输电线路越障机器人项目技术研究报告.doc

1 国内外研究现状架空输电线路长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、风吹日晒、材料老化的影响，经常出现断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原本微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故，造成大面积停电，从而带来极大的经济损失和严重的社会影响。利用机器人带电巡检和维护超高压输电网络，不但可以减轻工人千里巡线和带电作业的劳动强度，而且对提高电网自动化作业水平、保障电网安全运行具有重要意义。在机器人研究领域中，电力机器人属于典型的特种机器人，其研究应用范围越来越广，在国际上形成了独特的电力机器人应用研究领域，特别是机器人技术在架空输电线路巡检、异物清除等方面的应用研究（即架空输电线路机器人）更是电力机器人研究领域中的热点。架空输电线路机器人是以移动机器人为载体，携带检测仪器或作业工具，沿架空输电线路的地线或导线运动，对线路进行检测、维护等作业。架空输电线路带电维护机器人在美加、日韩、欧洲和我国都有研制，这些机器人多数只能从事可见光和红外视频检测，且跨越障碍（如间隔棒、防振锤等金具）的效率较低。以下简单介绍架空输电线路移动机器人国内外的研究概况。1.1 国外研究水平综述1988年日本东京电力公司首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线巡检移动机器人，该机器人依靠内嵌的输电线路结构参数进行运动行为的规划。当遇到杆塔时，该机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过，因为没有安装外部环境感知传感器，因而适应性较差，而且导轨约100kg，机器人自身过重，对电池供电有更高要求。图1 日本东京电力公司的巡线机器人1989年美国TRC公司研制了一台悬臂自治巡检机器人模型，能沿架空导线进行较长距离的行走，可进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，并将探测到的线路故障参数进行预处理后传送给地面人员。图2 美国TRC公司的巡线机器人1990年日本法政大学的Hideo Nakamura等人开发了电气列车馈电电缆巡检机器人，采用多关节小车结构和“头部决策，尾部跟随”的仿生控制体系，以10cm/s的速度沿电缆平稳爬行，并能跨越分支线、绝缘子等障碍物。图3 日本法政大学的巡线机器人由日本Sato公司生产的输电线路损伤探测器也采用了单体小车结构，能在地面操作人员的遥控下，沿输电线路行走，利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。图4 日本Sato公司的巡线机器人加拿大魁北克水电研究院2000年开始了Line Rover遥控小车的研制工作。遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。该移动小车驱动力大，能爬上52度的斜坡，通信距离可达1km。小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线清污和除冰等带电作业，但不具有越障能力。图5 加拿大魁北克水电研究院的巡线机器人由日本关西电力公司、东京Hibot公司、J能源系统有限公司及东京工业大学的科研人员联合研制出了Expliner电力机器人，图6为其第一代样机，图7为第二代样机。由图可见，第二代机器人在结构上进行了改进，移动轮和调整重心的关节臂型式更加简单紧凑，刚性提高。第二代样机的性能参数为：质量：84 kg，尺寸：宽×高×长=500×1060×715 mm，移动速度：0.6 m/s。据介绍，Expliner电力机器人1天时间能够检查约900米长的线路。Expliner机器人能够直接压过间隔棒，并能够跨越至有转角的线路上，但不能跨越引流线。图6 Expliner电力机器人（第一代）图7 Expliner电力机器人（第二代）继Line Rover除冰机器人之后，加拿大魁北克水电公司研制的架空输电线路带电维护机器人Line Scout代表了目前该方向的最高技术水平，它能够跨越常见的线路金具，如绝缘子串、间隔棒、防振锤等，不但可以进行可见光和红外视频检测，而且安装有机械臂，能够从事压接管电阻测量、断股修补、防振锤拖回等带电作业任务。图8 LineScout在架空输电线路上运行图9 LineScout跨越绝缘子串和防振锤1.2 国内研究水平综述十五期间，针对国内电力输配电对超高压巡线与带电作业机器人的急需，机器人技术主题组织开发了具有自主知识产权的超高压输电线路故障巡检机器人、绝缘瓷瓶带电清扫机器人、高压输电线路带电检修机器人等电力作业机器人，在电力系统中投入了使用。包括：110KV输电线路自动巡检机器人、220kV沿相线巡线机器人、500KV超高压输电线路巡检机器人等。图10为中科院沈阳自动化所王洪光教授研制的两臂巡线机器人。机器人通过前手臂抓紧导线并旋转，带动后手臂及本体绕前手臂旋转180°越障。它可以在两塔之间自主行走，实时传输检测图像，地面人员可以通过无线数传电台控制机器人行走、云台位置和图像采集。图10 沈阳自动化所巡线机器人图11为武汉大学吴功平教授研制的两臂巡线机器人。它可以在输电导线上滚动和爬行，自动跨越或避让防振锤、直线夹、压接管、耐张线夹等障碍物。图11 武汉大学巡线机器人其他还有中科院北京自动化所研制的巡线机器人，采用直接悬挂式联体结构，本体由三个独立的手臂经过关节连接而成，能够自动跨越或避让防振锤。2 输电线路移动机器人关键技术研究本课题针对输电线路移动机器人所涉及的关键技术进行研究，为研制输电线路移动机器人做技术积累。2.1移动越障结构的仿真分析图12为机器人的移动路径示意图。图12 机器人移动路径示意图移动越障机构是输电线路移动机器人的基础，也是目前制约线路移动机器人发展的技术障碍之一。对其要求包括：能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行；具有一定的爬坡能力；能够避越高压线上的防振锤、线夹、绝缘子、杆塔等障碍；在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落。沿架空输电线路移动机器人可以采用轮式移动机构和蠕动爬行机构两种形式，其中蠕动爬行较之前者更适宜管路巡检。但是超高压输电线的外径尺寸一般为18、16或14mm，即使存在制造误差的情况下也在20mm以内，那么蠕动爬行机构较之轮式移动机构承载能力强的优势就不明显了。为了保证机器人的行车速度，机器人机械结构大多采用轮式移动机构。单纯的轮式移动机构不具有越障的功能，可选的辅助机构形式有轮臂复合机构、仿人手臂攀援机构、多节分体机构等。仿人手臂攀援机构可分为可伸缩手臂和辅助探臂等。可伸缩手臂在遇障时，调整手臂伸缩长度夹持高压线以仿人攀援行为的方式避越障碍；辅助探臂机构在遇到障碍时，挂在障碍两端，使得机器人本体在探臂轨道上滑过避越障碍。多节分体结构采用“头部决策、尾体跟随”的仿生控制体系，使结构的每个单节排队依次通过障碍。轮臂复合机构的越障原理是，行走轮安装机械臂上形成轮臂结构，通过轮臂的伸缩和摆转的配合，使轮臂结构避越障碍。轮臂复合机构较之仿人手臂和多节分体机构，结构简单紧凑，相同条件下质量较轻；仿人手臂攀援机构手臂回转伸缩的空间大，可以较大距离的跨越障碍，因而避免与设备和环境干涉的能力强；多节分体机构抗干扰能力强，也适宜各种障碍类型的跨越。但是，分体机构关节数多，自由度多，控制复杂，障碍通过速度慢于其他两者，对线路的损伤程度高于其他两者，实验研究的意义大于实际工程应用的意义。仿人手臂机构的控制难度要高于轮臂复合机构，尤其是探臂机构辨识定位时候损伤线路几率要大于轮臂复合机构的末端行走轮操作手。超高压输电线超高压输电线路的架设遵守作业规范，则障碍环境知识已知，根据这个先验知识设计巡检机器人的轮臂复合机构可以达到跨越线路障碍的要求。因此近年来的线路移动机器人大多采用轮臂复合的机构形式。本项目结合SolidWorks三维实体建模软件和ADAMS动力学仿真分析软件，对两种具有越障功能的输电线路移动机器人进行了运动学建模与仿真，通过虚拟样机技术为研制输电线路移动机器人物理样机做前期准备和经验积累。其主要内容包括：1 应用SolidWorks建立了输电线路双臂和三臂移动机器人的三维实体装配模型，并获得各关键零部件的质量、惯量、质心点位置等参数。2 将移动机器人的三维实体装配模型以Parasoldi格式导入ADAMS。需注意，导入后生成的模型的部分零件会丢失质量属性，需手动添加。之后添加约束，定义相关运动函数。采用ADAMS的脚本仿真方式对其过防振锤做了完整的运动学分析，并对移动机器人过障的动作规划进行修正，实现了其过障时的避障。2.1.1三臂越障机构的仿真分析采用三个轮臂复合机构，三个手臂逐一通过障碍物，由于在越障时始终有2个手臂夹紧导线，因此机器人容易实现平衡，但是三臂越障机构功耗较大。（1） 三臂越障机器人的结构以及线路环境图13为三臂移动机器人的三维实体装配模型，由图可见，其零部件主要有：移动轮、前臂、中臂、后臂、水平丝杠、等。从图中可以确定各个零部件的装配关系。图13 三臂越障机构移动机器人图14为机器人线路环境的三维模型示意图。图中示出了机器人在输电线路上运动时遇到的常见障碍物绝缘子串和防振锤。下文主要以移动机器人避越绝缘子串为研究目标进行运动学和动力学分析，在遇到防振锤机器人可以直接压过。图14 机器人线路环境的三维模型示意图（2）三臂移动机器人建模移动机器人的运动学仿真分析是指使用ADAMS仿真软件包反复求解机构的运动约束方程，通过积分获得模型各PART(零部件)最终的速度(或加速度)，从而确定机构运动的位置(和速度)。与通常的求解机构运动的方法相比，采用软件包具有诸多优点，最显著的优点是位置问题可以用软件包隐式求解，使用者只需为仿真提供适当的初始条件，即可求解机构在任意时刻的位置问题。对三臂移动机器人在输电线路上移动时的典型的越障任务跨越防振锤和避让绝缘子传进行了运动学建模及仿真，分析了机器人在规划动作下的运动学特性。三臂移动机器人避让绝缘子串时的动作可分解为：机器人在线路上移动，遇到防振锤直接压过；遇到绝缘子串时，前臂抬升、顺时针旋转30°（依线路环境左旋或右旋）；中、后驱动轮带动机器人前进；越过绝缘子串时前臂做相反动作；之后，中臂抬升、平移远离导线，前、后驱动轮带动机器人前进；越过绝缘子串时中臂做相反动作；最后，后臂抬升、逆时针旋转30°，中、后驱动轮带动机器人前进，完成越过防振锤的全部过程。（3）机器人运动学建模将在SolidWorks中建立的三臂越障机器人的装配模型以及输电线路和金具的三维实体模型以Parasolid格式导入ADAMS中后，固定输电线路和金具，对移动机器人各关节施加运动副（主要为转动副和移动副），调试模型，检查是否有错误。图15为对模型施加完约束后的示意图。除模型各关节之间以各种运动副建立相互关系之外，由于移动轮要在导线上移动，因此，在移动轮和导线之间同时建立接触关系。（在后续进行干涉仿真时，还要建立与导线发生干涉的零部件与导线的接触关系）图15 模型施加完约束后的示意图（4）机器人运动学仿真建立好约束、设置好各种驱动后，即可开始机器人的越障过程仿真。第一步，机器人在输电线路上做滚动运动，在遇到防振锤，继续行走，直接压过防振锤，如图16所示。第二步，机器人遇到绝缘子串时，停止运动；机器人前臂抬起并顺时针旋转30°，使整个前臂驱动轮抬起并脱离导线，如图17所示。第三步，机器人的中、后驱动轮带动机器人前进，并使前臂越过绝缘子串后停止，如图18所示。第四步，机器人前臂做与之前相反的动作，使前轮重新与导线接触，如图19所示。第五步，机器人中臂沿上下导轨滑移至最上端，沿左右导轨滑移至最右端，使中间驱动轮远离导线，如图20所示。第六步：机器人的前、后驱动轮带动机器人前进，并使中臂越过绝缘子串后停止，如图21所示。第七步，机器人中臂做与之前相反的动作，使中间轮重新与导线接触，如图22所示。第八步，机器人后臂抬起并逆时针旋转30°，使整个后臂驱动轮抬起并脱离导线，如图23所示。第九步，机器人的前、中驱动轮带动机器人前进，并使后臂越过绝缘子串后停止，如图24所示。第十步，机器人后臂做与之前相反的动作，使后轮重新与导线接触，如图25所示。至此，机器人整体完全越绝缘子串。 图16 机器人压过防振锤滚动前进 图17 机器人遇障停止运动，前臂抬起脱离导线 图18前臂越过绝缘子串后停止运动 图19 前轮重新与导线接触 图20 中间驱动轮远离导线 图21前臂越过绝缘子串后停止运动 图22 中间轮重新与导线接触 图23 后臂抬起脱离导线 图24 后臂越过绝缘子串后停止运动 图25 前轮重新与导线接触图26为在上述动作规划下，前臂移动轮质心X、Y、Z轴方向位移分量。由图可见，机器人在越障过程中，移动轮质心在X轴方向上逐渐左移，在Y轴和Z轴方向上变化不大，机器人的整个越障过程较为平稳。图26 前臂移动轮质心X、Y、Z轴方向位移分量2.1.2双臂越障机器人的结构双臂越障机构减少了一个手臂，因此减小了机器人的体积和功耗。但是双臂在越障时只有一个手臂夹紧导线，所以必须在机器人本体上增加可移动的配重，在越障时调节配重位置，使机器人整体重心位于夹紧手臂的下方，保证机器人的平衡。（1）双臂越障机器人的结构以及线路环境图27为双臂移动机器人的三维实体装配模型，由图可见，其零部件主要有：移动轮、夹持手爪、上臂、垂直丝杠（包括螺母和拉杆等，图中省略）、水平丝杠、旋转台、滑台、导轨等。从图中可以确定各个零部件的装配关系。考虑到在机器人发生故障情况下须有可靠的自保安措施，设计了夹持手爪，防止机器人从线路上摔落。图27 双臂越障机构移动机器人图28为机器人线路环境的三维模型示意图。图中示出了机器人在输电线路上运动时遇到的常见障碍物绝缘子串和防振锤。下文主要以移动机器人避越防振锤为研究目标进行运动学和动力学分析，避越绝缘子串与此过程相类似。图28 双臂移动机器人线路环境三维模型（2）双臂移动机器人运动学仿真导入模型：在SolidWorks软件中将包含双臂移动机器人以及输电线路和金具的三维实体模型保存为Parasolid(*.x_t)格式。对双臂移动机器人在输电线路上移动时的典型的越障任务跨越避让防振锤进行了运动学建模及仿真，并比较分析了机器人在两种动作规划下的不同运动学特性。双臂移动机器人避障时的动作可分解为：机器人在线路上移动，遇到防振锤停止；前臂手爪夹紧导线；前臂抬升、后臂旋转180°（依线路环境左旋或右旋）；两臂沿导轨交互滑移；前臂抬升，后臂反向旋转180°；后臂下降，重新落线，完成后臂越过防振锤的动作。之后前后臂交替重复上述动作过程，完成越过防振锤的全部过程。（3）机器人运动学建模将在SolidWorks中建立的双臂越障机器人的装配模型以及输电线路和金具的三维实体模型以Parasolid格式导入ADAMS中后，固定输电线路和金具，对移动机器人各关节施加运动副（主要为转动副和移动副），调试模型，检查是否有错误。图29为对模型施加完约束后的示意图。除模型各关节之间以各种运动副建立相互关系之外，由于移动轮要在导线上移动，因此，在移动轮和导线之间同时建立接触关系。（在后续进行干涉仿真时，还要建立与导线发生干涉的零部件与导线的接触关系）图29 模型施加约束后示意图图30为模型施加驱动及接触关系后的示意图。其中，图片右下方红色标注部分为可能与导线发生干涉的各种接触。图30 模型施加驱动及接触关系后示意图（4）机器人运动学仿真规划动作。建立好约束、设置好各种驱动后，即可开始机器人的越障过程仿真。为显著起见，暂时令建立的各种接触关系失效，只分析机器人的越障流程。第一步，机器人在线路上无障碍段做滚动运动，如图31所示。第二步，机器人遇到障碍物，停止运动，之后前臂手爪夹持住导线，如图32所示。第三步，机器人前臂逆时针旋转20°，使整个后臂部分抬起，如图33所示。第四步，机器人后臂绕自身旋转轴旋转180°，以免在下一步移动过程中与前臂发生碰撞干涉，如图34所示。第五步，机器人后臂沿导轨滑移至最左端，如图35所示。第六步：机器人前臂顺时针旋转40°，再次抬起后臂，如图36所示。第七步，机器人后臂绕自身旋转轴旋转180°，为落线做准备，如图37所示。第八步，机器人前臂逆时针旋转40°，再次降下后臂，如图38所示。第九步，机器人后臂手爪夹持住导线，完成后臂越过防振锤的过程，并为下一步前臂越障做好准备，如图39所示。第十第十六步（图40-32），重复上述动作，机器人完成前臂越过防振锤的过程，至此，机器人整体完全越过障碍物。 图31 机器人在无障碍段滚动前进 图32 机器人遇障停止运动，前臂手爪夹住导线 图33 前臂逆时针旋转20°，后臂抬起 图34 后臂绕自身轴旋转180° 图35 后臂沿导轨滑移至最左端 图36 前臂顺时针旋转40°，再次抬起后臂 图37 后臂绕自身旋转轴旋转180° 图38 前臂逆时针旋转40°，再次降下后臂 图39 后臂手爪夹住导线，完成后臂越过防振锤的过程 图40 图41 图42 图43 图44 图45 图46图40-46 重复前述动作，机器人完成前臂越过防振锤的过程现在我们来考察一下机器人越障过程中的碰撞问题。令各种接触关系生效，重新运行仿真。在机器人后臂手爪夹持住导线，抬起前臂，之后前臂旋转的过程中，机器人前臂与导线发生了干涉（参见图47及其后视图48红圈标记部分）。查找原因，是因为单纯将前臂抬起之后绕自身轴旋转时，前臂与导线之间的安全距离不足，导致与导线发生了碰撞。针对这一现象，在后臂抬起前臂后，再使后臂根部绕其旋转轴转过一定角度，即可避免碰撞的发生，如图49所示。 图47 前臂与导线发生干涉 图48 图47之后视图图49 后臂根部转过一定角度，前臂与导线干涉现象消除图50为在后一种优化动作规划下，前臂移动轮质心X、Y、Z轴方向位移分量。由图可见，机器人在越障过程中，移动轮质心在X轴方向上逐渐左移，在Y轴和Z轴方向上变化不大，机器人的整个越障过程较为平稳。图50 前臂移动轮质心X、Y、Z轴方向位移分量2.2输电线路感应取电系统设计架空输电线路移动机器人工作在超高压输电线路的环境当中，可以分别采用沿地线移动和沿导线移动两种模式。采用沿地线移动方式的机器人必须自携带能源，又分为充电电池和发电机两种能源方式。由于受体积和重量的限制，蓄电池组不能满足长时间供电要求；可以采用小型汽油发电机为机器人供电，但汽油发电机需携带油箱，工作时受环境影响大，可靠性差。采用沿导线移动方式的机器人可以直接从电力线上获取能源，即耦合供电。采用电力线耦合供电虽然解决了机器人长期工作的电源问题，同时也导致机械机构及控制系统的复杂化，这是因为机器人越障时，电流互感器磁芯须从电力线上脱离，需解决磁芯分离机构控制和备用电源切换技术。针对沿导线移动和沿地线移动分别设计出相应的充电方案，包括沿导线移动非接触式充电系统、沿地线移动充电系统等设计方案。2.2.1感应取电系统的基本结构输电线路感应取电系统是一种将架空输电线路周围的磁能转换为电能，并对蓄电池进行充电或直接为外接负载供电的感应取电装置。感应取电装置的实施方案如图51所示，高压输电线路周围产生的交变磁场，经过铁芯，在感应线圈两端产生感应电动势，再经过整流桥，将交流电转换为直流电，实现给蓄电池充电。监控电路，监测蓄电池的电流、电压、温度等参数，同时控制充电的启停。图51 感应取电装置实施方案图52所示为供移动机器人用的电源系统的单元模块结构。除了AC/DC和蓄电池外，取电装置包括变换器、AC/DC变换单元、电源管理单元，以及使变换器可实现开合运动的执行机构。其中，变换器是将导线周围的磁能转换为交变电能；AC/DC变换单元是将交变电转换为所需的直流电，包括AC/DC、脉冲保护和恒流充电电路等；电源管理是实现对取电和充电的监控，以及对电池的管理。图52中的SW是继电器开关，它由电源管理单元所控制。为了适应移动机器人跨越障碍物，变换器铁芯是可以开合的。图52 取电装置及电源系统的总体结构取电装置的简化模型如图53所示，取电装置等效为一个环形铁芯变压器，初级线圈为高压输电线缆，次级线圈为用户绕组。高压电缆周围的磁场在铁芯上生交变的磁场强度H。一般软磁材料都存在磁饱和特性，为了简化问题分析，假定铁芯材料的磁化特性曲线如图54所示，即在进入饱和状态之前，磁感应强度B随着磁场强度线性变化。进入饱和区后，磁感应强度保持不变。图53 取电装置系统简化结构模型在次级开路时，导线电流足够大时将使铁芯反复进入磁饱和区。导致次级感应电动势畸变。导线电流越大，铁芯处于饱和区对线性区的比率越高，畸变越严重。次级感应电动势将出现尖峰输出。图54 假定铁芯磁化特性曲线当次级连接上由整流桥和蓄电池构成的电路时。由于蓄电池的稳压特性和，整流桥的正向导通特性，使得次级感应线圈的输出尖峰脉冲得到消减。在初级电流比较大时，次级电压输出成矩形波，而电流输出接近正弦波，如图55所示。它们的相位刚好相同。此时，如果考察初级电气特性，可以得知，初级的波形如次级相仿，但相位成180°，因此能量由初级输入而由次级输出，实现能量的转换和传递。图55 理想情况的次级输出感应取电装置汲取能量的原理如图56所示，高压输电线路上通有幅值恒定的交流电流，假定电流正方向如图所示。感应取电装置安在高压输电线路上，等效为在高压输电线路上串联了一个交流的矩形波电压源，该电压源相位刚好与导线电流相位相反，因此高压线上的能量不断输入到感应取电装置。该结构的等效电气模型如图57所示，高压输电线路相当如恒流源，感应取电装置相当于恒压源，因此恒流源的能量不断输入到恒压源（即感应取电装置），获取的能量大小与恒流源的电流和恒压源的电压成正比。高压输电线路的电流本系统无法预测和控制，因此要想获取最大能量，必须提高恒压源的电压，即提高感应取电装置在导线初级的感应反电动势。图56 感应取电装置汲取能量的原理图57 取电装置等效电气模型基于以上的理论假设，可以推导得到当满足条件式(1) 时，取电装置取得最大功率峰值如式(2)所示。(1)(2)其中：(3)为饱和磁感应强度，为交流电周期，为截面积，为次级绕组匝数，为导线电流，为电池电压。变换器由两个马鞍形铁芯构成，两个铁芯可以用机械手稳定开合。图58是铁芯闭合瞬时的情况，在吸合过程中，在励磁电流i确定的情况下 是基本不变的，而励磁电流产生的磁通势为： （1）式中，iN是励磁电流产生的磁通势，为磁通量，Rm是交流磁阻。通过式（1）可知，铁芯吸合前，铁芯的缝隙使得Rm很大，所以启动时的磁场力很大，从而促使铁心快速闭合；铁芯吸合过程中，Rm变小，磁场能也不再大部分转化为机械能（用于闭合铁心），铁芯开始正常工作。虽然工频输电线路电流产生的磁感应强度方向是交变的，但是，由此产生的磁场力会恒定存在，所以上下两个铁心吸合在一起，可以使气隙得到有效的控制。 图58 吸和时铁芯磁感应线的简化图图59所示为电源系统的组成框图。图59 电源系统的基本组成2 变换器基本原理架空电输电导线很长，在两个塔间垂下。在没有磁性物质存在的情况下，长直导线的磁场是围绕导线的同心圆，如图60所示。但是如果磁场附近存在铁芯的话，磁场分布将发生变化，磁感应线将被铁芯吸收。图60 长直导线的磁场分布根据安培环路定律，在磁场中，沿一闭合路径的磁场强度的线积分等于它所包围的电流的代数和，即：其中，磁导率uo是真空磁导率。任意一种磁导率u与真空磁导率uo之比，称为该物质的相对磁导率ur。设闭合路径所包围的电流为i，距导线距离为r的空间任一点磁场强度的大小为：磁感应强度为：B的方向可以用右手定则来判断。假设有电流矢量和为i的长直导线垂直穿过一个内半径为a、外半径为b、高为h的磁性圆环，则圆环通过的磁通为因为在a和b的值较小时，近似认为lna=a，lnb=b，则：其中，所以通过的磁通也可以描述为： （3-1）由上式可以知道：磁通与截面积S和励磁电流i有关。 根据上述理论来计算变换器的主要理论参数，如磁铁材料的选择、截面积、线圈材料的选择及线圈的匝数等，这将是本装置的主要技术难点之一。2.2.2仿真分析为了验证系统的理论假设，采用saber电气仿真软件对理论模型进行了仿真分析，仿真模型如图61所示，铁芯材料的磁化特性曲线如图62所示，饱和磁感应强度1.8T，铁芯材料截面积取50×16mm2，初级绕组匝数设为1匝，初级线圈通100A50Hz的正弦电流，电池的标称电压48V。图61 仿真电气图图62 铁芯磁化特性曲线计算次级最佳匝数匝在该匝数下最大峰值功率为 在该条件下进行仿真分析，结果如图63所示。从仿真结果可以看出，在该匝数下可以取得最大功率（约等于28W），与理论计算结果相符合。图63 仿真结果2.2.3系统设计（1）系统硬件结构图64 系统硬件总体结构系统硬件结构如图64所示，由控制器、驱动器、机械结构、整流桥、电池、保护电路、无线收发器等组成。控制器是系统的核心控制元件，控制器通过无线收发器接收上位机（PC）发出的指令，控制机械机构的开合、充电的进行和停止、数据采集等操作，机械结构的开合是由控制器发出指令信号到驱动器，驱动器控制电机的启停和正反转。控制器可以对电池电压、充电电流以及线圈电压进行检测和信号实时采样，并可以对采集到的信号进行有效值计算。控制器根据采集到的电池电压信号控制电池充电电路启停。保护电路采用模拟方式直接对电池充电电流和电压进行监控，以防止极端条件下（如雷击）对系统的损害。图65 系统电气结构系统的电气结构如图65所示，系统由两套电源供电，系统工作电由48V锂电池提供，主要作为系统工作电源，另外还有取电能量回收的作用；动力电由24V锂电池提供，主要供给电机运转的电能。由于无线收发模块工作电源为12V，故采用48V/12V的电源模块DC/DC。整个系统电源供给由双路开关控制。（2）系统软件结构软件功能：充电过程监测控制；通信功能；强制充电和停止功能；线圈电压、充电电流、充电电压实时采样功能；铁芯开合停止控制；当前系统状态上传功能；充电电流有效值、电池电压有效值、充电平均功率的计算；系统控制软件采用前后台中断工作模式，前台为主程序，如图66所示，主要实现对上位机命令的解析和执行，背景程序实现一些优先级较低的程序，如铁芯开合过程电枢电流的监测、电池工作状态的监测和控制等。线圈电压、充电电流等实时采样和有效值计算的实现是通过定时采样实现的，在本系统中是通过对avr单片机的定时器0溢出中断实现的。当收到实时采样指令时，系统即允许定时中断，采样一定数量的数据后，即停止中断和采样。定时中断流程如图67所示。系统通信过程接收上位机数据是通过串口中断实现的，具体中断流程如图68所示。当系统接收到串口数据时，即产生串口接收中断，中断程序先检测报文头（H字节），如果检测到报文头，即在随后的中断中接受数据到固定缓冲区中，当接收到所需数量的字节后即，对接收到的数据进行处理。首先，通过调用16位CRC，判断是否接收到有效的报文。如果报文通过检验，即可对命令字进行更新。图66 主程序流程图67 定时中断程序流程图68 串口接收中断流程（3）通信协议通信协议含有3种类型报文：命令字报文（上位机发出），返回数据报文（单片机发出），返回状态报文（单片机发出）。三种报文格式如表13所示。下位机（单片机）始终处于服务器状态，它不会主动发送报文，仅对命令字报文做回应。当单片机收到正确报文后，即发送一个应答报文（返回状态报文）。表1.命令字报文（11个字符）HMCmdN3N2N1N0CRC3CRC2CRC1CRC0命令报文头命令字报文指令码a-线圈强制闭合b-线圈强制断开c-请求所有定时采样数据d-请求充电电流和电池电压有效值e-系统复位f-铁芯闭合g-铁芯断开h-系统状态请求i-铁芯开合急停请求数据编号（c命令有效）CRC16校验字表2.返回数据报文格式（26个字符）表3.返回状态报文格式（15个字符）HZCmdAnswerB7B6B5B4B3B2B1B0CRC报文头状态报文指令应答（重复指令码）线圈继电器状态铁芯开合状态电池充电状态保留CRC校验字注：1.所有字符为09，AF, az的ASCII码表示。 2.CRC校验字由在它之前的报文计算得到，所得到的16位二进制数最后转换为4个ASCII字符表示。 3.当上位机发送c、d命令时下位机仅返回数据报文，对于其它命令，下位机仅返回状态报文。 4.串口通信采用1200bps速率，无校验，8位通信（4）人机交互操作图69人机交互界面操作说明如下：点击铁芯打开命令，必需成功发送线圈强制闭合命令a，再成功发送铁芯断开命令g。点击铁芯闭合命令，必需成功发送线圈强制闭合命令a，再成功发送铁芯闭合命令f。 点击定时采样命令，先发送线圈断开命令b，再发送系统复位命令e，再不断发送定时采样命令c，每次命令更新请求数据编号，直到所有数据传递完成，将数据在绘图区显示出来并自动保存数据文件。点击均值采样命令，发送线圈断开命令b，再发送系统复位命令e，再发送均值请求命令d，将采集到的均值数据在状态区显示出来。点击状态更新命令。发送状态更新命令h，将返回的状态信息在状态区显示出来。以上所有命令发送必须在接受到正确的应答信号后再发送下一个的命令。（5）开合装置机械结构根据取电参数要求，以及在导线上取电时的空间要求，确定取电装置铁芯和线圈尺寸如图70。取电开合装置的工作任务是完成上下铁芯打开与合拢，以满足取电装置工作状态（合拢）和跨越障碍物状态（打开）的要求。具体要求如下：1、 打开时动铁芯旋转角度大于60度；2、 动铁芯打开时间小于3秒；3、 动铁芯合拢时，动铁芯与定铁芯接合面应贴合，接合面压力不小于10N；4、 感应取电开合装置上预留安装螺钉孔；5、 感应取电开合装置总重量（包括铁芯和线圈）不大于3Kg。根据以上要求，设计的开合装置如图71所示。图70 铁芯结构 1动铁芯托块 2销 3动铁芯 4杠杆 5销 6螺母 7挡板 8丝杆 9端盖 10驱动单元 11定铁芯托块 12上盖 13线圈 14定铁芯 15压板图71 感应取电开合装置3 转换器及其开合执行机构的一体化机械结构除了前述转换器本身的结构参数外，转换器及其开合机构的一体化结构是本装置的另一个主要技术问题，其难点在于小巧紧凑的执行机构设计及其与转换器一体化结构设计。图72(a)为其处于合拢取电状态，图72(b)为其处于打开非取电状态。（a）合拢取电状态（b）打开过障状态图72 感应取电结构简图 4 AC-DC、脉冲保护电路、充电电路一体化单元和电源管理单元将AC/DC-脉冲保护-充电等强电组成一个独立的单元，AC端将做成宽电压范围的输入，DC端将实现稳压输出，脉冲保护电路将由大电容吸收和负载消耗释放，充电电路为恒流源输出。电源管理单元将用一个独立的极低功耗的单片机作为CPU，负责电源的监测及其与机器人的通信，给机器人发送电源系统状态，由机器人作出控制决策，也可以独立地对电源系统进行控制。表4 取电装置样机性能指标对比编号项目要求指标实测指标1适用导线直径40mm45mm2线路电压500kV>550kV3导线负载电流1000A1000A4连续工作1小时，取电线圈温度低于0.5度低于0.4度5导线负载电流为100A时，取电装置线圈的输出功率15W约为15W6导线负载电流为1000时，取电装置线圈的输出功率120W约为210W7取电装置重量小于5Kg3.1Kg8输出标称电压48V48V3 输电线路移动机器人关键技术试验分析试验是取电装置的重要研究环节，目的是通过试验进一步确定转换器的结构参数、各单元的技术性能等，为取电装置的定型设计提供设计参数。试验研究涉及两大内容，一是取电装置的正交试验，二是取电装置的耐压试验。取电装置的正交试验：在武汉大学机器人所的模拟试验线路上，按正交试验设计方法，获取各试验条件下的基本参数，并通过对试验数据的分析处理，获取转换器的最佳参数。取电装置的耐压试验：在武汉大学高电压与绝缘部级重点实验室（国网公司）内进行，并按相关规范执行。3.1最优参数论证试验为了验证理论分析的正确性，搭建了感应取电装置试验平台，如图73所示。高压线感应取电装置48V蓄电池大电流发生器图73 感应取电实验现场试验系统由大电流发生器、感应取电装置、48V蓄电池、测试仪表等组成。大电流发生器可以产生0-1000A的交流电流输出，将C型感应铁芯扣在导线上，通过感应线圈产生感应电动势，经过整理桥实现对蓄电池充电。测试仪表同时监测高压线输出电流、充电电流、电池电压、次级绕组电流和电压。为了考察铁芯截面积、高压输电线路电流、次级线圈匝数对取电能量的影响，试验选取5组相同材料的铁芯。改变5组铁芯的截面积以一定梯度排列，如图74所示，铁芯上的线圈匝数也分别按一定梯度选取。图74 试验铁芯和线圈试验分析结果如图75所示，图75左上图是考察最大提取能量与导线电流的关系，右上图考察的是最大能量与铁芯截面积之间的关系，铁芯截面积分别是截面积10×50mm2，14×50mm2，18×50mm2，22×50mm2，26×50mm2，图75从左上图和右上图可以看出，最大取能与导线电流和铁芯截面积的线性关系。图75左下图是（即最大功率/截面积*导线电流）在不同的铁芯截面积下随导线电流的趋势走向。可以看出，该值随着导线电流变大逐渐趋近于一常数，在电流比较小时，该值偏离这一常数，分析得知主要是因为大的导线电流时，铁芯磁化特性更接近理论假设。图75右下图主要是为了检验公式1的条件假设，从图中可以看出，最佳匝数与铁芯截面积乘积趋向于在一个固定的区间变化，这主要是试验铁芯面积和匝数的选定相对比较离散，实际最佳值应该在这一区间范围内。图75 试验分析结果3.2样机性能测试试验图76 实验室样机取