一种适用于复杂情况下的输电线路地线通道巡检系统的制作方法

本发明涉及输电线路巡检领域，尤其涉及一种适用于复杂情况下的输电线路地线通道巡检系统。

背景技术：

为确保架空输电线路的安全平稳运行，需要对线路进行定期巡检和维护。传统人工巡检方式需要耗费大量的人力和物力，并且人工巡检过程中工作人员处在线路下方位置，难以对线路展开全面的巡查。

针对这一问题，一些巡检单位开始试图使用无人机完成线路的高空巡检工作。这一巡检方式高效便捷，并且能远距离回传图像供多位专家进行共同确认，极大提高了巡检过程中发现潜在隐患的可能性。然而无人机是一个典型的欠驱动、强耦合、非线性系统，输电线路走廊中线路复杂、障碍繁多，就需要操作人员精细操作才能避免事故的发生。更为重要的是，输电线路周围复杂的电磁干扰，也为无人机本身的性能和地面操控人员的素质提出了更高的要求。

为此，相关院所和施工单位近年来开始考虑利用输电线路架空地线作为通道放置线路巡检机器人，然而这一实施方案中需要克服的技术难点在于：

1）：在输电线路走廊复杂环境下，如何确保巡检机器人安全可靠地挂接在地线上；

2）：如何平稳其安全地顺着导线移动，并越过铁塔挂点、线路续接金具和防震锤等障碍。

中国专利“cn：106374388b一种架空地线全程无障碍的巡检机器人系统”，该机器人有两个并排的驱动轮用于机器人移动，同时驱动轮前侧分别设有加紧轮用于机器人的固定。在挂点等障碍处，该方案提出了一种越障导轨，使得机器人可以通过导轨跨过障碍。这种机器人虽然解决了上述两点技术难点，但越障导轨的加入会改变地线的结构，使导线受力特性发生变化，同时输电线路动辄几十上百公里，期间会有非常多的障碍点，加装越障导轨的方案难以实现。

中国专利“cn：107553461a一种架空输电线路地线全程自动巡检机器人”，通过设计使得驱动轮、从动轮和旋转关节的中心处于同一轴线上，从动轮可沿着机械臂上下运动从而卡紧导线。该方案虽可以确保巡检机器人安全可靠地挂接在地线上，但两轮的结构使得该机器人难以跨过复杂障碍，无法适用于大规模远距离的输电线路巡检。

中国专利“cn：109244934a一种地线悬挂巡检机器人”，该机器人设有前中后三只手臂，三只手臂通过手臂底座与主机连接，在跨越障碍时由升降机构通过控制手臂的顺次升降，从而越过障碍物。这一方案不再需要为地线额外加装越障导轨，但是在越障过程中任意时刻只能有两只手臂与地线连接，机器人容易重心失稳发生晃动。并且悬挂和驱动同轮的方式会使驱动轮处的构造十分复杂，一旦驱动系统出现故障会使得机器人失去动力。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提出一种适用于复杂情况下的输电线路地线通道巡检系统，以克服现有技术中的不足。通过悬挂与推进分离的方式，实现不同种类、不同尺寸障碍的跨越，整个系统的应用可确保在利用地线通道巡检过程中巡检机器人的安全与可靠性。

本发明采取的技术方案为：

一种适用于复杂情况下的输电线路地线通道巡检系统，包括机器人、远程服务器、客户端系统，机器人上设有控制主机，所述控制主机通过信号传输系统连接远程服务器，远程服务器与客户端系统通讯连接。

所述机器人包括驱动系统、悬挂越障系统、线路巡检系统。

所述驱动系统包括设在头部的两个前驱轮、设在尾部的两个后驱轮，任意一个前驱轮、任意一个后驱轮均通过一个第一水平/竖直调节机构与第一机座连接，第一水平/竖直调节机构连接控制主机，控制主机控制第一水平/竖直调节机构水平、竖直移动，使得前驱轮、后驱轮从两侧水平卡紧导线驱动机器人沿导线路径移动、或者使前驱轮、后驱轮分开从而越过障碍。

所述悬挂越障系统包括上悬挂轮组、下悬挂轮组，上悬挂轮组通过第二水平/竖直调节机构与第二机座相连，第二机座用于控制上悬挂轮组水平和竖直移动，以错开导线上方的障碍；下悬挂轮组通过伸缩杆机构与第三机座相连，第三机座用于控制下悬挂轮组在竖直方向移动，以避开导线下方的障碍。

所述线路巡检系统包括高清摄像头、热成像仪；高清摄像头通过可调节撑杆与旋转齿轮连接，旋转齿轮安装在机器人上，高清摄像头能够水平方向360°和竖直方向180°旋转；热成像仪通过调节螺旋杆挂接在机器人上，能够在竖直方向进行180°旋转。

所述第一水平/竖直调节机构，包括第一上伸缩杆、第一丝杆、第一滑动底座、第一导轨、第一伺服电机、第二伺服电机、第二丝杆。第一导轨水平安装在第一机座上，第一滑动底座能够沿第一导轨水平移动，第一滑动底座上设置有第一伺服电机，第一伺服电机连接第一丝杆，第一丝杆连接第一上伸缩杆，第二伺服电机连接第二丝杆控制第一滑动底座沿导轨移动。所述第一伺服电机、第二伺服电机均连接控制主机；控制主机控制第一伺服电机顺时针或逆时针转动，带动第一丝杆转动，从而控制第一上伸缩杆垂直移动；控制主机控制第二伺服电机顺时针或逆时针转动，带动第二丝杆转动，从而控制第一滑动底座沿第一导轨水平移动。

所述第二水平/竖直调节机构，包括第二上伸缩杆、第三丝杆、第二滑动底座、第二导轨、第三伺服电机、第四伺服电机、第四丝杆。第二导轨水平安装在第二机座上，第二滑动底座能够沿第二导轨水平移动，第二滑动底座上设置有第三伺服电机，第三伺服电机连接第三丝杆，第三丝杆连接第二上伸缩杆，第四伺服电机连接第四丝杆控制第二滑动底座沿导轨移动。控制主机控制第三伺服电机顺时针或逆时针转动，带动第三丝杆转动，从而控制第二上伸缩杆垂直移动；控制主机控制第四伺服电机顺时针或逆时针转动，带动第四丝杆转动，从而控制第二滑动底座沿第二导轨水平移动。

所述上悬挂轮组包括第一上悬挂轮、第二上悬挂轮、第三上悬挂轮，第一、二、三上悬挂轮分别连接一个第二水平/竖直调节机构的第二上伸缩杆上。伺服电机在控制主机控制下，控制第二上伸缩杆实现水平/垂直调节，从而使得第一、二、三上悬挂轮能够避开导线上方的各类障碍物，如悬挂点等。

所述伸缩杆机构包括下伸缩杆、第五丝杆、固定块、第五伺服电机。固定块规定在第三机座上，固定块上设有第五伺服电机，第五伺服电机设有第五丝杆，第五丝杆设有下伸缩杆，第五伺服电机连接控制主机，控制主机控制第五伺服电机顺时针或逆时针转动，带动第五伺服电机连接的第五丝杆转动，从而控制下伸缩杆垂直移动，从而最终实现下悬挂轮组的竖直调节。

所述下悬挂轮组包括第一下悬挂轮、第二下悬挂轮，第一、二下悬挂轮分别连接一个伸缩杆机构的下伸缩杆上，第五伺服电机在控制主机控制下，控制下伸缩杆实现垂直调节，从而使得第一、二下悬挂轮能够避开导线下方的各类障碍物，如防振锤、阻尼线等。

该系统还包括分别设置于机器人头部、尾部的第二图像传感器、第三图像传感器，用以监测和回传沿线路方向的障碍；设置于机器人机身中部的第一图像传感器，用以监测悬挂轮越过障碍的情况。

该系统还包括平衡系统，所述平衡系统包括高精度陀螺仪、平衡调节装置，所述高精度陀螺仪连接控制主机，用于将机器人的的姿态信息发送给控制主机；平衡调节装置包括两组配重块，通过调节配重块的位置从而使机器人重心发生变化。

所述线路巡检系统还包括设备安装口，设备安装口连接控制主机，用于加装其他线路监测设备。

该系统还包括电源系统，所述平衡系统包括电源系统包括外部接口、电池悬挂架，外部接口用于巡检机器人固件系统升级、运行日志检查、故障排除和故障状态时的资料备份等；电池悬挂架用于配装不同容量的电池，或者配装线路取电设备，为机器人进行供电。

所述信号传输系统包括apwifi模块、mh5000通信模块，为设备提供wifi与5g双信道传输，设备能够将实时运行参数和巡检画面回传至远程服务器，供客户端系统查看，远程服务器也能够将操作员的指令实时发送给巡检机器人。

本发明一种适用于复杂情况下的输电线路地线通道巡检系统，有益效果如下：

1：本发明将悬挂系统与驱动系统分开，多组悬挂系统和推进系统确保了巡检系统的可靠与稳定。

2：上悬挂轮组与下悬挂轮组的配合，使得在越障过程中，任意时刻都至少有两个上悬挂轮与一个下悬挂与地线卡紧，确保了设备的安全。

3：多个悬挂轮的配合工作，可确保巡检机器人平稳越过铁塔挂点、线路续接金具和防震锤等障碍。

4：推进轮在水平方向与导线卡紧，不受机器人重力的影响，且双推进的冗余设计确保机器人可应对各种突发情况。

5：平衡调节装置可抵消设备因各种原因造成的震颤，避免失稳情况的发生。

6：利用地线通道进行巡检，可获得俯视视野，使得巡检更效果更为准确。

附图说明

图1为本发明系统的巡检机器人主视结构示意图。

图2为本发明系统的巡检机器人正视结构示意图。

图3为本发明系统的巡检机器人后视结构示意图。

图4为本发明系统的巡检机器人侧视结构示意图。

图5为本发明系统的控制原理图。

图6（1）为本发明系统的第一水平/竖直调节机构结构示意图一；

图6（2）为本发明系统的第一水平/竖直调节机构结构示意图二；

图6（3）为本发明系统的第一水平/竖直调节机构结构示意图三。

图7（1）为本发明系统的第二水平/竖直调节机构结构示意图一；

图7（2）为本发明系统的第二水平/竖直调节机构结构示意图二；

图7（3）为本发明系统的第二水平/竖直调节机构结构示意图三。

图8（1）为本发明系统的伸缩杆机构结构示意图一；

图8（2）为本发明系统的伸缩杆机构结构示意图二。

图9为本发明系统的平衡调节装置结构示意图。

其中：

1-输电线路架空地线，2-前驱轮，3-后驱轮，4-第一机座5-第一水平/竖直调节机构，

6-第一上悬挂轮，7-第一下悬挂轮，8-第二上悬挂轮，9-第二下悬挂轮，10-第三上悬挂轮；

11-第一图像传感器，12-第二图像传感器，13-第三图像传感器；

14-高精度陀螺仪，15-平衡调节装置，16-第二水平/竖直调节机构，17-伸缩杆机构；

18-外部接口，19-控制主机；

20-电池悬挂架，21-旋转齿轮，22-高清摄像头，23-热成像仪，24-可调节撑杆，25-调节螺旋杆，26-设备安装口，27-信号传输系统，28-远程服务器，29-客户端系统。

具体实施方式

如图1~图5所示，一种适用于复杂情况下的输电线路地线通道巡检系统，包括机器人、远程服务器28、客户端系统29，机器人上设有控制主机19，所述控制主机19通过信号传输系统27连接远程服务器28，远程服务器28与客户端系统29通讯连接。

所述机器人包括驱动系统、悬挂越障系统、线路巡检系统、平衡系统、电源系统、图像传感系统；

所述驱动系统包括设在头部的两个前驱轮2、设在尾部的两个后驱轮3。

任意一个前驱轮2、任意一个后驱轮3均通过一个第一水平/竖直调节机构5与第一机座4连接，第一水平/竖直调节机构5连接控制主机19，控制主机19控制第一水平/竖直调节机构5水平、竖直移动，使得前驱轮2、后驱轮3从两侧水平卡紧导线驱动机器人沿导线路径移动、或者使前驱轮2、后驱轮3分开从而越过障碍。

如图6（1）、图6（2）、图6（3）所示，所述第一水平/竖直调节机构5，包括第一上伸缩杆5.1、第一丝杆5.2、第一滑动底座5.3、第一导轨5.4、第一伺服电机5.5、第二伺服电机5.6、第二丝杆5.7。

第一导轨5.4水平安装在第一机座4上，第一滑动底座5.3能够沿第一导轨5.4水平移动，第一滑动底座5.3上设置有第一伺服电机5.5，第一伺服电机5.5连接第一丝杆5.2，第一丝杆5.2连接第一上伸缩杆5.1，第二伺服电机5.6连接第二丝杆5.7控制第一滑动底座5.3移动。所述第一伺服电机5.5、第二伺服电机5.6均连接控制主机19；控制主机19控制第一伺服电机5.5顺时针或逆时针转动，带动第一丝杆5.2转动，从而控制第一上伸缩杆5.1垂直移动；控制主机19控制第二伺服电机5.6顺时针或逆时针转动，带动第二丝杆5.7转动，从而控制第一滑动底座5.3沿第一导轨5.4水平移动，带动第一上伸缩杆5.1水平移动。

所述悬挂越障系统包括上悬挂轮组、下悬挂轮组，上悬挂轮组通过第二水平/竖直调节机构16与第二机座相连，第二机座用于控制上悬挂轮组水平和竖直移动，以错开导线上方的障碍；下悬挂轮组通过伸缩杆机构17与第三机座相连，第三机座用于控制下悬挂轮组在竖直方向移动，以避开导线下方的障碍。

第一机座为“凸”字形结构，位于巡检机器人正前和正后方，第一滑动底座5.3仅可沿着第一导轨5.4水平移动，从而确保结整体构的安全。

第二机座同样为“凸”字形结构，位于机身右侧，第二水平/竖直调节机构下方。

第三机座为“口”字型结构，无导轨结构，整体位于机身右侧，伸缩杆机构17下方。第五伺服电机固接在第三机座底部，从而确保结整体构的安全。

如图7（1）、图7（2）、图7（3）所示，所述第二水平/竖直调节机构16，与第一水平/竖直调节机构5一样，包括第二上伸缩杆16.1、第三丝杆16.2、第二滑动底座16.3、第二导轨16.4、第三伺服电机16.5、第四伺服电机16.6、第四丝杆16.7。

第二导轨16.4在第二机座下部，第二滑动底座16.3能够沿第二导轨16.4水平移动，第二滑动底座16.3上设置有第三伺服电机16.5，第三伺服电机16.5连接第三丝杆16.2，第三丝杆16.2连接第二上伸缩杆16.1，第四伺服电机16.6连接第四丝杆16.7，控制第二滑动底座16.3移动。

所述第三伺服电机16.5、第四伺服电机16.6均连接控制主机19；控制主机19控制第三伺服电机16.5顺时针或逆时针转动，带动第三丝杆16.2转动，从而控制第二上伸缩杆16.1垂直移动；控制主机19控制第四伺服电机16.6顺时针或逆时针转动，带动第四丝杆16.7转动，从而控制第二滑动底座16.3沿第二导轨16.4水平移动，带动第二上伸缩杆16.1水平移动。

所述上悬挂轮组包括第一上悬挂轮6、第二上悬挂轮8、第三上悬挂轮10，第一、二、三上悬挂轮分别连接一个第二水平/竖直调节机构16的第二上伸缩杆16.1上。伺服电机在控制主机19控制下，控制第二上伸缩杆16.1实现水平/垂直调节，从而使得第一、二、三上悬挂轮能够避开导线上方的各类障碍物，如悬挂点等。

所述下悬挂轮组包括第一下悬挂轮7、第二下悬挂轮9，第一、二下悬挂轮分别连接一个伸缩杆机构17的下伸缩杆17.1上，第五伺服电机17.4在控制主机19控制下，控制下伸缩杆17.1实现垂直调节，从而使得第一、二下悬挂轮能够避开导线下方的各类障碍物，如防振锤、阻尼线等。

如图8（1）、8（2）所示，所述伸缩杆机构17包括下伸缩杆17.1、第五丝杆17.2、固定块17.3、第五伺服电机17.4。固定块17.3规定在第三机座上，固定块17.3上设有第五伺服电机17.4，第五伺服电机17.4设有第五丝杆17.2，第五丝杆17.2设有下伸缩杆17.1，第五伺服电机17.4连接控制主机19，控制主机19控制第五伺服电机17.4顺时针或逆时针转动，带动第五伺服电机17.4连接的第五丝杆17.2转动，从而控制下伸缩杆17.1垂直移动，从而最终实现下悬挂轮组的竖直调节。

控制主机19采用makerobotraspberrypi4b+主机，搭载64位1.5ghz四核cpu，同时具备千兆以太网和多种外接设备接口。控制主机19搭载linux系统，通过软件系统对外接设备的调用，可实现h.265视频编码解码传输以及对多种仪器和伺服电机的准确操控。

本发明中采用的伺服电机为vextaasm36ak微型28步进伺服电机。伺服电机与控制主机19连接，依照控制主机19的命令进行工作。

所述线路巡检系统包括高清摄像头22、热成像仪23；高清摄像头22通过可调节撑杆24与旋转齿轮21连接，旋转齿轮21安装在机器人上，高清摄像头22能够水平方向360°和竖直方向180°旋转，方便对下方线路进行全方位巡检，以辨别线路或金具是否出现断股和损坏问题。热成像仪23通过调节螺旋杆25挂接在机器人上，能够在竖直方向进行180°旋转，方便测量下方输电线路和金具的温度，以判断线路是否存在发热缺陷，从而将故障消除在萌芽状态。

高清摄像头22采用tp-link4.0megapixels的4路高清摄像头，分辨率2560×1440，并提供ip67级防水防尘，确保摄像头安全可靠工作。画面采用h.265压缩技术，信号传输系统可将的巡检沿线的画面快速准确地传送至远程服务器28。

热成像仪23采用脉冲星xp38xp50红外热成像仪，分辨率640×480，具有8倍变焦，可准确检测巡检沿线的导线、金具发热情况，并将结果传送至远程服务器28。

该系统还包括分别设置于机器人头部、尾部的第二图像传感器12、第三图像传感器13，用以监测和回传沿线路方向的障碍；设置于机器人机身中部的第一图像传感器11，用以监测悬挂轮是否需要越过障碍或已经越过障碍，从而控制伸缩杆进行移动。第一、二、三图像传感器均连接控制主机19。

第一、二、三图像传感器采用高性能cmos图像传感器，分辨率2560×1440。传感器置于tp-link的360°全视野云台上，可控制图像传感器进行水平方向360°和竖直方向180°旋转，便于图像传感器采集和回传沿线路方向和巡检机器人四周的状态。

该系统还包括平衡系统，所述平衡系统包括高精度陀螺仪14、平衡调节装置15，所述高精度陀螺仪14连接控制主机19，用于将机器人的的姿态信息发送给控制主机19；平衡调节装置15包括两组配重块，通过调节配重块的位置从而使机器人重心发生变化，从而抵消设备因各种原因造成的震颤，避免失稳情况的发生。

平衡调节装置15横向安装于巡检机器人底部的中央，如图9所示，平衡调节装置15包括：左平衡滑块15.1、右平衡滑块15.2、前平衡滑块15.3、后平衡滑块15.4，以及各平衡滑块对应的丝杆及伺服电机。各平衡滑块置于平衡装置的长方体空腔内，各平衡滑块通过丝杆与伺服电机连接，在控制主机19的控制下，各伺服电机分别顺时针或逆时针转动，通过丝杆控制对应的平衡滑块在长方体空腔内移动，使得整个巡检机器人始终处于平衡状态。当高精度陀螺仪14检测到巡检机器人的姿态发生左/右或前/后倾斜时，及时将信息反馈至控制主机19，此时控制主机19控制伺服电机工作，使对应的平衡滑块沿空腔向倾斜方向的反向移动，直至巡检机器人姿态重新保持平稳。

所述线路巡检系统还包括设备安装口26，设备安装口26连接控制主机19，用于加装其他线路监测设备。

该系统还包括电源系统，所述电源系统包括外部接口18、电池悬挂架20。外部接口18用于巡检机器人固件系统升级、运行日志检查、故障排除和故障状态时的资料备份等；电池悬挂架20用于配装不同容量的电池，或者配装线路取电设备，为机器人进行供电。针对悬挂不同重量电池所造成的设备重心偏移问题，可在平衡系统下方额外配装重物或加装备用电池进行抵消。

所述信号传输系统27包括apwifi模块、mh5000通信模块，为设备提供wifi与5g双信道传输，设备能够将实时运行参数和巡检画面回传至远程服务器28，供客户端系统29查看，远程服务器28也能够将操作员的指令实时发送给巡检机器人。所述控制主机19通过信号传输系统27与远程服务器28建立连接，巡检人员可通过客户端系统29对机器人进行控制，并接收控制主机19传回的图像信息，远程服务器28也具有储存功能，可实现历史巡检数据的对比，从而对故障进行更准确的判断。

远程服务器28采用dellr730服务器主机，集成四口千兆网卡，双cpu和双电源冗余设计，并通过天线和网络与巡检机器人建立连接，为巡检机器人的巡检工作提供可靠支撑。

客户端系统29使用java语言开发，其可将远程服务器收到的画面和巡检机器人工作状态系统、清晰地呈现在工作人员面前；同时工作人员可通过客户端系统的ui界面发出指令，远程控制巡检机器人前进、后退或对某一段线路进行重点巡视。

采用上述巡检系统的机器人越障巡检方法，在机器人遇到防震锤等线路下方障碍时，由控制主机19控制前驱轮2与导线分离，由后驱轮3为机器人提供动力，第一上悬挂轮6、第一下悬挂轮7、第二上悬挂轮8、第二下悬挂轮9和第三上悬挂轮10顺次沿竖直方向升高或降低以跨过障碍，最后，后驱轮3与导线分离，而前驱轮2提供动力直至越过障碍；

在机器人遇到挂点等导线上方障碍时，由控制主机19控制前驱轮2与导线分离，由后驱轮3为机器人提供动力，上悬挂轮组先竖直升高在水平向右从而越过障碍，上悬挂轮组同上，依次跨过障碍后则由后驱轮3与导线分离，而前驱轮2提供动力直至越过障碍。

所述悬挂越障系统和驱动系统共同配合，从而确保任意时刻至少有两个上悬挂轮和一个下悬挂轮挂接在导线上，上、下悬挂轮的配合，可使得机器人牢固挂接在地线上，且不会发生失稳的现象，而前、后双驱轮的设计也保证了设备的可靠性。

采用上述巡检系统的机器人平衡调节方法，高精度陀螺仪14负责监控机器人的实时姿态并发送给控制主机19，控制主机19对机器人自身姿态进行实时监控，当监测到机器人姿态发生较大偏移时，则控制平衡调节装置15调节内置两组配重块的位置，使设备重心发生变化，从而抵消设备因各种原因造成的震颤，避免失稳情况的发生，从而保证设备在巡检过程中稳定。

实施步骤：

当图像传感器监测到导线上的障碍后，首先打开前驱动轮2，并由后驱动轮3驱动机器人移动，之后第一上悬挂轮6首先通过移动错开障碍并归位，之后第一下悬挂轮7通过移动错开障碍并归位，如此重复直至所有悬挂轮通过障碍，接着前驱动轮2重新卡紧地线驱动机器人移动，而后驱动轮3打开，通过障碍。当整个机器人通过障碍后，后驱动轮3重新卡紧地线恢复到正常运行的状态。由此可确保在输电线路走廊复杂环境下，巡检机器人能安全可靠地挂接在地线上安全地顺着导线移动，并能顺利越过铁塔挂点、线路续接金具和防震锤等障碍，从而实现地线通道巡检机器人对输电线路远距离、高精度的巡检。