一種高壓線除冰機器人的設計

鄭焱月 楊鈺 趙英偉 陳燕民 王國慶 劉華

摘 要：設計了一款基于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、除冰和數據實時監測等功能。通過實驗室測試和調整，較好地實現了預期功能。

關鍵詞：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，我國的電力行業得到迅速發展，電網覆蓋面積擴大，線路走廊穿越的地理環境更加復雜，輸電線路冰災事故更為頻發。嚴重的輸電線路覆冰會導致桿塔傾斜、倒塌、斷線，絕緣子閃絡，而且線路不均勻覆冰和不同期脫冰還會引起導線舞動現象，這些情況會引發線路跳閘、供電中斷等事故，給工農業生產和人民生活造成嚴重影響。

目前，國內外除冰方法有30余種，根據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，但實際應用中限制因素太多，不能廣泛適用。對于較為嚴重的導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 系統設計

本系統邏輯可分為四部分，總體結構框圖如圖1，整體實物圖如圖2。

檢測部分：數據采集，根據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：采用懸掛式行走機構，通過步進電機的正反轉驅動除冰機器人在高壓線上前后自由行動。

除冰機構：采用機械敲擊的方法，利用高速電機的轉動驅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據監管。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轉換芯片，對兩路光敏電阻實時采集的光信號進行模數轉換。將數字化的光信號強弱與預期值對比，從而得出機器人是否進行自主除冰。預期值來自多次試驗所取的平均值。PCF8591電路圖如圖3。

2.2 驅動模塊

利用LM298電機驅動芯片，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驅動模塊是2路的H橋驅動，所以可以同時驅動兩個電機，使能ENA ENB之后，電機1的轉速和方向可以分別從IN1 IN2輸入PWM信號驅動；電機2的轉速和方向可以分別從IN3 IN4輸入PWM信號驅動。驅動模塊實物如圖4。

2.3 藍牙模塊

利用HC-06藍牙模塊與手機對接，實時將檢測數據傳送給手機，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備擺脫線纜的束縛在10米范圍內實現無線串口通信。使用該模塊無需了解復雜的藍牙底層協議，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 機構設計

3.1 檢測機構設計

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構，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量的發光二極管和激光發生器作為光源，并安裝了光敏傳感器用來實時采集光強數據[2]。實物圖如圖6：

3.2 行走機構設計

采用雙凹槽滑輪懸掛式行走機構[3]，利用左右兩個滑輪將機器人懸掛在高壓線上，驅動滑輪的步進電機兩邊各分布一個，以此來增加穩定性。凹槽滑輪通過步進電機的正反轉來進行前后的行走。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定性，滑輪和高壓線的接觸面設計成了不光滑的凹凸面，以增加摩擦力[4]。實物圖如7。

3.3 除冰機構設計

除冰結構采用類似剪刀的結構，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，加以強彈簧形變產生的拉力使除冰剪刀手結構做開合動作，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 軟件設計

除冰機器人通過檢測結構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，與單片機的預設數值進行比較后輸出信號來驅動機器人的驅動部分和除冰部分工作，開始對結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的開啟和關閉；第二種是自動模式，啟動機器人在高壓線上巡檢，將采集的光強數值時刻與預設值比較，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對機器人發出指令來控制它做出相應動作，并且可以實時監控檢測部分傳來的數據，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。考慮到實際操作中，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 結束語

高壓線除冰機器人以STC89C52單片機為核心處理器，檢測結構實時檢測光強數據，得到的數據輸入核心處理器進行處理，核心處理器處理后輸出指令驅使運動結構和除冰結構動作。同時，實驗室下可以通過藍牙模塊進行通信，以便實時監控數據并發出動作指令。遠程距離可以使用短信通信模塊替代藍牙模塊。該設計實現了對覆冰高壓線的監測和覆冰清理，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，同時保障電力設施的正常運行、提升了工業用電和日常生活用電的穩定性，經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，2011（11）：167-170.

[2]李海，張吉，楊汝舟，等.架空高壓輸電線除冰機器人設計[J].中國科技信息，2010（19）：111-112.

[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計[J].機電產品開發與創新，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，2013（Z1）：63.

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