电力线路巡检机器人飞机及其控制系统

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技术领域
本发明属于机器人及自动化技术领域，特别是提供了一种电力线路巡检机器人 飞机及其控制系统。
背景技术
随着我国经济高速全面发展，对能源的需要越来越大，超高压大容量电力线路大 幅扩建。线路走廊需要穿越各种复杂的地理环境，如经过大面积的水库、湖泊和崇山 峻岭等，这些都给电力线路的检测带来很多困难。特别是对于电力线路穿越原始森林 边缘地区、飞播林区和高海拔、冰雪覆盖区，以及沿线存在频繁的滑坡、泥石流等地 质灾害，大部分地区山高坡陡，交通、通讯极不发达时，如何解决电力线路的日常检 测成为困扰电力行业的一个重大难题。与此同时，社会和经济的发展对能源安全提出 了越来越高的要求，突发性的大规模输电故障将会导致巨大的经济损失，影响经济的 平稳运行和社会稳定。这就要求电力线路检测更加准确及时，为能源安全提供有力保 障。
目前，我国电力线路的巡检工作主要由人工完成，而人工巡检存在安全，效率低， 准确性差等问题。目前的高压电力线路已达到几百千伏以上，传统的人工巡检采用攀 爬电力线铁塔的方式，有着极大的安全隐患。大量电力线路穿越无人区，人工巡检从 地理上受到严重的限制。人体活动的范围受到体能的约束，检测的距离有限。人工对 电力线路进行观测，用经验判断线路是否出现故障，也容易造成失误，准确性不高。
国外使用直升机代替人工进行电力线路的日常巡检工作已经比较流行，国内也开 始探索。从国内外的使用经验反馈来看，人工驾驶直升机进行电力线路检测有适应性 差，安全性低，费用高昂等缺点。我国的低空领域是受国家管制的，民用航空有关问 题如飞行路线，飞行时间等都必须经过民航部门的批准。电力线路架空高度较低，使 用直升机进行巡检须低空沿线飞行，空中情况复杂，飞行员需要随时与线路保持视线 接触，同时进行正常的飞行操作，大大加大了操作难度。在一般的飞行员手册中都有 “避免贴近高压电线飞行”的规定，巡线飞行反其道而行之，与高压线保持近距离平 行飞行，飞行速度较快，危险性大为增加，在国外已经多次发生巡检直升机坠机事故。
随着机器人技术的发展，采用机器人进行电力线路的巡检逐渐引起关注。目前， 国内电力线检测机器人的研究集中在行走机器人方向。中国科学院自动化所张运楚、 梁自泽和谭民等在《机器人》2004年第26卷第5期上发表的《架空电力线路巡线机 器人综述》和赵晓光，梁自泽，谭明等在《华中科技大学学报》2004年第32卷增刊 上发表的《高压电力线行走机器人仿真》两篇文章中详细阐述了行走机器人用于电力 线检测的原理和目前的发展水平。采用行走机器人进行电力线路的检测采用沿架空地 线自主行走方式，相比传统检测具有费用低，安全性高，可靠性高等优点，但还存在 对地面仪器的依赖性高，不能很好的适应复杂的地理环境等不足，也还存在行进速度 慢，检测效率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供电力线路巡检机器人飞机及其控制系统，解决传统检测方 式存在的费用高，安全性差，可靠性不高的问题。和行走机器人检测方式相比机器人 飞机检测具有环境适应能力好，高度智能化，检测效率高等优点。
电力线巡检机器人飞机是一种利用智能机器人技术，结合航空技术，电力检测技 术的新型智能化电力线路检测系统。它由地面控制站和具有高度智能化的，能实现自 主飞行的微型直升飞机及其搭载的各种检测传感器，控制传感器和在线检测和飞行路 径规划系统构成。
本发明的电力线路巡检机器人飞机由飞机起落架1、前置发动机2、输出减速驱 动机构3、电荷耦合器CCD摄像机4、内部组件固定支架5、后置发动机6、后置 发动机燃料储存配给系统7、下螺旋桨8、检测传感器信号接收及发送组件9、俯 仰姿态控制机构10、偏航姿态控制机构11、蓄电池12、嵌入式计算机控制系统 13、GIS系统14、下螺旋桨偏转机构15、上螺旋桨偏转机构16、GPS系统17、 自动巡航状态与人工控制接口模块18、上螺旋桨19、前置发动机燃料储存配给系 统20组成。其结构采用共轴双螺旋桨(下螺旋桨8和上螺旋桨19)反向驱动结构， 采用两个发动机(前置发动机2和后置发动机6)分别驱动两个螺旋桨反向旋转，通 过控制两个发动机的转速比控制飞机机身的稳定；使用基于32位的精简指令集计算 机处理器(ARM)的嵌入式系统进行飞行自动控制和姿态调整，使用蓄电池为飞行控 制系统、检测传感器以及通讯系统提供电源。
前置发动机2和后置发动机6分别通过一对齿轮副3驱动下螺旋桨8和上螺旋桨 19为飞机提供动力，蓄电池12作为电源，燃油储存7和配送系统20为飞机提供燃料； 输出减速驱动机构3，后置发动机燃料储存配给系统7，俯仰姿态控制机构10，偏航 姿态控制机构11，嵌入式计算机控制系统13。下螺旋桨偏转机构15，上螺旋桨偏转 机构16，GPS系统17自动巡航状态与人工控制接口模块18组成导航系统。检测系统 包括检测传感器信号接收及发送组件9。电荷耦合器(CCD)摄像机4在飞机飞行过程 中拍摄飞机飞行轨迹下方的电力线的图像，并且通过无线通讯发送器将图像信息发送 回地面控制站的接收器构成通讯系统；巡检机器人飞机的上述系统都通过相应的螺栓 和螺钉固定在支撑机构(5)上。
燃油储存7和配送系统20连通，因为两个发动机的耗油量可能不相同，这样两 个油箱的燃油可以互相补偿，提高飞机的飞行时间，不会因为一个油箱的剩油量少于 最低油量限制而另一个油箱的油量还有剩余的情况下飞机燃油消耗告警系统启动，导 致机器人飞机自动返航；使用蓄电池12驱动发动机的启动电机，为机器人飞机的检 测传感器提供电源、为飞行控制系统的电机提供电源，并且为机器人的嵌入式控制系 统13和数据链路系统提供电源。燃油在进入发动机之前必须经过燃油配给控制系统 进行雾化，然后嵌入式控制系统13，根据机身姿态反馈信号和控制算法产生的指令控 制进入每个发动机的油量，控制两个发动机的转速，控制飞机的两个螺旋桨的转速的 比值，实现机身的稳定。
机器人飞机的上螺旋桨19和下螺旋桨8以不同的转速旋转，各自对机身产生的 扭矩互相抵消；同时由于采用双螺旋桨共轴反向驱动，取消了直升飞机的尾部的平衡 补偿螺旋桨。
机器人飞机的起落架1由四个弹性臂组成，四个弹性臂分别固定在机器人的支撑 架和一个环形的加强环上。机器人飞机的内部组件固定支架5是机器人飞机的骨架， 巡检机器人的所有动力系统、导航系统、数据链路系统以及检测系统都通过相应的螺 栓和螺钉固定在内部组件固定支架5上。
本发明的控制系统由电力线路巡检机器人飞机导航系统、飞行路径自主规划系 统、数据链路系统、基于多传感器融合的在线检测系统构成。电力线路巡检机器人采 用基于ARM微控制器的嵌入式系统进行控制。具有高性能，低代码规模，低功耗和尺 寸小的优点。嵌入式系统完成飞机飞行控制和在线检测，具有实时约束，可在极端环 境下运行。
电力线路巡检机器人飞机控制系统使用电信号直接控制飞机发动机转速和旋翼 偏转，产生悬停，前进，后退，上升，下降，左转，右转，加速，减速等飞行动作。 控制系统通过陀螺传感器反馈的飞机姿态信息，控制稳定器的旋转，保持飞行平稳。 控制系统将上述操作封装，向上提供用户使用接口。
控制系统依据任务规划系统提供的飞行轨迹飞行。控制系统从GPS获得飞机实时 高度，空速，空间位置信息，从罗盘获得飞机飞行方向信息，并利用上述信息完成机 器人飞机的导航定位。根据实时定位和预先规划飞行轨迹确定飞行误差，进行飞行轨 迹修正。控制系统还读取视觉传感器信息，使用机器视觉算法确定障碍物大小，方位， 移动速度，并根据避障算法生成避障飞行路径，插入原飞行计划，生成新的飞行轨迹， 依此飞行，完成实时避障。
在线检测系统采用多传感器信息融合的方式进行电力线路检测。使用红外线探测 器生成电力线路的红外图像分布图，通过图像处理，可确定电力线温度异常点的坐标。 分析视觉传感器生成的视频信息，可检查导线松弛、覆冰和舞动。多个传感器获得的 信息通过专家知识库系统的处理，判断出电力线故障可能的类型，并返回给操作员。
1、电力线路巡检机器人飞机导航系统
该系统使用全球定位系统(GPS)17，地理信息系统(GIS)14，视觉导航和传统 技术相结合，能够精确的确定机器人飞机的空间位置，飞行方向等状态信息。机器人 飞机的地理信息系统(GIS)14保存着将要被检测的高压电缆的分布位置信息，它作 为电力线巡检机器人飞机飞行路径的基本信息，机器人飞机在飞行过程中通过全球定 位系统(GPS)17确定机器人飞机的实时位置，并与地理信息系统的数据比较，不断 校正机器人飞机的位置，保证机器人飞机的飞行轨迹始终沿着电力线的走向。嵌入式 控制系统13通过路径规划的结果产生控制指令，使力矩控制电机产生相应的转角， 通过连杆带动偏转盘偏转；偏转盘推动俯仰姿态控制机构10、下螺旋桨偏转机构15、 上螺旋桨偏转机构16改变螺旋桨的相对机身的姿态，从而改变机器人飞机的飞行速 度、飞行方向、飞行姿态。燃油在进入发动机之前必须经过后置发动机燃料储存配给 系统7或前置发动机燃料储存配给系统20进行雾化，然后嵌入式控制系统13根据机 身姿态反馈信号和控制算法产生的指令控制进入每个发动机的油量，从而控制两个发 动机的转速，从而控制飞机的两个螺旋桨的转速的比值，实现机身的稳定。在特殊工 作情况下，可以通过自动巡航模式与人工控制模式转换接口模块18使优先级更高的 人工控制模式取代自动控制模式，以保证飞机和人员的安全。
2、电力线路巡检机器人飞机飞行路径自主规划系统
该系统使用GIS提供的电力线分布信息，自主完成路径规划，并且在飞行巡线过 程中，利用外界反馈自动修正。
3、电力线路巡检机器人飞机地面监控系统
该系统在地面监控系统和机器人飞机之间提供双向的数据通信通道，机器人飞机 和地面数据终端之间的通讯采用数字式数据链，即数据链采用数字式载波调制，包括 上行链路和下行链路；地面数据终端与地面控制站之间使用标准的局域网技术连接， 支持多种传输媒介；除了基本数据的传输，数据链路系统还提供数据压缩，抗干扰等 数据处理功能；
该系统可把机器人发回的数据实时显示，向操作员提供飞行状态、外界环境、电 力线路状态等信息，并为操作员控制机器人飞机提供人机接口。地面控制站通过人机 接口界面，向操作员即时提供飞机的飞行状态以及电力线检测的线路情况，操作员可 以通过操作界面向机器人飞机发出飞行控制信息，遥控飞机的飞行。地面控制站还具 有任务规划系统，自动完成检测任务的预规划，生成相应的操作信息。
4、电力线路巡检机器人飞机数据链路系统
该系统使用微波通讯系统及天线，在地面监控系统和机器人飞机之间提供双向的 数据通信通道。电荷耦合器(CCD)摄像机4在飞机飞行过程中拍摄飞机飞行轨迹下 方的电力线的图像，通过无线通讯发送器将图像信息发送回地面控制站的接收器，并 保存在地面控制站的存储设备中。使用微波通讯系统及天线，在地面监控系统和机器 人飞机之间提供双向的数据通信通道。机器人飞机和地面数据终端之间的通讯采用数 字式数据链，即数据链采用数字式载波调制，包括上行链路和下行链路。地面数据终 端与地面控制站之间使用标准的局域网技术连接，支持多种传输媒介。除了基本数据 的传输，数据链路系统还提供数据压缩，抗干扰等数据处理功能。
5、基于多传感器融合的在线检测系统
该系统使用视觉检测、红外线探测器检测相结合的多传感器系统，可在不停电的 情况下对电力线路的状态进行检测以及故障判断。机器人飞机的检测传感器和信号发 送组件9内部装有红外探测传感器，可以检测高压电缆的温度变化；通过温度的变化 可以确定电缆的状态。内部的信号发送装置可以把检测到的信号传送到地面控制站加 以分析。
电力线巡检机器人飞机的具有如下的技术特性：
1.机器人飞机具有自动任务规划的能力，能根据GIS信息，GPS信息，传感器信 息等规划一条最优的飞行路径，并在飞行过程中实现自动躲避障碍物。
2.机器人飞机能自动导航，沿电力线走向飞行。飞行控制系统能实现基本飞行 动作的控制，调整飞行姿态，协调飞行的稳定性。
3.机器人飞机能实现电力线路的在线监测。机器人飞机能根据监测传感返回的 信息，通过在线监测系统判断电力线路故障的发生，故障的类型，定位故障发生点的 空间位置。
4.在预定任务完成或者某些特殊条件下，机器人飞机具有自动返航的功能。
机器人飞机具有自动控制和人工遥控两种飞行模式。人工遥控具有最高的优先 级，可随时中断机器人飞机的飞行，由人进行飞行控制。
电力线巡检机器人飞机的技术方案实现原理主要是根据地理信息系统(GIS)提 供的电力线路分布信息，自动地把检测任务分解成若干个子任务。根据每个子任务的 具体情况，自主完成路径规划，规划出相应的最佳飞行轨迹。机器人飞机按照预先设 定的飞行轨迹，由自动控制系统控制飞机的飞行速度、飞行方向、飞行姿态、飞行稳 定，使飞机能巡线飞行。机器人飞机飞行过程中，通过不同的传感器收集空间环境信 息，使用在线路径规划系统，处理障碍物等信息，实时地调整飞行规划，保证飞行的 安全飞行。机器人飞机还通过传感器获得了电力线路的状态信息，使用电力线路在线 检测系统判断故障的发生和发生类型，确定障碍发生的地理位置。在空中飞行的机器 人飞机将获得的飞机状态信息和电力线路状态信息通过数据链路系统传输到地面的 监控系统上，操作员在监控屏幕上实时的看到这些信息。监控员也可以通过人机接口， 向机器人飞机发出控制信息，调整飞机的飞行状态，以达到最好的检测效果。
本发明的优点在于
1.机器人飞机无人飞行、安全可靠，可完成一些危险的任务，即使发生了飞行 意外也不会造成人员的伤亡，有效的解决了巡线人员在超高压环境中工作的安全性问 题和避免了载人直升机飞行事故中可能造成的人员损失。
2.机器人飞机机身小巧，性能稳定可靠、机动灵活，所需机组成员人数和技能 要求少于有人飞机，远程转场作业可靠地面运输来完成，运营成本低，总体费用也大 大下降，解决了人工检测和载人直升机检测费用高的不足。
3.机器人飞机可垂直起飞和降落、无需任何辅助装置、不需要专门的机场和跑 道、对环境要求极低、在野外随处可起飞和降落、展开时间短，解决了载人直升机环 境适应能力弱的不足。
4.机器人飞机飞行精度高，可长时间悬停、可前飞、后飞、侧飞、盘旋等，速 度可控范围大，有极高的飞行品质，解决了沿电力线路行走机器人检测方式运动速度 慢的不足。
5.机器人飞机智能化程度高、可实现超视距测控飞行、程控自主飞行及自动返 航等多种先进功能，操作十分简便有效，有较强的容错能力，解决了行走机器人检测 方式对地面仪器依赖性高的问题。
6.可搭载多种任务设备、运用范围广，超低空作业，作业所受到约束少，解决 了行走机器人检测方式效率低的问题。
电力线巡检机器人飞机具有费用低，安全性高，可靠性强，适应性好，监测速度 快，效率高等优点。该系统的发明可以有效的改善电力线路的监控质量，保障输电网 络的安全平稳运行，对于电力系统的可靠运行具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的机器人飞机主视图。其中，飞机起落架1、前置发动机2、输出 减速驱动机构3、CCD摄像机4、内部组件固定支架5、后置发动机6、后置发动机 燃料储存配给系统7、下螺旋桨8、检测传感器信号接收及发送组件9、俯仰姿态控 制机构10、偏航姿态控制机构11、蓄电池12、嵌入式计算机控制系统13、GIS系 统14、下螺旋桨偏转机构15、上螺旋桨偏转机构16、GPS系统17、自动巡航状态与 人工控制接口模块18、上螺旋桨19、前置发动机燃料储存配给系统20。前置发动机 2和后置发动机6分别通过一对齿轮副3反向驱动同轴的上下两个螺旋桨。并且两个发 动机在控制系统的控制下实现对飞机机身的扭矩平衡，保证机器人飞机机身的稳定。
图2为本发明的机器人飞机左视图。其中，检测传感器信号接收及发送组件9、俯 仰姿态控制机构10、偏航姿态控制机构11、蓄电池12、嵌入式计算机控制系统13、 GIS系统14、下螺旋桨偏转机构15、上螺旋桨偏转机构16、GPS系统17、自动巡航 状态与人工控制接口模块18。
图3为本发明的机器人飞机俯视图。
图4为本发明的机器人飞机地面控制站功能结构图。
图5为本发明的机器人飞机系统结构。
具体实施方式
在对高压电力线路进行检测的时候，需要将机器人飞机和地面控制设备置于一个 较为平坦的地点，以便机器人飞机平稳起飞。由人工控制机器人飞机起飞并到达适于 检测开始的高度，启动自动巡航飞行控制程序，巡检机器人飞机开始沿电力线飞行， 同时对电力线的状态进行检测。
在飞行检测过程中，机器人飞机将检测到的电力线的视觉信号、红外信号以及位 置信息通过飞机的信号发射设备和地面控制站的接收设备传送到地面站，并保存在存 储器中，利用MATLAB信号处理工具箱进行分析处理。
在飞机燃料消耗到设定值时，控制系统启动返航程序，机器人飞机发送实时位置 信息并返航至出发点，然后对机器人飞机的状态进行必要的检查，以便进行下一次电 力线检测。
当这一区域的电力线检测完毕后，根据机器人飞机返航时提供的检测结束时的位 置信息将机器人飞机和地面控制设备运到该位置附近，准备开始下一次检测。