一種高壓線除冰機器人的設(shè)計

鄭焱月 楊鈺 趙英偉 陳燕民 王國慶 劉華

摘 要：設(shè)計了一款基于STC89C52單片機的高壓線除冰機器人。該機器人可通過藍牙通訊、短信通信和自我檢測完成在高壓線上的行走、除冰和數(shù)據(jù)實時監(jiān)測等功能。通過實驗室測試和調(diào)整，較好地實現(xiàn)了預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：機械除冰；光強檢測；高壓線路

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0048-03

Abstract： A high-voltage deicing robot based on STC89C52 microcontroller is designed. The robot can perform the functions of walking， deicing and data real-time monitoring on high-voltage lines through Bluetooth communication， short message communication and self-detection. Through the laboratory test and adjustment， the expected function is well realized.

Keywords： mechanical deicing； light intensity detection； high voltage line

改革開放以來，我國的電力行業(yè)得到迅速發(fā)展，電網(wǎng)覆蓋面積擴大，線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜，輸電線路冰災(zāi)事故更為頻發(fā)。嚴重的輸電線路覆冰會導(dǎo)致桿塔傾斜、倒塌、斷線，絕緣子閃絡(luò)，而且線路不均勻覆冰和不同期脫冰還會引起導(dǎo)線舞動現(xiàn)象，這些情況會引發(fā)線路跳閘、供電中斷等事故，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成嚴重影響。

目前，國內(nèi)外除冰方法有30余種，根據(jù)除冰機理可分為機械除冰法與熱力融冰法兩類。機械除冰方法能耗較小，但是除冰效率低，而且一般需要人工參與；熱力融冰較機械除冰速度快，安全性高，但實際應(yīng)用中限制因素太多，不能廣泛適用。對于較為嚴重的導(dǎo)線覆冰一般以人工上線除冰最為有效，但人工除冰危險性很高且效率較低。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)邏輯可分為四部分，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1，整體實物圖如圖2。

檢測部分：數(shù)據(jù)采集，根據(jù)覆冰影響光強的原理[1]，通過激光和光敏傳感器檢測高壓線的覆冰情況，利用AD芯片PCF8591將信號采集到核心控制器。

行走機構(gòu)：采用懸掛式行走機構(gòu)，通過步進電機的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動除冰機器人在高壓線上前后自由行動。

除冰機構(gòu)：采用機械敲擊的方法，利用高速電機的轉(zhuǎn)動驅(qū)動除冰剪刀手對高壓線覆冰進行清除。

上位機：實驗室條件下，利用手機通過藍牙模塊和機器人進行通信，對機器人進行操控和數(shù)據(jù)監(jiān)管。遠程條件下可考慮使用短信通信模塊。

2 模塊功能

2.1 檢測模塊

利用PCF8591八位ADDA轉(zhuǎn)換芯片，對兩路光敏電阻實時采集的光信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將數(shù)字化的光信號強弱與預(yù)期值對比，從而得出機器人是否進行自主除冰。預(yù)期值來自多次試驗所取的平均值。PCF8591電路圖如圖3。

2.2 驅(qū)動模塊

利用LM298電機驅(qū)動芯片，對電機進行控制，完成對機器人行走方向以及除冰啟停的控制。由于LM298驅(qū)動模塊是2路的H橋驅(qū)動，所以可以同時驅(qū)動兩個電機，使能ENA ENB之后，電機1的轉(zhuǎn)速和方向可以分別從IN1 IN2輸入PWM信號驅(qū)動；電機2的轉(zhuǎn)速和方向可以分別從IN3 IN4輸入PWM信號驅(qū)動。驅(qū)動模塊實物如圖4。

2.3 藍牙模塊

利用HC-06藍牙模塊與手機對接，實時將檢測數(shù)據(jù)傳送給手機，同時也可以通過手機對機器人的動作進行控制。藍牙模塊可以讓你原來使用串口的設(shè)備擺脫線纜的束縛在10米范圍內(nèi)實現(xiàn)無線串口通信。使用該模塊無需了解復(fù)雜的藍牙底層協(xié)議，只要簡單的幾個步驟即可享受到無線通信的便捷。藍牙模塊如圖5。

藍牙模塊通信距離較短，在考慮到實際使用中信息傳輸距離較遠，建議更換為短信通信模塊，以便更好地進行遠距離信息通信。

3 機構(gòu)設(shè)計

3.1 檢測機構(gòu)設(shè)計

由于高壓線比較粗，市場上沒有合適的凹輪和凹槽，我們對高壓線進行物理測量后，繪制了合適的凹輪和凹槽的機械結(jié)構(gòu)，并利用3D打印機打印出了滿足我們要求的元器件。檢測部分的凹槽里面安裝了一定數(shù)量的發(fā)光二極管和激光發(fā)生器作為光源，并安裝了光敏傳感器用來實時采集光強數(shù)據(jù)[2]。實物圖如圖6：

3.2 行走機構(gòu)設(shè)計

采用雙凹槽滑輪懸掛式行走機構(gòu)[3]，利用左右兩個滑輪將機器人懸掛在高壓線上，驅(qū)動滑輪的步進電機兩邊各分布一個，以此來增加穩(wěn)定性。凹槽滑輪通過步進電機的正反轉(zhuǎn)來進行前后的行走。由于市場上沒有適合高壓線用的凹槽滑輪，我們同樣利用3D打印機打印出了滿足要求的器件。同時為了保證滑輪在覆冰上行走的穩(wěn)定性，滑輪和高壓線的接觸面設(shè)計成了不光滑的凹凸面，以增加摩擦力[4]。實物圖如7。

3.3 除冰機構(gòu)設(shè)計

除冰結(jié)構(gòu)采用類似剪刀的結(jié)構(gòu)，將兩根鋁合金管交叉固定，上半部分用強彈性彈簧連接，底部用高速電機驅(qū)動尺寸合適的橢圓圓盤進行圓周運動，頭部連接鋒利的除冰刀刃。通過做圓周運動的橢圓圓盤長短邊的交替，加以強彈簧形變產(chǎn)生的拉力使除冰剪刀手結(jié)構(gòu)做開合動作，動作的同時鋒利的除冰刀刃對高壓線的覆冰進行敲擊和切割，以達到對高壓線覆冰的清除[5]。實物圖如圖8。

4 軟件設(shè)計

除冰機器人通過檢測結(jié)構(gòu)檢測覆冰高壓線路的光強變化。為了提高檢測的精確度，檢測模塊中添加了激光發(fā)生器，通過光敏傳感器收集光強信息。檢測信息輸入單片機，與單片機的預(yù)設(shè)數(shù)值進行比較后輸出信號來驅(qū)動機器人的驅(qū)動部分和除冰部分工作，開始對結(jié)冰的高壓線進行除冰。

除冰機器人有兩種工作方式，第一種是手動操作方式，利用手機APP對光強信息進行采集，同時人工控制機器人的運動和除冰機構(gòu)的開啟和關(guān)閉；第二種是自動模式，啟動機器人在高壓線上巡檢，將采集的光強數(shù)值時刻與預(yù)設(shè)值比較，進行自我判斷除冰。運行流程圖如圖9。

為了可以實時監(jiān)控并且可以人為控制該機器人，添加了一個藍牙模塊來進行外部通信。通過藍牙模塊，利用手機App對機器人發(fā)出指令來控制它做出相應(yīng)動作，并且可以實時監(jiān)控檢測部分傳來的數(shù)據(jù)，人為判斷線路的覆冰情況。手機App界面如圖10。

因為藍牙模塊通信距離較近，實驗室試驗時完全可以滿足要求?？紤]到實際操作中，通信距離較遠，可將藍牙模塊更換為短信通信模塊，以滿足實際操作的需求。

5 結(jié)束語

高壓線除冰機器人以STC89C52單片機為核心處理器，檢測結(jié)構(gòu)實時檢測光強數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)輸入核心處理器進行處理，核心處理器處理后輸出指令驅(qū)使運動結(jié)構(gòu)和除冰結(jié)構(gòu)動作。同時，實驗室下可以通過藍牙模塊進行通信，以便實時監(jiān)控數(shù)據(jù)并發(fā)出動作指令。遠程距離可以使用短信通信模塊替代藍牙模塊。該設(shè)計實現(xiàn)了對覆冰高壓線的監(jiān)測和覆冰清理，較高效率的代替人工工作除冰，減輕工作人員的負擔、保證工作人員的安全，同時保障電力設(shè)施的正常運行、提升了工業(yè)用電和日常生活用電的穩(wěn)定性，經(jīng)濟效益和社會效益得到了明顯的提高。

參考文獻：

[1]虢韜，劉銳.貴州省高壓輸電線路覆冰情況與觀冰方法研究[J].水電能源科學(xué)，2011（11）：167-170.

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[3]朱健林，原所先，陳陸淼，等.懸掛行走式高壓線除冰越障機器人的設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011（06）：22-23+15.

[4]陳欽榮，黃炎翮，蔡廷標，等.深山里的線路除冰人[J].廣西電業(yè)，2013（Z1）：63.

[5]“機器人”高壓線上行走除冰[J].發(fā)明與創(chuàng)新（綜合科技），2011（03）：36.