一种高压线除冰机器人的设计

一种高压线除冰机器人的设计
设计了一款基于STC89C52单片机的高压线除冰机器人。

该机器人可通过蓝牙通讯、短信通信和自我检测完成在高压线上的行走、除冰和数据实时监测等功能。

通过实验室测试和调整，较好地实现了预期功能。

标签：机械除冰；光强检测；高压线路
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
改革开放以来，我国的电力行业得到迅速发展，电网覆盖面积扩大，线路走廊穿越的地理环境更加复杂，输电线路冰灾事故更为频发。

严重的输电线路覆冰会导致杆塔倾斜、倒塌、断线，绝缘子闪络，而且线路不均匀覆冰和不同期脱冰还会引起导线舞动现象，这些情况会引发线路跳闸、供电中断等事故，给工农业生产和人民生活造成严重影响。

目前，国内外除冰方法有30余种，根据除冰机理可分为机械除冰法与热力融冰法两类。

机械除冰方法能耗较小，但是除冰效率低，而且一般需要人工参与；热力融冰较机械除冰速度快，安全性高，但实际应用中限制因素太多，不能广泛适用。

对于较为严重的导线覆冰一般以人工上线除冰最为有效，但人工除冰危险性很高且效率较低。

1 系统设计
本系统逻辑可分为四部分，总体结构框图如图1，整体实物图如图2。

检测部分：数据采集，根据覆冰影响光强的原理[1]，通过激光和光敏传感器检测高压线的覆冰情况，利用AD芯片PCF8591将信号采集到核心控制器。

行走机构：采用悬挂式行走机构，通过步进电机的正反转驱动除冰机器人在高压线上前后自由行动。

除冰机构：采用机械敲击的方法，利用高速电机的转动驱动除冰剪刀手对高压线覆冰进行清除。

上位机：实验室条件下，利用手机通过蓝牙模块和机器人进行通信，对机器人进行操控和数据监管。

远程条件下可考虑使用短信通信模块。

2 模块功能
2.1 检测模块
利用PCF8591八位ADDA转换芯片，对两路光敏电阻实时采集的光信号进行模数转换。

将数字化的光信号强弱与预期值对比，从而得出机器人是否进行自主除冰。

预期值来自多次试验所取的平均值。

PCF8591电路图如图3。

2.2 驱动模块
利用LM298电机驱动芯片，对电机进行控制，完成对机器人行走方向以及除冰启停的控制。

由于LM298驱动模块是2路的H桥驱动，所以可以同时驱动两个电机，使能ENA ENB之后，电机1的转速和方向可以分别从IN1 IN2输入PWM信号驱动；电机2的转速和方向可以分别从IN3 IN4输入PWM信号驱动。

驱动模块实物如图4。

2.3 蓝牙模块
利用HC-06蓝牙模块与手机对接，实时将检测数据传送给手机，同时也可以通过手机对机器人的动作进行控制。

蓝牙模块可以让你原来使用串口的设备摆脱线缆的束缚在10米范围内实现无线串口通信。

使用该模块无需了解复杂的蓝牙底层协议，只要简单的几个步骤即可享受到无线通信的便捷。

蓝牙模块如图5。

蓝牙模块通信距离较短，在考虑到实际使用中信息传输距离较远，建议更换为短信通信模块，以便更好地进行远距离信息通信。

3 机构设计
3.1 检测机构设计
由于高压线比较粗，市场上没有合适的凹轮和凹槽，我们对高压线进行物理测量后，绘制了合适的凹轮和凹槽的机械结构，并利用3D打印机打印出了满足我们要求的元器件。

检测部分的凹槽里面安装了一定数量的发光二极管和激光发生器作为光源，并安装了光敏传感器用来实时采集光强数据[2]。

实物图如图6：
3.2 行走机构设计
采用双凹槽滑轮悬挂式行走机构[3]，利用左右两个滑轮将机器人悬挂在高压线上，驱动滑轮的步进电机两边各分布一个，以此来增加稳定性。

凹槽滑轮通过步进电机的正反转来进行前后的行走。

由于市场上没有适合高压线用的凹槽滑轮，我们同样利用3D打印机打印出了满足要求的器件。

同时为了保证滑轮在覆冰上行走的稳定性，滑轮和高压线的接触面设计成了不光滑的凹凸面，以增加摩擦力[4]。

实物图如7。

3.3 除冰机构设计
除冰结构采用类似剪刀的结构，将两根铝合金管交叉固定，上半部分用强弹性弹簧连接，底部用高速电机驱动尺寸合适的椭圆圆盘进行圆周运动，头部连接锋利的除冰刀刃。

通过做圆周运动的椭圆圆盘长短边的交替，加以强弹簧形变产生的拉力使除冰剪刀手结构做开合动作，动作的同时锋利的除冰刀刃对高压线的覆冰进行敲击和切割，以达到对高压线覆冰的清除[5]。

实物图如图8。

4 软件设计
除冰机器人通过检测结构检测覆冰高压线路的光强变化。

为了提高检测的精确度，检测模块中添加了激光发生器，通过光敏传感器收集光强信息。

检测信息输入单片机，与单片机的预设数值进行比较后输出信号来驱动机器人的驱动部分和除冰部分工作，开始对结冰的高压线进行除冰。

除冰机器人有两种工作方式，第一种是手动操作方式，利用手机APP对光强信息进行采集，同时人工控制机器人的运动和除冰机构的开启和关闭；第二种是自动模式，启动机器人在高压线上巡检，将采集的光强数值时刻与预设值比较，进行自我判断除冰。

运行流程图如图9。

为了可以实时监控并且可以人为控制该机器人，添加了一个蓝牙模块来进行外部通信。

通过蓝牙模块，利用手机App对机器人发出指令来控制它做出相应动作，并且可以实时监控检测部分传来的数据，人为判断线路的覆冰情况。

手机App界面如图10。

因为蓝牙模块通信距离较近，实验室试验时完全可以满足要求。

考虑到实际操作中，通信距离较远，可将蓝牙模块更换为短信通信模块，以满足实际操作的需求。

5 结束语
高压线除冰机器人以STC89C52单片机为核心处理器，检测结构实时检测光强数据，得到的数据输入核心处理器进行处理，核心处理器处理后输出指令驱使运动结构和除冰结构动作。

同时，实验室下可以通过蓝牙模块进行通信，以便实时监控数据并发出动作指令。

远程距离可以使用短信通信模块替代蓝牙模块。

该设计实现了对覆冰高压线的监测和覆冰清理，较高效率的代替人工工作除冰，减轻工作人员的负担、保证工作人员的安全，同时保障电力设施的正常运行、提升了工业用电和日常生活用电的稳定性，经济效益和社会效益得到了明显的提高。

参考文献：
[1]虢韬，刘锐.贵州省高压输电线路覆冰情况与观冰方法研究[J].水电能源科学，2011（11）：167-170.
[2]李海，張吉，杨汝舟，等.架空高压输电线除冰机器人设计[J].中国科技信息，2010（19）：111-112.
[3]朱健林，原所先，陈陆淼，等.悬挂行走式高压线除冰越障机器人的设计[J].机电产品开发与创新，2011（06）：22-23+15.
[4]陈钦荣，黄炎翮，蔡廷标，等.深山里的线路除冰人[J].广西电业，2013（Z1）：63.
[5]“机器人”高压线上行走除冰[J].发明与创新（综合科技），2011（03）：36.。