安装于过桥支撑板5处的充电座3和安装于机器人压紧轮6处的充电插头7两部分组成。充电插头7与充电座3对准后，通过压紧轮6的上升，带动充电插头7插入充电座3中，实现充电接口的对接。

充电座3内设置有底座电极31，底座电极31上安装有喇叭形插入口32，喇叭形插入口32用于使巡检机器人的充电插头7通过喇叭形插入口32插入充电座3，从而使底座电极31与安装在充电插头7上的插头电极71电连接。

在底座电极31和充电座3之间设有若干个用于改变底座电极31的水平位置的调节弹簧，包括左右调节弹簧33和前后调节弹簧34，调节弹簧配合喇叭口设计，大大提高了充电对准的效率，节省了充电时间，提高了巡检效率。

充电插头7安装在巡检机器人的导向孔72内，导向孔72内设置有压紧检测传感器73，在压紧检测传感器73和充电插头7之间设置有用于支撑充电插头7的支撑弹簧74。

由于机器人户外充电所处环境复杂，为提高充电接口对接的环境适应性，机器人充电底座设计如图4所示，有前、后、左、右四个方向的调节弹簧，可适应水平面四个方向的摆动变化，同时充电底座采用喇叭形插入口设计，从而克服传统插针与插孔对准难的问题。充电插头设计如图5所示，在插头内部弹簧的支撑下，插头可沿导向槽上下滑动并限制了其周向转动；充电底座与充电插头电极均采用抗氧化材质，电极之间采用点面接触进一步提高了接触的可靠性，插头底部设置有压紧检测传感器，感应当前充电对接的压紧情况。

2)机器人充电对接方法

机器人充电对接流程如图6所示，当机器人进入充电站后，机器人低速行驶，开始充电座检测及对接流程：①利用压紧轮上的碰检传感器(图3中的附图标记8)检测过桥支撑板，当碰检到安装有充电座的过桥支撑板后机器人停止；②机器人压紧轮下降并前进一定距离，行驶至充电座的正下方；③机器人压紧轮上升，带动充电插头插入充电座中；④当压紧轮上升至压紧检测传感器(图5中的附图标记73)有信号时停止上升，并判断充电接口电压，当检测到电压时表明对接成功，开始充电；当未检测到电压时，充电对接的压紧轮下降，然后重复②③④动作进行对准距离微调。

机器人充电对接位置微调算法流程如图7所示。根据充电座安装位置设定机器人初次对接行走的基准距离，如对接不成功，以该基准距离点为中心，开始前后多次对接微调整，单次微调距离为2mm，并根据压紧轮尺寸限制，设定前后最大可各调整10次，从而可适应±20mm的对接误差。

本实施例通过间隔设定距离在架空输电线路的杆塔上安装充电站及设置喇叭形插入口从而方便充电座内的底座电极与安装在充电插头上的插头电极顺利连接，具有充电对接成功率高，巡检机器人巡检效率高等特点。

实施例二：

基于实施例一所述的一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统，本实施例提供一种架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，包括：建立巡检机器人工作能耗模型；根据建立的巡检机器人工作能耗模型确定充电站的部署方案；基于充电站的部署方案，根据巡检机器人本体电池的剩余电量选择设定的充电模式进行充电。

三、机器人能耗模型

1)机器人巡检过程工况分析

对一个典型档距内机器人的运行过程进行划分，并根据每个运行过程中的功率及持续时间计算机器人在单档距内的作业能量损耗W_w，行走能量损耗W_r，越障能量损耗W_o，进而得到巡检机器人在某一档距内的能量损耗模型：

W_z＝W_w+W_r+W_o (1)

其中，W_z表示巡检机器人在第z个档段的能量损耗，W_w表示巡检机器人在单档距内的作业能量损耗，W_r表示巡检机器人在单档距内的行走能量损耗，W_o表示巡检机器人在单档距内的越障能量损耗；

并依据机器人本体电池容量及线路信息得出：机器人对某一线路的巡检作业续航能力及对某一线路的非作业情况下的续航能力；从而得出符合某一线路需求的充电站布局方案和机器人充电策略。

2)机器人工作能耗模型

(1)作业能耗分析

机器人作业方式为机器人驻停后调节云台角度对巡检目标进行拍照，因此其功率与机器人待机功率近似相等为P_w；单次作业时间为t，作业持续时间仅与巡检点数量相关，不同巡检类型下巡检点数量为n；因此某一档距内的作业能耗为：

W_w＝P_w.n.t (2)

其中，P_w表示巡检机器人巡检作业功率，n表示不同巡检类型下巡检点数量，t表示单次作业时间。

(2)行走能耗分析

结合线路实际情况，采用斜抛物线公式对输电线路的悬链线公式进行简化，并对机器人上下坡行走过程进行理论分析，得出机器人上下坡时的力学模型：

上坡时：

M_q＝Gr sinθ+δ(G cosθ+F′) (3)

下坡时：

M_z＝Gr sinθ+δ(G cosθ+F′) (4)

式中：M_q为上坡驱动力矩；M_z为下坡驱动力矩；G为机器人重力；r为行走轮内径；θ为地线任意一点坡度；δ为滚动摩阻系数；F′为机器人压紧轮的压紧力；

档距内总弧长为L，机器人上坡段弧长记为L₁，下坡段弧长记为L₂，则机器人行走功耗为：

(3)越障能耗分析

根据障碍物不同，机器人采用不同的越障动作，越障能耗主要分为巡检机器人在越障时的行走能耗W_r′、压紧轮压紧、松开能耗W_p，横向模组展开、收拢能耗W_e，手臂扭转关节的闭锁及打开能耗W_l，根据桥类型的不同，采用不同的动作序列，因此机器人越障功耗为：

W_o＝W_r′+W_P.x+W_e.y+W_l.z (6)

其中，根据不同的障碍物类型，x表示压紧轮压紧或松开的次数，y表示横向模组展开或收拢的次数，z表示手臂扭转关节的闭锁及打开次数。

四、充电站布局及充电策略

1)充电站布局

对太阳能充电站进行布局规划时，需遵循两个原则：(1)机器人本体电池巡检工作里程必须要大于太阳能充电基站间距，以实现连续巡检；(2)机器人充电不成功时本体剩余电量可供机器人以非工作模式(仅行走和越障)快速返回至上一充电站进行能量补给，以确保机器人不会出现失电。

依据以上两个原则，结合实际线路工况参数计算机器人持续巡检的续航能力，同时考虑机器人本体电池能量转换效率、不同工作温度下容量会发生相应变化，以及随使用时间电池本身性能的衰减，特引入安全系数s，即可得出机器人充电站布局方案：

其中，E表示巡检机器人本体电池提供给巡检机器人的有效工作电能，W_z表示巡检机器人在第z个档段的能量损耗，表示巡检机器人在非巡检模式下，在第i个档段行走和越障所消耗的电能，q表示充电站所部署的档段，s表示安全系数。

2)充电策略

机器人充电方式可分为：顺路充电、紧急充电、人为控制充电三种方式。根据充电方式的不同采用不同的充电策略：

(1)顺路充电

机器人充电站的布局满足机器人顺路充电需求，所以正常巡检情况下，当机器人路过充电站时即进行能量补给，完成补给后继续线路巡检任务，从而实现巡检任务与能量补给的协同。

(2)紧急充电

当目标充电站因故障或其它问题不满足机器人顺路充电需求时，机器人暂停当前巡检任务，并自动插入紧急充电任务，以非巡检模式返回上一充电站进行能量补给，完成补给后折返并继续原巡检任务。

(3)人为控制充电

当人工选择充电站并下发充电指令后，机器人导航模块会自动规划出行驶路径，并按规划路径评估机器人当前电量是否满足到达目标充电站，如满足则执行充电任务，不满足则返回失败原因并推荐可行方案供用户选择。

在巡检机器人充电前，巡检机器人执行以下检测及对接流程：

1)巡检机器人利用压紧轮上的碰检传感器检测过桥支撑板，当碰检到安装有充电座的过桥支撑板后巡检机器人停止；

2)巡检机器人的压紧轮下降并前进一定距离，行驶至充电座的下方；

3)巡检机器人的压紧轮上升，带动充电插头插入充电座中；

4)当巡检机器人的压紧轮上升至压紧检测传感器有信号时停止上升，并判断充电接口电压，当检测到电压时表明对接成功，开始充电；当未检测到电压时，巡检机器人的压紧轮下降，然后重复2～4动作直至对接成功。

本实施例通过分析巡检机器人的能耗，建立巡检机器人的能耗模型，进而确定巡检机器人的部署方案，从而使充电站的部署更加合理，提高了巡检机器人的巡检效率，降低了巡检故障率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，其特征在于，基于一种架空输电线路巡检机器人塔上充电系统，所述系统，包括间隔设定距离安装在架空输电线路的杆塔上的若干个充电站；所述充电站包括太阳能组件、智能配电柜和充电座，所述智能配电柜分别与所述太阳能组件和所述充电座电连接；

所述充电座内设置有底座电极，所述底座电极上安装有喇叭形插入口，所述喇叭形插入口用于使巡检机器人的充电插头通过所述喇叭形插入口插入所述充电座，从而使底座电极与安装在充电插头上的插头电极电连接；

所述方法，包括：

建立巡检机器人工作能耗模型；

根据建立的巡检机器人工作能耗模型确定充电站的部署方案；

基于充电站的部署方案，根据巡检机器人本体电池的剩余电量选择设定的充电模式进行充电；

其中，所述巡检机器人工作能耗模型为：

W_z＝ W_w+ W_r+W_o (1)

其中，W_z表示巡检机器人在第z个档段的能量损耗，W_w表示巡检机器人在单档距内的作业能量损耗，W_r表示巡检机器人在单档距内的行走能量损耗，W_o表示巡检机器人在单档距内的越障能量损耗；

W_w＝ P_w .n .t (2)

其中，P_w表示巡检机器人巡检作业功率，n表示不同巡检类型下巡检点数量，t表示单次作业时间；

其中，M_q表示上坡驱动力矩，M_z表示下坡驱动力矩，r表示行走轮内径，L₁表示上坡段弧长，L₂表示下坡段弧长；

W_o＝ W_r′+W_P .x+W_e .y+W_l .z (6)

其中，W_r′表示巡检机器人在越障时的行走能耗，W_P表示巡检机器人的压紧轮压紧、松开能耗，W_e表示巡检机器人的横向模组展开、收拢能耗，W_l表示巡检机器人的手臂扭转关节的闭锁及打开能耗，x表示压紧轮压紧或松开的次数，y表示横向模组展开或收拢的次数，z表示手臂扭转关节的闭锁及打开次数；

所述充电站的布局方案，满足：

其中，E表示巡检机器人本体电池提供给巡检机器人的有效工作电能，W_z表示巡检机器人在第z个档段的能量损耗，表示巡检机器人在非巡检模式下，在第i个档段行走和越障所消耗的电能，q表示充电站所部署的档段，s表示安全系数；

所述充电模式包括：顺路充电、紧急充电和人为控制充电；

所述顺路充电，指正常巡检情况下，当巡检机器人路过充电站时即进行能量补给，完成补给后继续线路巡检任务；

所述紧急充电，指当目标充电站不满足巡检机器人顺路充电需求时，巡检机器人暂停当前巡检任务，并自动插入紧急充电任务，以非巡检模式返回上一充电站进行能量补给，完成补给后折返并继续原巡检任务；

所述人为控制充电，指当人工选择目标充电站并下发充电指令后，巡检机器人暂停当前巡检任务，并评估当前巡检机器人本体电池的剩余电量，若满足到达目标充电站的要求，则行驶至目标充电站进行充电；若不满足到达目标充电站的要求，则返回失败原因并推荐可行方案供用户选择；

在巡检机器人充电前，巡检机器人执行以下检测及对接流程：

1)巡检机器人利用压紧轮上的碰检传感器检测过桥支撑板，当碰检到安装有充电座的过桥支撑板后巡检机器人停止；

2)巡检机器人的压紧轮下降并前进一定距离，行驶至充电座的下方；

3)巡检机器人的压紧轮上升，带动充电插头插入充电座中；

4)当巡检机器人的压紧轮上升至压紧检测传感器有信号时停止上升，并判断充电接口电压，当检测到电压时表明对接成功，开始充电；当未检测到电压时，巡检机器人的压紧轮下降，然后重复2)～4)动作直至对接成功。

2.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，其特征在于，在所述底座电极和所述充电座之间设有若干个用于改变所述底座电极的水平位置的调节弹簧。

3.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，其特征在于，所述充电插头安装在巡检机器人的导向孔内，所述导向孔内设置有压紧检测传感器，在所述压紧检测传感器和所述充电插头之间设置有用于支撑充电插头的支撑弹簧。

4.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，其特征在于，所述太阳能组件采用单晶硅太阳能电池并采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装。

5.根据权利要求1所述的架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，其特征在于，所述智能配电柜内设置有蓄电池，所述蓄电池通过太阳能充放电控制器分别与所述太阳能组件和所述充电座电连接；所述太阳能组件的功率是所述蓄电池功率的1.5倍。

6.根据权利要求5所述的架空输电线路巡检机器人塔上充电方法，其特征在于，所述太阳能充放电控制器通过GPRS模块与智能管理平台通信连接。