李紅斌徐弈辰魯京立

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太倉(cāng) 215411；2.昆山市工業(yè)技術(shù)研究院智能機(jī)器人工程研究所，昆山 215347）

基于PLC控制的高壓輸電線智能巡檢機(jī)器人的研究

李紅斌1徐弈辰1魯京立2

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太倉(cāng) 215411；2.昆山市工業(yè)技術(shù)研究院智能機(jī)器人工程研究所，昆山 215347）

本文介紹一種基于PLC控制的能源自給型一擋內(nèi)高壓線巡檢機(jī)器人，并提出該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)遙控與自主控制模式的有機(jī)結(jié)合，并可利用太陽(yáng)能進(jìn)行能源自給，采用可編程控制器與微機(jī)控制結(jié)合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室模擬超高壓輸電線線路環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)室外實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該巡檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)有效的越障，穩(wěn)定性高。

PLC 高壓輸電線 巡檢機(jī)器人 越障控制

引言

目前國(guó)內(nèi)的電力行業(yè)自動(dòng)化程度不斷提升，很多檢測(cè)監(jiān)視均已采用自動(dòng)化設(shè)備。高壓輸電線的巡檢是電力工作中的重要部分，很多野外環(huán)境惡劣，作業(yè)危險(xiǎn)，針對(duì)該問(wèn)題，采用機(jī)器人來(lái)替代或協(xié)助人完成輸電線巡檢作業(yè)成為研究的一個(gè)方向。國(guó)內(nèi)巡檢機(jī)器人有兩大類(lèi)：一類(lèi)是可跨越桿塔的，功能強(qiáng)大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，實(shí)用性不強(qiáng)；另一類(lèi)為一擋內(nèi)巡檢機(jī)器人，只能在兩桿塔間的直線段巡線，具備跨越防震錘障礙物功能，雖巡線作業(yè)范圍較小，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、成本低，因此，較二擋內(nèi)巡檢機(jī)器人更得到推廣。

目前國(guó)內(nèi)研制出的一擋內(nèi)巡檢機(jī)器人樣機(jī)，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的較為成熟，采用雙輪臂復(fù)合式機(jī)構(gòu)，較為穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上，筆者簡(jiǎn)化了越障方式，采用行走夾持機(jī)構(gòu)跨越障礙，基于PLC控制，并增加自動(dòng)充電裝置，實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、重量輕、安全、環(huán)保，可大大提高工作效率，適合特種機(jī)器人高空作業(yè)要求。

本文第一部分介紹超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；第二部分對(duì)機(jī)器人整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行描述，從控制角度對(duì)巡檢機(jī)器人的行走及越障進(jìn)行分析研究；第三部分詳細(xì)地分析機(jī)器人工作環(huán)境，給出相應(yīng)的行走以及越障控制方法；第四部給出仿真實(shí)驗(yàn)并得出了仿真結(jié)果；第五部分得出結(jié)論并展望巡檢機(jī)器人的發(fā)展前景。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人主要由巡線機(jī)器人本體、地面監(jiān)控站及能源在線補(bǔ)給裝置3部分組成。

機(jī)器人箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人本體由兩個(gè)相同的滑輪機(jī)構(gòu)和一個(gè)巡檢作業(yè)箱體組成?；啓C(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在架空地線上的行走功能，在滑輪結(jié)構(gòu)上有兩對(duì)抓爪，在越障礙物時(shí)主要靠這兩對(duì)抓爪實(shí)現(xiàn)。

機(jī)器人箱體主要用來(lái)攜帶高速球攝像頭、PLC控制器、3G視頻模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等電子設(shè)備。高速球攝像機(jī)能夠清晰地對(duì)高壓輸電線，金具，基塔，絕緣體等進(jìn)行成像，通過(guò)微波圖像傳輸系統(tǒng)，傳輸?shù)降孛婵刂破脚_(tái)，操作者可實(shí)時(shí)觀看或保存?zhèn)浒?。機(jī)器人箱體可360°旋轉(zhuǎn)，以便更好地跟蹤目標(biāo)。

圖1 機(jī)器人箱體結(jié)構(gòu)

地面監(jiān)控站對(duì)機(jī)器人具有遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)功能，機(jī)器人上的高速球形攝像機(jī)拍攝的輸電設(shè)施的圖片可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娴墓ぷ髡荆员愦鎯?chǔ)與處理，當(dāng)出現(xiàn)意外時(shí)可通過(guò)地面工作站發(fā)送信息給工作人員。地面便攜式控制器可用一臺(tái)便攜式筆記本代替，只要安裝好控制軟件，便可對(duì)機(jī)器人的速度、運(yùn)動(dòng)方向等進(jìn)行手動(dòng)控制，并通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面隨時(shí)觀察高壓輸電線上的情況，地面監(jiān)控人員無(wú)需高空作業(yè)便可隨時(shí)掌握高壓輸電線上的情況，大大降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線巡檢機(jī)器人通常運(yùn)行在離地?cái)?shù)十米高度的超高壓輸電線避雷線，其操作人員很難通過(guò)人為判斷的方式對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估并進(jìn)行相關(guān)操作。結(jié)合實(shí)際作業(yè)任務(wù)、應(yīng)用實(shí)用性及可靠性等指標(biāo)的要求，確定在遙控控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合一定的機(jī)器人自主控制，以實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人具備一定障礙跨越能力的沿線行走。

巡檢機(jī)器人以高壓輸電線的地線為作業(yè)路徑，其控制系統(tǒng)采用分級(jí)控制的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，包括地面控制站、機(jī)器人本體控制系統(tǒng)。

地面監(jiān)控站利用3G視頻模塊基于RS232串口通訊、3G網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)野外線路上巡檢的機(jī)器人本體進(jìn)行監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人本體控制間的控制信息傳輸及檢測(cè)圖像的接收與存儲(chǔ)。

機(jī)器人本體控制系統(tǒng)采用基于PLC工業(yè)控制系統(tǒng)，一方面基于RS232串行通信與3G視頻模塊進(jìn)行通信，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)接收遠(yuǎn)程主機(jī)的控制指令，并通過(guò)一定的協(xié)議將其轉(zhuǎn)化為各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)序列，并按照一定的次序發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行執(zhí)行。另一方面也可通過(guò)傳感器對(duì)PLC傳遞輸入信號(hào)進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)控制，整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件選擇

PLC根據(jù)機(jī)器人控制的點(diǎn)數(shù)選擇40個(gè)控制點(diǎn)的歐姆龍CP1H，其脈沖接收輸入為8點(diǎn)。再配于朗科的MLDS3810TE型直流伺服驅(qū)動(dòng)器。輪電機(jī)采用石墨電刷直流電動(dòng)機(jī)36SYK62.23.75.G.T.01型號(hào)電機(jī)，爪電機(jī)采用石墨電刷直流電動(dòng)機(jī)28SYK43.24.61.G.T.01型號(hào)電機(jī)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3 .1 地面控制軟件

地面便攜式控制器控制系統(tǒng)采用C語(yǔ)言匯編實(shí)現(xiàn)與巡檢本體機(jī)的遠(yuǎn)程遙控及通信?？刂平缑嫒鐖D3所示。

圖3 控制軟件界面

當(dāng)通訊狀態(tài)指示燈以周期1s的頻率綠黑交替閃爍時(shí)，表示監(jiān)控站與機(jī)器人間通信通道良好；當(dāng)果監(jiān)控軟件3s內(nèi)未收到來(lái)自機(jī)器人的數(shù)據(jù)時(shí)，通訊指示燈會(huì)停止閃爍，以此顯示通信未連接；當(dāng)通訊未連接時(shí)，機(jī)器人會(huì)停止動(dòng)作，防止長(zhǎng)時(shí)間通訊中斷，機(jī)器人仍執(zhí)行上次動(dòng)作指令，保證機(jī)器人自身安全；當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為紅燈時(shí)，表示光纖傳感器檢測(cè)到障礙物；當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為綠燈時(shí)，表示光纖傳感器未檢測(cè)到障礙物。

使用下拉框來(lái)選擇串口，共可選擇COM1～COM9，按下“串口打開(kāi)”按鈕可打開(kāi)所選串口，按下“串口關(guān)閉”按鈕來(lái)可閉所選串口，其中“串口打開(kāi)”按鈕和“串口關(guān)閉”按鈕交替出現(xiàn)。

狀態(tài)數(shù)據(jù)包括實(shí)際速度、電池電壓和充電電壓，其中實(shí)際速度的單位為cm/s，電池電壓和充電電壓的單位為V。

在設(shè)置速度欄中填寫(xiě)設(shè)置的速度值（整型數(shù)據(jù)），其單位為cm/s，利用前進(jìn)、后退和停止按鈕對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

“主攝像頭”“輔攝像頭”按鈕交替出現(xiàn)，用來(lái)切換主輔攝像頭的視頻顯示；“機(jī)器人休眠”和“機(jī)器人啟動(dòng)”、“前后輪斷電”和“前后輪供電”、“前后爪斷電”和“前后爪供電”、“前爪打開(kāi)”和“前爪關(guān)閉”、“后爪打開(kāi)”和“后爪關(guān)閉”、“牽引繩釋放”和“牽引繩斷開(kāi)”、“自動(dòng)控制”和“手動(dòng)控制”，“開(kāi)始充電”和“充電結(jié)束”、“急停”和“取消急?！钡劝粹o均是交替出現(xiàn)。

2.3 .2 機(jī)器人PLC控制

巡檢機(jī)器人的PLC程序控制關(guān)鍵要解決與地面監(jiān)控軟件的通信問(wèn)題。通信數(shù)據(jù)格式采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)及1位停止位，無(wú)效驗(yàn)位，波特率為2400B/s。通信指令格式見(jiàn)表1。

表1 通信指令格式

該協(xié)議中所有數(shù)值都為十六進(jìn)制數(shù)，同步字節(jié)始終為FFH，地址碼為攝像機(jī)的邏輯地址號(hào)，地址范圍：00H–FFH，指令碼表示不同的動(dòng)作，例如，前進(jìn)后退指令見(jiàn)表2。

表2 前進(jìn)/后退指令格式

上表中，B2數(shù)據(jù)“0”為手動(dòng)模式，數(shù)據(jù)“1”為自動(dòng)模式；B3數(shù)據(jù)“0”為前進(jìn)模式，數(shù)據(jù)“1”為后退模式；B4和B5（Unsigned int）為運(yùn)動(dòng)的設(shè)定速度，單位為cm/s。

3 越障設(shè)計(jì)

根據(jù)高壓輸電線的實(shí)際考察，一擋內(nèi)高壓輸電線巡檢機(jī)器人需要跨越的障礙物主要是防震錘，如圖4所示。由于是高空作業(yè)，一是要注意穩(wěn)定性好，重心穩(wěn)，不能隨意更換重心；二是要考慮跨越障礙物的方式的可操作性，根據(jù)前期調(diào)查可總結(jié)出跨越方式相對(duì)旋轉(zhuǎn)方式更好更穩(wěn)定。

圖4 防震錘

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單跨越防震錘的越障控制方式，主要由激光傳感器探路，整個(gè)越障設(shè)計(jì)主要是一輪的抓爪穩(wěn)定平衡，一輪跨越，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。

自主越障控制可由以下步驟完成：①前抓激光傳感器感應(yīng)到障礙物，前抓打開(kāi)，后抓抓緊；②機(jī)器人滾輪前進(jìn)至前輪跨越障礙物，前爪抓緊，后爪打開(kāi)；③機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)至后輪也跨越障礙物，越障完成。

同時(shí)，為更好排除一些意外情況，本文針對(duì)巡檢機(jī)器人的工作特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)與操作者手動(dòng)控制兩種模式的結(jié)合，以便在出現(xiàn)意外的情況更好的恢復(fù)與控制。

4 模擬環(huán)境試驗(yàn)

為驗(yàn)證整體系統(tǒng)的有效性，按照實(shí)際運(yùn)行情況，在實(shí)驗(yàn)室中模擬搭建超高壓輸電線路。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將機(jī)器人安裝到指定的位置，如圖4所示，機(jī)器人復(fù)位，程序完成初始化，接收到指定的遠(yuǎn)程信號(hào)后，機(jī)器人切換到行走狀態(tài)。機(jī)器人可根據(jù)PLC程序設(shè)定在高壓輸電線上往返行走，檢測(cè)到線路上的障礙物后，機(jī)器人切換到越障狀態(tài)，如圖5所示。一方面機(jī)器人可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的越障步驟及激光傳感器傳回的信息完成自主越障或根據(jù)操作員的指令進(jìn)入手動(dòng)控制狀態(tài)，使機(jī)器人手動(dòng)越障及手動(dòng)行走。結(jié)果表明，應(yīng)用上述的越障控制方法，巡檢機(jī)器人可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)防震錘的跨越。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行至端點(diǎn)且電量不足會(huì)自動(dòng)尋找太陽(yáng)能充電設(shè)備進(jìn)行充電，如圖6所示。圖7為機(jī)器人監(jiān)控視頻，操作者在遠(yuǎn)程可方便監(jiān)視高壓線的情況。

圖4 機(jī)器人在行走

圖5 機(jī)器人跨越防震錘

圖6 機(jī)器人自主充電

圖7 機(jī)器人監(jiān)控視頻

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的一擋內(nèi)巡檢機(jī)器人通過(guò)滑輪行走，抓爪越障，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小巧靈活，總體質(zhì)量較同類(lèi)機(jī)器人減少許多，基于PLC的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，易于操作和控制，機(jī)器人在移動(dòng)能力、越障能力上都顯示出較好的性能，對(duì)線路作業(yè)環(huán)境，特別是惡劣環(huán)境表現(xiàn)出很好的的適應(yīng)能力。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，體現(xiàn)出較好的實(shí)用性和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1]趙登洋.輸電線路智能巡檢系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用窺探[J].科技風(fēng)，2013，（23）：102.

[2]姜生元，任立敏，焦宏章，等.吊臂式巡線機(jī)器人懸吊姿態(tài)自平衡機(jī)構(gòu)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（1）：49-53.

[3]余曉鑫，田聯(lián)房，王孝洪，等.基于SolidWorks的巡線機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)及越障運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，（8）：180-182.

[4]徐顯金，李維峰，吳功平，等.沿架空地線行駛的自主巡檢機(jī)器人及應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，43（6）：752-756.

[5]周風(fēng)余，溫龍旺，蘇鵬，等.高壓輸電線路巡檢機(jī)器人能源在線補(bǔ)給裝置的研制[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（1）：18-23.

The Research of Inspection Robot on High Voltage Transmission Line Based on PLC-Controlling

LI Hongbin1,XU Yichen1, LU Jingli2
(1.Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology, Taicang 215411;2.Intelligence Robot Research Institute in Kunshan ITRI, Kunshan 215347)

This paper introduces a inspection robot of energy self-sufficiency for high-voltage lines which based on PLC control, and proposed the design and implementation of its control system. It combines the mode of remote and self-control, and using solar energy for energy self-sufficiency, the programmable controller and computer controlling to achieve the motion control system. As simulated in the laboratory environment for EHV lines, experimental research results show that the robot can walk along the cable while avoiding the obstacle, it proves the effectiveness of the control system design.

PLC, transmission lines, inspection robot, obstacle-cross controlling

太倉(cāng)市科技支撐計(jì)劃（工業(yè)）項(xiàng)目（TC2014GY14）。