110kV输电线路自动巡检机器人系统的研究

论文摘要

为保证高压输电线路的安全稳定运行,对输电线路定期巡检是非常必要的。目前,基本上仍采用人工沿输电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。随着机器人技术的发展,开发一种能取代人工巡检方式的输电线路自动巡检机器人的时机已经成熟,本文主要针对110kV高压输电线路自动巡检机器人开展研究工作。本文首先介绍了巡检机器人的国内外研究状况,对一些典型的巡检机器人样机进行了较为详细地描述,并提出了巡检机器人需要解决的一些关键技术。针对110kV高压输电线路的实际情况和障碍物类型,设计出了一种全新的输电线路自动巡检机器人的机械结构。并提出了一种可进行实时控制的CCD迭代算法,对机器人的逆运动学进行了分析,仿真结果表明这种迭代算法具有较强的适用性和非常好地收敛性,特别适合于在线计算,便于巡检机器人的实时运动控制,同时也验证了机构设计的合理性和可行性。针对巡检机器人关节多、运行环境复杂和传感器信息多样的特点,采用“基于知识库的自主控制”和“基于视觉的遥控主从控制”的混合控制方法较好地解决了复杂环境下机器人难以控制的问题。在自主控制方式下,采用了分层递阶的控制结构,通过合理的任务分配及协调,实现了机器人自主爬行,自主越障。为解决输电线路巡检机器人的能源问题,设计出了用于高压架空输电线路的自具电源及智能电池充电一体化装置。它不仅能将高压架空输电导线周围的磁能转化为电能,直接为外接负载供电;而且还可以通过充电电路对备用电池充电,消除了频繁更换电池对巡检工作的影响,极大地提高了巡检效率。针对实验模拟线路复杂的背景,根据典型障碍物的形状差异,综合利用多种图像处理技术和一套抗干扰能力强,速度快,基于最大隶属函数原则的模糊模式障碍物识别算法,实现了对输电线路典型障碍物准确、可靠地识别。针对输电线断股信号的非平稳性质和小波基的时频特征,选用db4小波基对断股信号进行了6层小波分解。通过引入小波能量熵,较好地解决了单纯采用小波变换带来的诸如分解信息量大,故障特征值数目多、提取困难,难以实现在线检测与诊断的问题。利用较小规模的BP网络就实现了对铝绞导线断股的实时在线精确诊断。系统实验证明了这种基于小波熵的断股检测和诊断方法的可行性和有效性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 巡检机器人技术的国内外发展现状
• 1.1.1 国外发展现状
• 1.1.2 国内发展现状
• 1.2 巡检机器人需要解决的一些关键技术
• 1.2.1 机械结构
• 1.2.2 电源系统
• 1.2.3 自主导航及定位技术
• 1.2.4 通讯技术
• 1.2.5 线路检测与故障定位
• 1.3 课题来源和本文的主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 1.4 本文的主要创新点
• 第二章 巡检机器人本体机构设计和运动学分析
• 2.1 巡检机器人运行线路简介
• 2.2 巡检机器人的本体设计
• 2.2.1 巡检机器人机构设计要求
• 2.2.2 总体结构设计
• 2.2.3 本体关键部件的设计
• 2.3 巡检机器人的逆运动学分析
• 2.3.1 运动学方程的建立
• 2.3.2 运动约束条件的求取
• 2.3.3 逆运动学分析
• 2.3.4 仿真实验
• 2.4 本章小结
• 第三章 巡检机器人控制系统设计及控制方法研究
• 3.1 巡检机器人对控制系统的要求
• 3.2 巡检机器人控制系统设计
• 3.2.1 系统功能介绍
• 3.2.2 巡检机器人工作过程
• 3.2.3 控制系统硬件组成
• 3.2.4 控制系统软件设计
• 3.3 机器人自主越障规划方法的研究
• 3.3.1 自主越障的规划方法
• 3.3.2 规划方法的实现
• 3.3.3 自主越障实验
• 3.4 基于视频图像的机器人主从控制方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 巡检机器人自具电源及充电一体化装置的研究
• 4.1 巡检机器人电源系统整体结构
• 4.2 自具电源CT 的设计
• 4.2.1 感应取电原理
• 4.2.2 CT 铁芯材料的选择
• 4.2.3 CT 副边线圈匝数的确定
• 4.3 自具电源及充电装置电路设计
• 4.3.1 平波电抗
• 4.3.2 能量卸放电路
• 4.3.3 智能型充电电路分析
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 自具电源在一次电流作用下的响应情况
• 4.4.2 锂电池充电电路的关键参数
• 4.5 本章小结
• 第五章 巡检机器人障碍物识别方法研究
• 5.1 障碍物识别算法研究
• 5.1.1 模糊分析方法基础
• 5.1.2 单帧图像的障碍物识别算法
• 5.1.3 连续多帧图像的障碍物识别算法
• 5.2 典型障碍物识别实验
• 5.2.1 障碍物识别算法验证
• 5.2.2 系统实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于小波熵的输电线断股检测与诊断研究
• 6.1 输电线断股的红外检测原理
• 6.1.1 输电线断股处的温度变化
• 6.1.2 导线热辐射能量的数学模型
• 6.1.3 热释电传感器对导线热辐射的响应
• 6.2 传感器信号调理及数据采集电路设计
• 6.2.1 传感器的选择
• 6.2.2 信号调理及数据采集电路
• 6.2.3 输出信号特征
• 6.3 小波基的特征及选择原则
• 6.3.1 小波基的基本特性
• 6.3.2 突变信号的小波变换性质
• 6.3.3 分析突变信号时小波基的选择原则
• 6.3.4 输电线断股信号检测中小波基的选择
• 6.4 信息熵理论
• 6.5 小波熵
• 6.5.1 信号的小波能量熵
• 6.5.2 信号的小波时间熵
• 6.5.3 信号的小波奇异熵
• 6.5.4 输电线路断股故障信号特征提取
• 6.6 断股故障状态诊断
• 6.7 系统实验
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论及主要创新点
• 7.2 不足与展望
• 参考文献
• 发表论文科研情况说明
• 致谢