專利名稱：電力線路巡檢機器人飛機及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人及自動化技術領域，特別是提供了一種電力線路巡檢機器人飛機及其控制系統(tǒng)。
背景技術：
隨著我國經(jīng)濟高速全面發(fā)展，對能源的需要越來越大，超高壓大容量電力線路大幅擴建。線路走廊需要穿越各種復雜的地理環(huán)境，如經(jīng)過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺等，這些都給電力線路的檢測帶來很多困難。特別是對于電力線路穿越原始森林邊緣地區(qū)、飛播林區(qū)和高海拔、冰雪覆蓋區(qū)，以及沿線存在頻繁的滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，大部分地區(qū)山高坡陡，交通、通訊極不發(fā)達時，如何解決電力線路的日常檢測成為困擾電力行業(yè)的一個重大難題。與此同時，社會和經(jīng)濟的發(fā)展對能源安全提出了越來越高的要求，突發(fā)性的大規(guī)模輸電故障將會導致巨大的經(jīng)濟損失，影響經(jīng)濟的平穩(wěn)運行和社會穩(wěn)定。這就要求電力線路檢測更加準確及時，為能源安全提供有力保障。
目前，我國電力線路的巡檢工作主要由人工完成，而人工巡檢存在安全，效率低，準確性差等問題。目前的高壓電力線路已達到幾百千伏以上，傳統(tǒng)的人工巡檢采用攀爬電力線鐵塔的方式，有著極大的安全隱患。大量電力線路穿越無人區(qū)，人工巡檢從地理上受到嚴重的限制。人體活動的范圍受到體能的約束，檢測的距離有限。人工對電力線路進行觀測，用經(jīng)驗判斷線路是否出現(xiàn)故障，也容易造成失誤，準確性不高。
國外使用直升機代替人工進行電力線路的日常巡檢工作已經(jīng)比較流行，國內(nèi)也開始探索。從國內(nèi)外的使用經(jīng)驗反饋來看，人工駕駛直升機進行電力線路檢測有適應性差，安全性低，費用高昂等缺點。我國的低空領域是受國家管制的，民用航空有關問題如飛行路線，飛行時間等都必須經(jīng)過民航部門的批準。電力線路架空高度較低，使用直升機進行巡檢須低空沿線飛行，空中情況復雜，飛行員需要隨時與線路保持視線接觸，同時進行正常的飛行操作，大大加大了操作難度。在一般的飛行員手冊中都有“避免貼近高壓電線飛行”的規(guī)定，巡線飛行反其道而行之，與高壓線保持近距離平行飛行，飛行速度較快，危險性大為增加，在國外已經(jīng)多次發(fā)生巡檢直升機墜機事故。
隨著機器人技術的發(fā)展，采用機器人進行電力線路的巡檢逐漸引起關注。目前，國內(nèi)電力線檢測機器人的研究集中在行走機器人方向。中國科學院自動化所張運楚、梁自澤和譚民等在《機器人》2004年第26卷第5期上發(fā)表的《架空電力線路巡線機器人綜述》和趙曉光，梁自澤，譚明等在《華中科技大學學報》2004年第32卷增刊上發(fā)表的《高壓電力線行走機器人仿真》兩篇文章中詳細闡述了行走機器人用于電力線檢測的原理和目前的發(fā)展水平。采用行走機器人進行電力線路的檢測采用沿架空地線自主行走方式，相比傳統(tǒng)檢測具有費用低，安全性高，可靠性高等優(yōu)點，但還存在對地面儀器的依賴性高，不能很好的適應復雜的地理環(huán)境等不足，也還存在行進速度慢，檢測效率低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供電力線路巡檢機器人飛機及其控制系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)檢測方式存在的費用高，安全性差，可靠性不高的問題。和行走機器人檢測方式相比機器人飛機檢測具有環(huán)境適應能力好，高度智能化，檢測效率高等優(yōu)點。
電力線巡檢機器人飛機是一種利用智能機器人技術，結合航空技術，電力檢測技術的新型智能化電力線路檢測系統(tǒng)。它由地面控制站和具有高度智能化的，能實現(xiàn)自主飛行的微型直升飛機及其搭載的各種檢測傳感器，控制傳感器和在線檢測和飛行路徑規(guī)劃系統(tǒng)構成。
本發(fā)明的電力線路巡檢機器人飛機由飛機起落架1、前置發(fā)動機2、輸出減速驅(qū)動機構3、電荷耦合器CCD攝像機4、內(nèi)部組件固定支架5、后置發(fā)動機6、后置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)7、下螺旋槳8、檢測傳感器信號接收及發(fā)送組件9、俯仰姿態(tài)控制機構10、偏航姿態(tài)控制機構11、蓄電池12、嵌入式計算機控制系統(tǒng)13、GIS系統(tǒng)14、下螺旋槳偏轉機構15、上螺旋槳偏轉機構16、GPS系統(tǒng)17、自動巡航狀態(tài)與人工控制接口模塊18、上螺旋槳19、前置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)20組成。其結構采用共軸雙螺旋槳(下螺旋槳8和上螺旋槳19)反向驅(qū)動結構，采用兩個發(fā)動機(前置發(fā)動機2和后置發(fā)動機6)分別驅(qū)動兩個螺旋槳反向旋轉，通過控制兩個發(fā)動機的轉速比控制飛機機身的穩(wěn)定；使用基于32位的精簡指令集計算機處理器(ARM)的嵌入式系統(tǒng)進行飛行自動控制和姿態(tài)調(diào)整，使用蓄電池為飛行控制系統(tǒng)、檢測傳感器以及通訊系統(tǒng)提供電源。
前置發(fā)動機2和后置發(fā)動機6分別通過一對齒輪副3驅(qū)動下螺旋槳8和上螺旋槳19飛機提供動力，蓄電池12作為電源，燃油儲存7和配送系統(tǒng)20為飛機提供燃料；輸出減速驅(qū)動機構3，后置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)7，俯仰姿態(tài)控制機構10，偏航姿態(tài)控制機構11，嵌入式計算機控制系統(tǒng)13。下螺旋槳偏轉機構15，上螺旋槳偏轉機構16，GPS系統(tǒng)17自動巡航狀態(tài)與人工控制接口模塊18組成導航系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)包括檢測傳感器信號接收及發(fā)送組件9。電荷耦合器(CCD)攝像機4在飛機飛行過程中拍攝飛機飛行軌跡下方的電力線的圖像，并且通過無線通訊發(fā)送器將圖像信息發(fā)送回地面控制站的接收器構成通訊系統(tǒng)；巡檢機器人飛機的上述系統(tǒng)都通過相應的螺栓和螺釘固定在支撐機構(5)上。
燃油儲存7和配送系統(tǒng)20連通，因為兩個發(fā)動機的耗油量可能不相同，這樣兩個油箱的燃油可以互相補償，提高飛機的飛行時間，不會因為一個油箱的剩油量少于最低油量限制而另一個油箱的油量還有剩余的情況下飛機燃油消耗告警系統(tǒng)啟動，導致機器人飛機自動返航；使用蓄電池12驅(qū)動發(fā)動機的啟動電機，為機器人飛機的檢測傳感器提供電源、為飛行控制系統(tǒng)的電機提供電源，并且為機器人的嵌入式控制系統(tǒng)13和數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)提供電源。燃油在進入發(fā)動機之前必須經(jīng)過燃油配給控制系統(tǒng)進行霧化，然后嵌入式控制系統(tǒng)13，根據(jù)機身姿態(tài)反饋信號和控制算法產(chǎn)生的指令控制進入每個發(fā)動機的油量，控制兩個發(fā)動機的轉速，控制飛機的兩個螺旋槳的轉速的比值，實現(xiàn)機身的穩(wěn)定。
機器人飛機的上螺旋槳19和下螺旋槳8以不同的轉速旋轉，各自對機身產(chǎn)生的扭矩互相抵消；同時由于采用雙螺旋槳共軸反向驅(qū)動，取消了直升飛機的尾部的平衡補償螺旋槳。
機器人飛機的起落架1由四個彈性臂組成，四個彈性臂分別固定在機器人的支撐架和一個環(huán)形的加強環(huán)上。機器人飛機的內(nèi)部組件固定支架5是機器人飛機的骨架，巡檢機器人的所有動力系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)都通過相應的螺栓和螺釘固定在內(nèi)部組件固定支架5上。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)由電力線路巡檢機器人飛機導航系統(tǒng)、飛行路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、基于多傳感器融合的在線檢測系統(tǒng)構成。電力線路巡檢機器人采用基于ARM微控制器的嵌入式系統(tǒng)進行控制。具有高性能，低代碼規(guī)模，低功耗和尺寸小的優(yōu)點。嵌入式系統(tǒng)完成飛機飛行控制和在線檢測，具有實時約束，可在極端環(huán)境下運行。
電力線路巡檢機器人飛機控制系統(tǒng)使用電信號直接控制飛機發(fā)動機轉速和旋翼偏轉，產(chǎn)生懸停，前進，后退，上升，下降，左轉，右轉，加速，減速等飛行動作?？刂葡到y(tǒng)通過陀螺傳感器反饋的飛機姿態(tài)信息，控制穩(wěn)定器的旋轉，保持飛行平穩(wěn)?？刂葡到y(tǒng)將上述操作封裝，向上提供用戶使用接口。
控制系統(tǒng)依據(jù)任務規(guī)劃系統(tǒng)提供的飛行軌跡飛行。控制系統(tǒng)從GPS獲得飛機實時高度，空速，空間位置信息，從羅盤獲得飛機飛行方向信息，并利用上述信息完成機器人飛機的導航定位。根據(jù)實時定位和預先規(guī)劃飛行軌跡確定飛行誤差，進行飛行軌跡修正?？刂葡到y(tǒng)還讀取視覺傳感器信息，使用機器視覺算法確定障礙物大小，方位，移動速度，并根據(jù)避障算法生成避障飛行路徑，插入原飛行計劃，生成新的飛行軌跡，依此飛行，完成實時避障。
在線檢測系統(tǒng)采用多傳感器信息融合的方式進行電力線路檢測。使用紅外線探測器生成電力線路的紅外圖像分布圖，通過圖像處理，可確定電力線溫度異常點的坐標。分析視覺傳感器生成的視頻信息，可檢查導線松弛、覆冰和舞動。多個傳感器獲得的信息通過專家知識庫系統(tǒng)的處理，判斷出電力線故障可能的類型，并返回給操作員。
1、電力線路巡檢機器人飛機導航系統(tǒng)該系統(tǒng)使用全球定位系統(tǒng)(GPS)17，地理信息系統(tǒng)(GIS)14，視覺導航和傳統(tǒng)技術相結合，能夠精確的確定機器人飛機的空間位置，飛行方向等狀態(tài)信息。機器人飛機的地理信息系統(tǒng)(GIS)14保存著將要被檢測的高壓電纜的分布位置信息，它作為電力線巡檢機器人飛機飛行路徑的基本信息，機器人飛機在飛行過程中通過全球定位系統(tǒng)(GPS)17確定機器人飛機的實時位置，并與地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)比較，不斷校正機器人飛機的位置，保證機器人飛機的飛行軌跡始終沿著電力線的走向。嵌入式控制系統(tǒng)13通過路徑規(guī)劃的結果產(chǎn)生控制指令，使力矩控制電機產(chǎn)生相應的轉角，通過連桿帶動偏轉盤偏轉；偏轉盤推動俯仰姿態(tài)控制機構10、下螺旋槳偏轉機構15、上螺旋槳偏轉機構16改變螺旋槳的相對機身的姿態(tài)，從而改變機器人飛機的飛行速度、飛行方向、飛行姿態(tài)。燃油在進入發(fā)動機之前必須經(jīng)過后置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)7或前置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)20進行霧化，然后嵌入式控制系統(tǒng)13根據(jù)機身姿態(tài)反饋信號和控制算法產(chǎn)生的指令控制進入每個發(fā)動機的油量，從而控制兩個發(fā)動機的轉速，從而控制飛機的兩個螺旋槳的轉速的比值，實現(xiàn)機身的穩(wěn)定。在特殊工作情況下，可以通過自動巡航模式與人工控制模式轉換接口模塊18使優(yōu)先級更高的人工控制模式取代自動控制模式，以保證飛機和人員的安全。
2、電力線路巡檢機器人飛機飛行路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)該系統(tǒng)使用GIS提供的電力線分布信息，自主完成路徑規(guī)劃，并且在飛行巡線過程中，利用外界反饋自動修正。
3、電力線路巡檢機器人飛機地面監(jiān)控系統(tǒng)該系統(tǒng)在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機器人飛機之間提供雙向的數(shù)據(jù)通信通道，機器人飛機和地面數(shù)據(jù)終端之間的通訊采用數(shù)字式數(shù)據(jù)鏈，即數(shù)據(jù)鏈采用數(shù)字式載波調(diào)制，包括上行鏈路和下行鏈路；地面數(shù)據(jù)終端與地面控制站之間使用標準的局域網(wǎng)技術連接，支持多種傳輸媒介；除了基本數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)壓縮，抗干擾等數(shù)據(jù)處理功能；該系統(tǒng)可把機器人發(fā)回的數(shù)據(jù)實時顯示，向操作員提供飛行狀態(tài)、外界環(huán)境、電力線路狀態(tài)等信息，并為操作員控制機器人飛機提供人機接口。地面控制站通過人機接口界面，向操作員即時提供飛機的飛行狀態(tài)以及電力線檢測的線路情況，操作員可以通過操作界面向機器人飛機發(fā)出飛行控制信息，遙控飛機的飛行。地面控制站還具有任務規(guī)劃系統(tǒng)，自動完成檢測任務的預規(guī)劃，生成相應的操作信息。
4、電力線路巡檢機器人飛機數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)該系統(tǒng)使用微波通訊系統(tǒng)及天線，在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機器人飛機之間提供雙向的數(shù)據(jù)通信通道。電荷耦合器(CCD)攝像機4在飛機飛行過程中拍攝飛機飛行軌跡下方的電力線的圖像，通過無線通訊發(fā)送器將圖像信息發(fā)送回地面控制站的接收器，并保存在地面控制站的存儲設備中。使用微波通訊系統(tǒng)及天線，在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機器人飛機之間提供雙向的數(shù)據(jù)通信通道。機器人飛機和地面數(shù)據(jù)終端之間的通訊采用數(shù)字式數(shù)據(jù)鏈，即數(shù)據(jù)鏈采用數(shù)字式載波調(diào)制，包括上行鏈路和下行鏈路。地面數(shù)據(jù)終端與地面控制站之間使用標準的局域網(wǎng)技術連接，支持多種傳輸媒介。除了基本數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)壓縮，抗干擾等數(shù)據(jù)處理功能。
5、基于多傳感器融合的在線檢測系統(tǒng)該系統(tǒng)使用視覺檢測、紅外線探測器檢測相結合的多傳感器系統(tǒng)，可在不停電的情況下對電力線路的狀態(tài)進行檢測以及故障判斷。機器人飛機的檢測傳感器和信號發(fā)送組件9內(nèi)部裝有紅外探測傳感器，可以檢測高壓電纜的溫度變化；通過溫度的變化可以確定電纜的狀態(tài)。內(nèi)部的信號發(fā)送裝置可以把檢測到的信號傳送到地面控制站加以分析。
電力線巡檢機器人飛機的具有如下的技術特性1.機器人飛機具有自動任務規(guī)劃的能力，能根據(jù)GIS信息，GPS信息，傳感器信息等規(guī)劃一條最優(yōu)的飛行路徑，并在飛行過程中實現(xiàn)自動躲避障礙物。
2.機器人飛機能自動導航，沿電力線走向飛行。飛行控制系統(tǒng)能實現(xiàn)基本飛行動作的控制，調(diào)整飛行姿態(tài)，協(xié)調(diào)飛行的穩(wěn)定性。
3.機器人飛機能實現(xiàn)電力線路的在線監(jiān)測。機器人飛機能根據(jù)監(jiān)測傳感返回的信息，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)判斷電力線路故障的發(fā)生，故障的類型，定位故障發(fā)生點的空間位置。
4.在預定任務完成或者某些特殊條件下，機器人飛機具有自動返航的功能。
機器人飛機具有自動控制和人工遙控兩種飛行模式。人工遙控具有最高的優(yōu)先級，可隨時中斷機器人飛機的飛行，由人進行飛行控制。
電力線巡檢機器人飛機的技術方案實現(xiàn)原理主要是根據(jù)地理信息系統(tǒng)(GIS)提供的電力線路分布信息，自動地把檢測任務分解成若干個子任務。根據(jù)每個子任務的具體情況，自主完成路徑規(guī)劃，規(guī)劃出相應的最佳飛行軌跡。機器人飛機按照預先設定的飛行軌跡，由自動控制系統(tǒng)控制飛機的飛行速度、飛行方向、飛行姿態(tài)、飛行穩(wěn)定，使飛機能巡線飛行。機器人飛機飛行過程中，通過不同的傳感器收集空間環(huán)境信息，使用在線路徑規(guī)劃系統(tǒng)，處理障礙物等信息，實時地調(diào)整飛行規(guī)劃，保證飛行的安全飛行。機器人飛機還通過傳感器獲得了電力線路的狀態(tài)信息，使用電力線路在線檢測系統(tǒng)判斷故障的發(fā)生和發(fā)生類型，確定障礙發(fā)生的地理位置。在空中飛行的機器人飛機將獲得的飛機狀態(tài)信息和電力線路狀態(tài)信息通過數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)傳輸?shù)降孛娴谋O(jiān)控系統(tǒng)上，操作員在監(jiān)控屏幕上實時的看到這些信息。監(jiān)控員也可以通過人機接口，向機器人飛機發(fā)出控制信息，調(diào)整飛機的飛行狀態(tài)，以達到最好的檢測效果。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1.機器人飛機無人飛行、安全可靠，可完成一些危險的任務，即使發(fā)生了飛行意外也不會造成人員的傷亡，有效的解決了巡線人員在超高壓環(huán)境中工作的安全性問題和避免了載人直升機飛行事故中可能造成的人員損失。
2.機器人飛機機身小巧，性能穩(wěn)定可靠、機動靈活，所需機組成員人數(shù)和技能要求少于有人飛機，遠程轉場作業(yè)可靠地面運輸來完成，運營成本低，總體費用也大大下降，解決了人工檢測和載人直升機檢測費用高的不足。
3.機器人飛機可垂直起飛和降落、無需任何輔助裝置、不需要專門的機場和跑道、對環(huán)境要求極低、在野外隨處可起飛和降落、展開時間短，解決了載人直升機環(huán)境適應能力弱的不足。
4.機器人飛機飛行精度高，可長時間懸停、可前飛、后飛、側飛、盤旋等，速度可控范圍大，有極高的飛行品質(zhì)，解決了沿電力線路行走機器人檢測方式運動速度慢的不足。
5.機器人飛機智能化程度高、可實現(xiàn)超視距測控飛行、程控自主飛行及自動返航等多種先進功能，操作十分簡便有效，有較強的容錯能力，解決了行走機器人檢測方式對地面儀器依賴性高的問題。
6.可搭載多種任務設備、運用范圍廣，超低空作業(yè)，作業(yè)所受到約束少，解決了行走機器人檢測方式效率低的問題。
電力線巡檢機器人飛機具有費用低，安全性高，可靠性強，適應性好，監(jiān)測速度快，效率高等優(yōu)點。該系統(tǒng)的發(fā)明可以有效的改善電力線路的監(jiān)控質(zhì)量，保障輸電網(wǎng)絡的安全平穩(wěn)運行，對于電力系統(tǒng)的可靠運行具有重要意義。


圖1為本發(fā)明的機器人飛機主視圖。其中，飛機起落架1、前置發(fā)動機2、輸出減速驅(qū)動機構3、CCD攝像機4、內(nèi)部組件固定支架5、后置發(fā)動機6、后置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)7、下螺旋槳8、檢測傳感器信號接收及發(fā)送組件9、俯仰姿態(tài)控制機構10、偏航姿態(tài)控制機構11、蓄電池12、嵌入式計算機控制系統(tǒng)13、GIS系統(tǒng)14、下螺旋槳偏轉機構15、上螺旋槳偏轉機構16、GPS系統(tǒng)17、自動巡航狀態(tài)與人工控制接口模塊18、上螺旋槳19、前置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)20。前置發(fā)動機2和后置發(fā)動機6分別通過一對齒輪副3反向驅(qū)動同軸的上下兩個螺旋槳。并且兩個發(fā)動機在控制系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)對飛機機身的扭矩平衡，保證機器人飛機機身的穩(wěn)定。
圖2為本發(fā)明的機器人飛機左視圖。其中，檢測傳感器信號接收及發(fā)送組件9、俯仰姿態(tài)控制機構10、偏航姿態(tài)控制機構11、蓄電池12、嵌入式計算機控制系統(tǒng)13、GIS系統(tǒng)14、下螺旋槳偏轉機構15、上螺旋槳偏轉機構16、GPS系統(tǒng)17、自動巡航狀態(tài)與人工控制接口模塊18。
圖3為本發(fā)明的機器人飛機俯視圖。
圖4為本發(fā)明的機器人飛機地面控制站功能結構圖。
圖5為本發(fā)明的機器人飛機系統(tǒng)結構。
具體實施例方式
在對高壓電力線路進行檢測的時候，需要將機器人飛機和地面控制設備置于一個較為平坦的地點，以便機器人飛機平穩(wěn)起飛。由人工控制機器人飛機起飛并到達適于檢測開始的高度，啟動自動巡航飛行控制程序，巡檢機器人飛機開始沿電力線飛行，同時對電力線的狀態(tài)進行檢測。
在飛行檢測過程中，機器人飛機將檢測到的電力線的視覺信號、紅外信號以及位置信息通過飛機的信號發(fā)射設備和地面控制站的接收設備傳送到地面站，并保存在存儲器中，利用MATLAB信號處理工具箱進行分析處理。
在飛機燃料消耗到設定值時，控制系統(tǒng)啟動返航程序，機器人飛機發(fā)送實時位置信息并返航至出發(fā)點，然后對機器人飛機的狀態(tài)進行必要的檢查，以便進行下一次電力線檢測。
當這一區(qū)域的電力線檢測完畢后，根據(jù)機器人飛機返航時提供的檢測結束時的位置信息將機器人飛機和地面控制設備運到該位置附近，準備開始下一次檢測。
權利要求
1.一種電力線路巡檢機器人飛機，其特征在于由飛機起落架(1)、前置發(fā)動機(2)、輸出減速驅(qū)動機構(3)、電荷耦合器CCD攝像機(4)、內(nèi)部組件固定支架(5)、后置發(fā)動機(6)、后置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)(7)、下螺旋槳(8)、檢測傳感器信號接收及發(fā)送組件(9)、俯仰姿態(tài)控制機構(10)、偏航姿態(tài)控制機構(11)、蓄電池(12)、嵌入式計算機控制系統(tǒng)(13)、GIS系統(tǒng)(14)、下螺旋槳偏轉機構(15)、上螺旋槳偏轉機構(16)、GPS系統(tǒng)(17)、自動巡航狀態(tài)與人工控制接口模塊(18)、上螺旋槳(19)、前置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)(20)組成；其結構采用共軸雙螺旋槳下螺旋槳8和上螺旋槳19反向驅(qū)動結構，采用兩個發(fā)動機前置發(fā)動機2和后置發(fā)動機6分別驅(qū)動兩個螺旋槳反向旋轉，通過控制兩個發(fā)動機的轉速比控制飛機機身的穩(wěn)定；使用GPS系統(tǒng)(17)與GIS系統(tǒng)(14)確定飛機的飛行軌跡，使用基于32位的精簡指令集計算機處理器ARM的嵌入式系統(tǒng)進行飛行姿態(tài)調(diào)整，使用蓄電池為發(fā)動機電機、檢測傳感器以及數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)提供電源；前置發(fā)動機(2)和后置發(fā)動機(6)分別通過一對輸出減速驅(qū)動機構(3)驅(qū)動下螺旋槳(8)和上螺旋槳(19)為飛機提供動力，蓄電池(12)作為電源，燃油儲存(7)和配送系統(tǒng)(20)為飛機提供燃料；輸出減速驅(qū)動機構(3)，后置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)(7)，俯仰姿態(tài)控制機構(10)，偏航姿態(tài)控制機構(11)，嵌入式計算機控制系統(tǒng)(13)，GIS系統(tǒng)(14)、下螺旋槳偏轉機構(15)，上螺旋槳偏轉機構(16)，GPS系統(tǒng)(17)自動巡航狀態(tài)與人工控制接口模塊(18)組成導航及路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)；地面控制站作為地面控制系統(tǒng)；電荷耦合器CCD攝像機(4)與地面控制站的接收器構成數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)；檢測系統(tǒng)包括檢測傳感器信號接收及發(fā)送組件(9)。
2.按照權利要求1所述的機器人飛機，其特征在于起落架(1)由四個彈性臂組成，四個彈性臂分別固定在機器人的支撐架和一個環(huán)形的加強環(huán)上；機器人飛機的內(nèi)部組件固定支架(5)是機器人飛機的骨架，巡檢機器人的所有動力系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)都通過相應的螺栓和螺釘固定在內(nèi)部組件固定支架(5)上。
3.按照權利要求1或2所述的機器人飛機，其特征在于機器人飛機的上螺旋槳(19)和下螺旋槳(8)以不同的轉速旋轉，各自對機身產(chǎn)生的扭矩互相抵消；同時由于采用雙螺旋槳共軸反向驅(qū)動，取消了直升飛機的尾部的平衡補償螺旋槳。
4.按照權利要求1或2所述的機器人飛機，其特征在于燃油儲存(7)和配送系統(tǒng)(20)連通，這樣兩個油箱的燃油可以互相補償，提高飛機的飛行時間，燃油在進入發(fā)動機之前必須經(jīng)過燃油配給控制系統(tǒng)進行霧化，然后嵌入式控制系統(tǒng)(13)。
5.一種用于權利要求所述的機器人飛機的智能化電力線路檢測控制系統(tǒng)，其特征在于由電力線路巡檢機器人飛機導航及路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)、機器人飛機地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、基于雙傳感器融合的在線檢測系統(tǒng)構成；a、采用基于ARM微控制器的嵌入式系統(tǒng)進行控制，使用電信號直接控制飛機發(fā)動機轉速和旋翼偏轉，產(chǎn)生懸停，前進，后退，上升，下降，左轉，右轉，加速，減速等飛行動作；b、控制系統(tǒng)通過陀螺傳感器反饋的飛機姿態(tài)信息，控制穩(wěn)定器的旋轉，保持飛行平穩(wěn)，并將上述操作封裝，向上提供用戶使用接口；c、控制系統(tǒng)依據(jù)任務規(guī)劃系統(tǒng)提供的飛行軌跡飛行，從GPS獲得飛機實時高度，空速，空間位置信息，從羅盤獲得飛機飛行方向信息，并利用上述信息完成機器人飛機的導航定位；根據(jù)實時定位和預先規(guī)劃飛行軌跡確定飛行誤差，進行飛行軌跡修正；d、控制系統(tǒng)還讀取視覺傳感器信息，使用機器視覺算法確定障礙物大小，方位，移動速度，并根據(jù)避障算法生成避障飛行路徑，插入原飛行計劃，生成新的飛行軌跡，依此飛行，完成實時避障。e、在線檢測系統(tǒng)采用多傳感器信息融合的方式進行電力線路檢測；使用紅外線探測器生成電力線路的紅外圖像分布圖，通過圖像處理，可確定電力線溫度異常點的坐標；分析視覺傳感器生成的視頻信息，可檢查導線松弛、覆冰和舞動。多個傳感器獲得的信息通過專家知識庫系統(tǒng)的處理，判斷出電力線故障可能的類型，并返回給操作員。
6.按照權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于電力線路巡檢機器人飛機導航系統(tǒng)使用全球定位系統(tǒng)GPS(17)，地理信息系統(tǒng)GIS(14)，視覺導航和傳統(tǒng)技術相結合，能夠精確的確定機器人飛機的空間位置，飛行方向等狀態(tài)信息；機器人飛機的地理信息系統(tǒng)GIS(14)保存著將要被檢測的高壓電纜的分布位置信息，它作為電力線巡檢機器人飛機飛行路徑的基本信息，機器人飛機在飛行過程中通過全球定位系統(tǒng)GPS(17)確定機器人飛機的實時位置，并與地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)比較，不斷校正機器人飛機的位置，保證機器人飛機的飛行軌跡始終沿著電力線的走向；嵌入式控制系統(tǒng)(13)通過路徑規(guī)劃的結果產(chǎn)生控制指令，使力矩控制電機產(chǎn)生相應的轉角，通過連桿帶動偏轉盤偏轉；偏轉盤推動俯仰姿態(tài)控制機構(10)、下螺旋槳偏轉機構(15)、上螺旋槳偏轉機構(16)改變螺旋槳的相對機身的姿態(tài)，從而改變機器人飛機的飛行速度、飛行方向、飛行姿態(tài)；燃油在進入發(fā)動機之前必須經(jīng)過后置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)(7)或前置發(fā)動機燃料儲存配給系統(tǒng)(20)進行霧化，然后嵌入式控制系統(tǒng)(13)根據(jù)機身姿態(tài)反饋信號和控制算法產(chǎn)生的指令控制進入每個發(fā)動機的油量，從而控制兩個發(fā)動機的轉速，從而控制飛機的兩個螺旋槳的轉速的比值，實現(xiàn)機身的穩(wěn)定；在特殊工作情況下，可以通過自動巡航模式與人工控制模式轉換接口模塊(18)使優(yōu)先級更高的人工控制模式取代自動控制模式，以保證飛機和人員的安全。
7.按照權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于電力線路巡檢機器人飛機飛行路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)使用GIS提供的電力線分布信息，自主完成路徑規(guī)劃，并且在飛行巡線過程中，利用外界反饋自動修正。
8.按照權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于電力線路巡檢機器人飛機地面監(jiān)控系統(tǒng)在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機器人飛機之間提供雙向的數(shù)據(jù)通信通道，機器人飛機和地面數(shù)據(jù)終端之間的通訊采用數(shù)字式數(shù)據(jù)鏈，即數(shù)據(jù)鏈采用數(shù)字式載波調(diào)制，包括上行鏈路和下行鏈路；地面數(shù)據(jù)終端與地面控制站之間使用標準的局域網(wǎng)技術連接，支持多種傳輸媒介；除了基本數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)壓縮，抗干擾等數(shù)據(jù)處理功能；該系統(tǒng)可把機器人發(fā)回的數(shù)據(jù)實時顯示，向操作員提供飛行狀態(tài)、外界環(huán)境、電力線路狀態(tài)等信息，并為操作員控制機器人飛機提供人機接口；地面控制站通過人機接口界面，向操作員即時提供飛機的飛行狀態(tài)以及電力線檢測的線路情況，操作員可以通過操作界面向機器人飛機發(fā)出飛行控制信息，遙控飛機的飛行，地面控制站還具有任務規(guī)劃系統(tǒng)，自動完成檢測任務的預規(guī)劃，生成相應的操作信息。
9.按照權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于電力線路巡檢機器人飛機數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)使用微波通訊系統(tǒng)及天線，在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機器人飛機之間提供雙向的數(shù)據(jù)通信通道；電荷耦合器CCD攝像機(4)在飛機飛行過程中拍攝飛機飛行軌跡下方的電力線的圖像，通過無線通訊發(fā)送器將圖像信息發(fā)送回地面控制站的接收器，并保存在地面控制站的存儲設備中；使用微波通訊系統(tǒng)及天線，在地面監(jiān)控系統(tǒng)和機器人飛機之間提供雙向的數(shù)據(jù)通信通道；機器人飛機和地面數(shù)據(jù)終端之間的通訊采用數(shù)字式數(shù)據(jù)鏈，即數(shù)據(jù)鏈采用數(shù)字式載波調(diào)制，包括上行鏈路和下行鏈路；地面數(shù)據(jù)終端與地面控制站之間使用標準的局域網(wǎng)技術連接，支持多種傳輸媒介；除了基本數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)壓縮，抗干擾等數(shù)據(jù)處理功能。
10.按照權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于基于多傳感器融合的在線檢測系統(tǒng)使用視覺檢測、紅外線探測器檢測相結合的多傳感器系統(tǒng)，可在不停電的情況下對電力線路的狀態(tài)進行檢測以及故障判斷；機器人飛機的檢測傳感器和信號發(fā)送組件(9)內(nèi)部裝有紅外探測傳感器，可以檢測高壓電纜的溫度變化；通過溫度的變化可以確定電纜的狀；內(nèi)部的信號發(fā)送裝置可以把檢測到的信號傳送到地面控制站加以分析。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電力線路巡檢機器人飛機及其控制系統(tǒng)，飛機結構采用共軸雙螺旋槳反向驅(qū)動結構，采用兩個發(fā)動機分別驅(qū)動兩個螺旋槳反向旋轉，通過控制兩個發(fā)動機的轉速比控制飛機機身的穩(wěn)定；使用GPS系統(tǒng)(17)與GIS系統(tǒng)(14)確定飛機的飛行軌跡，使用基于32位的精簡指令集計算機處理器ARM的嵌入式系統(tǒng)進行飛行姿態(tài)調(diào)整，使用蓄電池為發(fā)動機電機、檢測傳感器以及數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)提供電源?？刂葡到y(tǒng)由電力線路巡檢機器人飛機導航系統(tǒng)、飛行路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、基于多傳感器融合的在線檢測系統(tǒng)構成。優(yōu)點在于有效的改善電力線路的監(jiān)控質(zhì)量，保障輸電網(wǎng)絡的安全平穩(wěn)運行，并且安全、可靠、適應性好，監(jiān)測速度快。
文檔編號H02G1/00GK1645284SQ200410098960
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權日2004年12月17日
發(fā)明者柳長安, 袁景陽, 周宏 , 李國棟, 劉春陽, 王興博 申請人:華北電力大學(北京)