张树立++杨天顺++陈运正++马晓欢

[摘 要]随着社会经济的高速发展和城乡建设速度的加快，架空输电线路所处的地理环境发生了很大的变化，原本偏僻的旷野和农田现在变成了居民区和开发区，人类活动的增多加大了架空输电线路发生事故的隐患，如春秋季风把风筝、地膜等异物刮落并缠绕在导地线活杆塔上，如果不及时清理可能引发架空输电线路的跳闸故障。基于此，本文研究并设计了一种定点巡视与带电清理平台，可以利用机械臂、无人机等进行导地线异物的带电清理，对于确保架空输电线路的供电可靠性具有重要的现实意义。

[关键词]定点巡视；带电清理；无人机；机械臂；航拍摄像机

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0092-01

1 问题提出

以往架空输电线路上缠绕异物的清理，主要有如下两种方式：

第一种是停电处理，即对于已经跳闸线路和垂直排列的导线等带电处理安全距离不够的情况，采用停电后由人工进行登塔处理。

第二种是带电处理，比较常见的有悬挂软梯处理法和穿全套屏蔽服处理法，前者是在缠绕异物的导地线上安装绝缘软梯，然后由等电位作业人员攀登软梯进入电场进行异物处理；后者是等电位作业人员采用吊篮法、载人旋转式平梯法直接沿耐张绝缘子串进入强电场，然后清理缠绕异物。

上述两种方式都存在很大的不足之处，如停电处理不仅会影响用户的正常用电，而且受到停电时间和运行方式的限制，因此并不适宜大面积使用；带电处理存在一定的安全隐患，使用流程也比较繁琐。基于此，如何构建一种安全、高效且适宜大范围使用的定点巡视与带电清理平台就迫在眉睫了。

2 定点巡视与带电清理平台的设计

2.1 总体思路

本文所设计的定点巡视与带电清理平台，将在多旋翼无人机上安装机械臂、航拍摄像机及适用的钩子等部件，针对架空线路上的风筝、包装带等异物，利用无人机带电进入现场、带电消除的方法与措施，来降低劳动强度，提高异物清理的安全性。

2.2 多旋翼无人机

根据无人机的结构，可将其分为如下三类：（1）固定翼无人机，其飞行速度可达到100～200km/h，并且持续时间长，适合进行大范围、大面积及长距离巡检，但不能悬停，只能沿线路进行单方向快速巡检；（2）无人直升机，其能够定点起飞、降落及固定悬停，飞行速度多在100km/h以内，但续航时间较短，不适宜长距离巡线；（3）多旋翼无人机，其体积小且巡线时不会占用航道，可快速充电来保障持续飞行，具有车载大范围机动和个人携带能力，可实行高精度控制来获取目标高清图像。

无人机的价格比较高，固定翼无人机和无人机直升机的价格都是百万以上，性能较的甚至超过了千万。这样的成本对于一般的电力部门是难以承受的，而且现阶段超长距离的整体巡线频率也不高，因此价格便宜而且巡线方式灵活的多旋翼无人机是现阶段最容易得到推广的机型，故本文最终选择了多旋翼无人机，如图1所示。

2.2 航拍摄像机

以往输电线路巡线多采用目测法，即在视距中用人眼直接观测或用望远镜对导线等进行观测，沿着输电线路走，这种方法简单易行，但是实际应用中，由于受地理、气候等条件的限制，有很多的地方不能观测到或无法准确的观测，因此通常只有输电线路破损部分状况严重时才能被发现。

针对目测法的缺陷，本文采用在多旋翼无人机安装航拍摄像机（由高清摄像机及自动云台组成）的方式，来对输电线路及相关设施（输电线、架空地线、金具、绝缘子、杆塔等）的状况进行检测，例如利用航拍摄像机所拍摄的输电线路图像，工作人员可以通过肉眼识别出图像中的异常现象，如果发现输电线路上有风筝等异物，就可以通过操作机械臂及钩子来进行清除。

2.3 机械臂

作为一款多功能异物消除装置，为完成抓取风筝、包装袋等异物的任务，本装置必须能够灵活地到指定目标位置进行异物抓取，能够方便地伸长、旋转到不同的姿态，如果自由度太小将大大限制机械臂的工作空间而无法抓取目标物。考虑到有时目标物可能置于不利空间中，还应该使机械手能够有效达到避障的目的。

考虑到上述因素，本装置的机械臂具有3个自由度（手部、臂部和肩部），图2为机械臂的具体结构，其的相关参数如下：大臂380mm、小臂420m、手爪160mm，折叠时总长≤650mm，单臂杆转动范围为150°，旋动速度0.5rad/s， 抓取重量为3kg，抓取对象为直径40mm、长度360mm的圆柱体。机械臂设计中，绕水平轴旋转的自由度肩部使用了蜗轮蜗杆副，臂部使用了圆锥齿轮传动，手部使用了直齿圆柱齿轮及左右螺旋的形式传动。

机械臂的硬件体系结构的设计采用了模块的设计思想（如图3），模块1为基于运动控制卡的平台驱动模块；模块2为基于运动控制卡的机械臂模块；模块3为包含图像采集卡的视觉模块；模块4为基于单片机的超声和接触传感器处理模块。

上述结构中，模块1实现平台的转动；模块2实现各关节的转动；模块3实现利用图像采集卡将摄像头传入的模拟信号转化为数字视频信号，同时通过RS232串口同主控计算机连接，提供当前的路径情况。以上3个模块都通过PCI总线扩展槽和主控计算机进行通讯。传感器处理模块利用单片机系统实现对各个传感器的数据采集，然后利用平台运动控制卡的I/O接口和主控计算机相连。主控计算机完成各个部件模块的数据处理和计算任务，显示器是监控人员和的交互界面。

3 结语

采用本文所设计的定点巡视与带电清理平台来去除架空线路上的风筝、塑料包装等异物时不用停电，人员无需带电作业，需用人力大大减少，时间大大缩短，规避了不安全的的因素且避免了长时间停电带来的经济损失，对保证线路的可靠运行起到了重要的作用。因此笔者认为，本定点巡视与带电清理平台具有很强的实用价值和推广意义。

参考文献

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