智能巡线机器人设计

一种基于ＣＰＬＤ的巡线机器人手臂定位控制系统设计　左　岐　。，谢　植　，梁自泽。，唐健隆。，李　恩。　（１．东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳１１０００６；２．北方工业大学现场总线与自动化重点实验室，北京１０００４１；　３．中国科学院自动化所复杂系统－９智能科学重点实验室，北京１０００８０）　摘要：在讨论电力线巡线常用的设备和方法基础上，分析了巡线机器人的结构、检测系统及运动行　为规划。根据控制对象的时序要求，抽象出控制系统的行为描述，设计了具有状态及保护、定位功能的有　限状态机，最后由可编程逻辑器件加以实现。首次将有限状态机应用在巡线机器人控制系统上，改进了　软件设计为主的设计方法。实验室１１０　ｋＶ模拟线路上的实验结果表明：该系统很好地实现了机器人运　动关节的控制及系统的定位保护功能，响应速度快，可靠性高。　关键词：巡线机器人；障碍识别；状态机；可编程器件　中图分类号：ＴＰ　２４２　文献标志码：Ａ　高压输电线路是电力传输的主要设备之一，它　的安全稳定运行直接影响到供电系统的可靠性。电　力线及杆塔附件长期暴露在野外，受风吹日晒、机械　张力和材料老化的影响，时常出现断股、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，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。所以，必须对输电线路进行定　期巡视检查，及时了解和掌握输电线路的运行情况，　发现和消除隐患，预防事故的发生。　输电线路大多分布远离城镇的自然环境中，线　路巡检是一项艰苦的工作。传统的方法是依靠巡检　工人徒步或骑车沿线行走，直接用眼进行观察的方　法（有时借助望远镜）来检查电力线及附件的外形和　工作状态，这种巡检方式工作量大、效率低，难以保　证巡检质量。在一些山区和跨越江河等特殊地段甚　至无法依靠人工方法完成巡检。　在一些国家和地区，有采用直升飞机进行电力　线巡检的实例，我国四川电力公司２００１年在５００　ｋＶ输电线路上实现了直升机巡线［１］。直升飞机沿　输电线路低空飞行，工作人员直接或借助于摄像机　对输电线路进行观测和记录，一定程度上提高了探　测效率。但是直升机飞行速度高，电力线快速掠过，　无法仔细观察，难以保证探测精度，而且对驾驶技术　要求过高，巡线难度大。另外，直升机的闲置周期　长，运行费用昂贵。所以，现阶段直升机巡线还受许　多客观条件的限制而难以推广。　只有研制先进的巡检设备，才能提高巡检效率　和精度，降低费用，消除事故隐患。　１巡线机器人　１．１巡线机器人的发展　２Ｏ世纪８Ｏ年代，国际上开始研制高压输电线　路巡线机器人口］。１９８８年ＳａｗａｄＥ。　等人首先研制　了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线　（ＯＰＧＷ）巡检机器人，该机器人依靠内嵌的线路结　构参数进行规划。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。１９８９年ＴＲＣ公司　研制了一台悬臂自治巡检机器人，能沿导线长距离　行走，检查绝缘子、结合点、压接头等，并将探测数据　进行预处理后传送到地面。　９Ｏ年代末，国内的一些研究机构和高校开始了　巡线机器人的研究工作，并已经研制多种结构的样　机。为满足在柔性输电线行走并跨越各种障碍物的　要求，巡线机器人必须解决好结构设计、障碍物识别　和运动行为规划等方面的问题。　１．２机械结构　巡线机器人设计必须考虑下列因素：１）适合于　柔性线路平直段、爬坡和下坡段的行走机构；２）具　有旋转、俯仰调整功能的越障机构。为此，中科院自　动化所在国家“８６３”项目支持下，先后研制成三臂轮　式、两臂回旋式结构的巡线机器人，实现了在室内　１１０　ｋＶ模拟线路上自主行走、远程遥控及一些障碍　物的探测识别。　三臂机器人的特点是运行平稳，平衡性能好，可　跨越较大的障碍物，但是它的自身重量大，对电池容　量、驱动电路及结构强度的要求高。两臂机器人简　化了机械结构、降低了自身重量，增加了回旋、臂距　调整、夹持轮抱线等机构，有效地克服了三臂机器人　的不足，成为主流机型，但两臂机器人的运动关节控　制及行为规划复杂，增加了系统设计与控制的难度。　１．３障碍物探测与识别　输电线路上的防震锤、绝缘子、线夹等附件是机　器人运行的主要障碍。为跨越这些障碍，实现长距　离的巡检，机器人必须借助于各种传感器实时探测，　・２２・　《新技术新工艺》・数字设计与数字制造

巡线机器人小车的设计教案

一、教学目标

1.了解巡线机器人小车的原理和结构；

2.掌握巡线机器人小车的基本设计方法和制作步骤；

3.培养学生动手实践和团队合作的能力。

二、教学内容

1.巡线机器人小车的原理和结构介绍；

2.巡线机器人小车的设计和制作步骤；

3.巡线机器人小车的实验和测试。

三、教学步骤

1.引入（10分钟）

通过问问题或展示相关视频等方式，引导学生了解巡线机器人小车的应用领域和原理，并激发学生的学习兴趣。

2.原理和结构介绍（20分钟）

介绍巡线机器人小车的原理和结构，包括传感器、电机、控制器等重要组件的功能和相互关系。

3.设计和制作步骤（40分钟）

3.1设计阶段：

-理清需求和目标：明确巡线机器人小车的功能和性能要求； -选材和选购：了解各种零配件的特点和使用场景，选择适合的材料和组件；

-绘制草图：根据设计要求，设计巡线机器人小车的外形结构；

-确定电路设计：设计巡线传感器和驱动电机的电路连接方式。

3.2制作阶段：

-零件加工：根据草图，使用相应的工具制作机器人小车的零件；

-组装调试：将制作好的零件按照设计要求进行组装，并进行初步的调试操作；

-完善细节：修饰和装饰巡线机器人小车的外观，使其更加美观和实用。

4.实验和测试（30分钟）

将制作好的巡线机器人小车放置在特定的地面上，通过调试巡线传感器和电机控制器的参数，测试小车的行驶性能并观察巡线能力。

四、实施方案

1.教学准备

准备相关巡线机器人小车的资料和组件，准备实验平台和工具；

2.教学方式

通过讲解、演示、实践等多种教学方式相结合进行教学；

3.教学评估 通过实验和测试的结果来评估学生的学习成果，可以结合实际情况进行个别评估。

五、教学反思

1.关注学生的学习兴趣，加强实践操作环节，提高学生的动手能力；

2.增加小组合作的学习任务，培养学生的团队合作和沟通能力；

3.及时收集学生的反馈意见，改进和调整教学策略，提高教学效果。

天然气长输管线无人机智慧巡检应用

摘要：在石油化工和天然气的发展中，油气管道起到了运输和保存介质的作用，随着科学技术的快速发展和能源消费的不断增长，油气管道的应用和研发得到了广泛的提高。但随着油气管道使用寿命的延长，容易出现污染、腐蚀、堵塞等问题，且管道大多深埋地下、铺设在海底、悬浮在空中、穿梭于建筑物中，对检测和维护的要求更高，一旦隐患未被发现，就会造成经济损失、人员伤亡甚至导致整个系统的崩溃。目前最常见的是人工检测管道，需要携带大量的设备，配备大量的人员，而且效率不高，检测的结果和准确性得不到保证，而且存在危害检测人员安全的危险。随着无人机科技的迅速发展以及对油气管道安全问题的特别重视，衍生了以油气管道检测的无人机代替人力进行全面检测油气管道。

关键词：天然气；长输管线；无人机智慧巡检；应用

引言

天然气长输管道承担着油气资源长距离输送的重要任务，其检测质量将直接影响油气资源的输送效率和管道运行的安全可靠性。近年来，中国天然气管道总里程呈现出持续增长的趋势，对社会经济的可持续发展起到了显著的促进作用。但是，由于在天然气长输管道的检查中影响因素很多，一些操作人员不能掌握技术要点，从而产生各种各样的问题。针对这种情况，有必要结合长输管道工程的检测目标，选择科学先进的检测技术，提高天然气长输管道的输送质量。接下来文章将对机器人在天然气长输管道巡检方面的总体方案设计和无人机长输燃气管道巡检系统的应用作对比，凸显无人机的使用优势。

1.无人机技术的应用特点

无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机控制系统操作的无人驾驶飞行器，具有以下特点。(1)灵活、小型无人机体积小、重量轻，可以在不需要使用其他工具的前提下进行携带，此外该无人机对起飞地形没有严格要求，起飞条件简单。(2)视野全面，无人机可以利用无线技术实现超视距控制，根据场景需要，从不同角度、不同距离在不同光照条件下完成操作，既可以完成高空目标的全局射击，也可以根据需要完成关键细节的射击。(3)实时图像传输，无人机可采用无线图像传输技术，实现现场图像的实时传输，画质清晰，确保实时掌握现场情况。（4）安全可靠，在一些危险区域，人员无法到达的地方，可以利用无人机技术进行现场拍摄，确保人员安全。（5）操作简单，无人机实际操作简单，只需掌握好飞行、拍摄等其他兼容模块的操作，便可以发挥其效能[1]。

实 验 报 告

（理工类）

课 程 名 称: 机器人创新实验

课 程 代 码:

学生所在学院: 机械工程学院

年级/专业/班: 2014级机电一班

学 生 姓 名:

学 号:

实验总成绩:

任 课 教 师: 韦兴平

开 课 学 院: 机械工程学院

实验中心名称: 机械工程基础实验中心 一 设计题目

利用Arduino设计搭建智能巡线小车

二 小组成员分工

姓名 学号 班级 任务分工

袁成

三 实验内容（图文记录平时上课关键知识）

1、小灯延时闪烁实验：小灯延时一秒闪烁一次，指令：delay(xx)。应用举例：delay(500); // 延迟500ms。

2、呼吸灯实验：使小灯忽明忽暗，延时300ms。

3、串口通信监视实验：

（1.按实验一的步骤把开发板连到PC机上；

（2.采用杜邦线把红外探头VCC和GND分别连接到开发板的5V和地，OUT端连到开发板的任意一个模拟量输入端口；

（3.设置对应的模拟量输入端口为输入模式；

（4.读取模拟量端口的值；

（5.打开串口并设置波特率；

（6.打开串口监视器，拿一物体遮挡在红外探头前方并移动，观察串口监视器中读取的模拟量值是否变化；

（7.观察串口监视器界面的运行结果，如不符合预期设计要求，则重复修改及下载程序，直到符合要求为止。

指令：Serial.begin(xx)。打开串口并设置通信波特率。应用举例：Serial.begin(9600) ; //打开串口并设置通信波特率为9600。