本發(fā)明涉及一種輸電線路巡檢機器人關鍵技術，具體涉及一種輸電線路巡檢機器人能耗預測方法。

背景技術：

傳統(tǒng)的輸電線路巡檢方法主要以人工巡線為主，其巡線效率低，勞動強度大，工人經(jīng)常野外工作，工作環(huán)境惡劣，并且跨越高山、密林、大河的輸電線路檔段的巡檢難度更大，存在安全隱患。采用直升機巡檢效率較高，但是其經(jīng)濟效益差，并且容易忽略輸電線路的細微損壞。巡檢機器人是一種用于巡檢輸電線路的特種機器人，可用于代替人工巡檢，其巡檢效率高，成像效果好。輸電線路巡檢機器人是機器人技術與輸電線路巡檢及帶電作業(yè)技術發(fā)展相結合的趨勢。

首先介紹輸電線路巡檢機器人的作業(yè)環(huán)境，即架空輸電線路走廊環(huán)境，包括：

太陽能充電基站1，直線桿塔塔頭2，地線防震錘3，C型懸垂線夾4，高壓線路機器人5，耐張過橋6，耐張桿塔塔頭7，架空地線8。每一段距離會在桿塔塔頭安裝一個太陽能充電基站，巡檢機器人可以在該充電基站處進行充電，而無需下線。C型懸垂線夾是由普通懸垂線夾(單聯(lián)懸垂線夾或雙聯(lián)懸垂線夾)進行改造而成，其特點為能夠使機器人從其上面直接穿過。耐張過橋是在耐張塔頭處搭起的一個適合機器人行走的鋼管軌道。

輸電線路巡檢機器人基本結構及其工作原理：

機器人結構由行走輪A 9，行走電機A 10，行走輪B 11，行走電機B 12，壓緊機構A 13，壓緊機構B 14，壓緊滑動機構A 15，壓緊滑動機構B 16，架空線路地線17，回轉機構A 18，回轉機構B 19，錯臂滑動機構A 20，錯臂滑動機構B 21，滑動平臺22，機械臂A 23，機械臂B 24組成。機器人行走輪A和行走輪B在地線上轉動使其向前行走，當機器人需要穿越障礙物的時候，機器人首先會采用滾動穿越方式，如機器人要穿越地線防振錘，需要采取一系列的動作，其中包括多種狀態(tài)及狀態(tài)轉移規(guī)則。巡檢機器人滾動穿越防振錘的動作規(guī)劃如圖4所示。超聲傳感器陣列檢測到防振錘后，減速繼續(xù)前進，至前輪檢測擋板接觸到防振錘并檢測到霍爾信號后，開始采取越障動作。由于防振錘一般都處在桿塔附近，該路段均有一定的坡度，為了保證機器人越障可靠性及機器人本身的安全性，采用“后輪推滾—前輪拖滾”的方式越障。其他障礙物的越障類似。

高壓線路巡檢機器人設備的發(fā)展已經(jīng)達到工程實用化階段，巡檢機器人機械與控制已經(jīng)能夠滿足輸電線路巡檢和作業(yè)基本要求。然而，巡檢機器人在工作過程中采用的是鋰電池供電，如何保證巡檢機器人在巡檢過程中能夠有足夠的電量到達下一個桿塔，或達到下一級太陽能充電基站，是一個急需研究的問題。此外，巡檢工作人員在使用巡檢機器人對輸電線路進行巡檢時，需要實時掌握巡檢機器人的總能耗，才能夠根據(jù)巡檢機器人續(xù)航能力的情況制定下一步的巡檢計劃。

現(xiàn)在國內輸電線路巡檢機器人總能耗的預測都是靠巡檢人員的經(jīng)驗。而在續(xù)航預測方面，電動汽車的續(xù)航主要是根據(jù)道路環(huán)境進行預測的。由于高壓線路巡檢機器人工作的線路走廊結構復雜，無法將傳統(tǒng)的電動汽車總能耗預測的方法運用到巡檢機器人總能耗的預測上。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術所存在的問題；提供了一種能夠對輸電線路機器人總能耗進行預測的方法。此總能耗預測方法彌補了現(xiàn)有輸電線路機器人工作時無法對總能耗進行精確預測的問題，保障了輸電線路機器人長時間巡檢作業(yè)時能夠提前做好任務規(guī)劃。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明主要是通過下述技術方案得以解決的：

一種輸電線路巡檢機器人能耗預測方法，其特征在于包括以下步驟：

機器人總能耗包括機器人靜態(tài)能耗、機器人在線路上行走時上下坡的能耗、機器人越障能耗和機器人巡檢能耗，其中：

①機器人靜態(tài)能耗

測得機器人靜態(tài)時干路電流和運行時間，即可計算出巡檢機器人的靜態(tài)能耗，其積分公式為：

$c_1=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}{i}_{1}dt$

其中，i₁為機器人干路電流，t₁為機器人靜態(tài)運行時間，t為時間；

②機器人在線路上行走時上下坡的能耗:

測得機器人在線路上行走時上下坡時的干路電流和行走時間，即可計算出機器人在線路上行走的能耗，其公式為：

$c_2=\underset{t_1}{\overset{t_1+t_2}{\∫}}{i}_{2}dt$

其中，i₂為機器人在線路上行走時上下坡時的干路電流，t₂為機器人在線路上行走時上下坡時的行走時間；

根據(jù)電機的性能和實驗可知，機器人在線路上行走時的干路電流與機器人行走速度和線路的坡度有關：

即：

i＝φ(v,θ)

其中，v為機器人行走輪的線速度，v＝2πn；θ為線路的角度，θ＝arctan f(x)，f(x)為架空輸電線路地線的懸鏈線模型公式，故當機器人以某一特定速度行駛時，機器人的干路電流為角度θ的函數(shù)；

即

其中，i_v為機器人行走輪的線速度為v時機器人干路電流；ψ(θ)為θ的函數(shù)，為x的函數(shù)，x為機器人在一個檔段中的橫坐標；

綜合上述公式，可得：

其中，x_i為機器人在所行走的第i個檔段時機器人的橫坐標，x₀為機器人在開始行走位置時的橫坐標；

③機器人越障能耗

機器人在線路上行駛以后，會在桿塔處進行越障，然而不同的障礙物的越障動作規(guī)劃不一樣，故電流也是根據(jù)動作的變化而變化的，經(jīng)過試驗驗證，機器人在進行單個動作時的干路電流是穩(wěn)定不變的，設該變化的電流為i₃，越障時間為t₃,則機器人越障的能耗c₃為：

$c_3=\underset{t_1+t_2}{\overset{t_1+t_2+t_3}{\∫}}{i}_{3}dt=C_{yz}=i_{shb}*t_{shb}+i_{zb}*t_{ab}+i_{sb}*t_{sb}+i_{sob}*t_{sob}+i_{yj}*t_{yj}+i_{sk}*t_{sk}+i_{xz}*t_{xz}$

其中，各電流符號的意義如下表：

④機器人巡檢能耗

機器人在跨越障礙之前或者之后要靜止下來對線路桿塔進行巡視檢查，此時機器人電流主要由機箱中的元器件損耗的電流組成，設該電流為i₄，越障時間為t₃，則機器人在該部分的能耗c₄為：

$c_4=\underset{t_1+t_2+t_3}{\overset{t_1+t_2+t_3+t_4}{\∫}}{i}_{4}dt$

⑤機器人的總能耗為：

由以上推導過程可以知道其中c₁、c₃、c₄可以根據(jù)線路上防震錘的個數(shù)，C型懸垂線夾的類型以及耐張過橋的類型提前算出，

將上述計算得到的機器人總能耗與機器人剩余電量進行比較即可得到機器人續(xù)航里程。

本發(fā)明有益效果是：能根據(jù)機器人工作的具體輸電線路對機器人的總能耗進行提前預測，進而對機器人的工作提前做出規(guī)劃。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明所述輸電線路巡檢機器人運行環(huán)境示意圖；

附圖2為本發(fā)明所述輸電線路巡檢機器人機構原理示意圖；

附圖3為本發(fā)明所述能耗預測方法的原理流程圖；

附圖4為本發(fā)明所述輸電線路巡檢機器人滾動穿越防振錘的動作；

其中，太陽能充電基站 1，直線桿塔塔頭 2，地線防震錘 3，C型懸垂線夾 4，高壓線路機器人 5，耐張過橋 6，耐張桿塔塔頭 7，架空地線 8，行走輪A 9，行走電機A 10，行走輪B 11，行走電機B 12，壓緊機構A 13，壓緊機構B 14，壓緊滑動機構A 15，壓緊滑動機構B 16，架空線路地線 17，回轉機構A 18，回轉機構B 19，錯臂滑動機構A 20，錯臂滑動機構B 21，滑動平臺 22，機械臂A 23，機械臂B 24。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。

圖中，太陽能充電基站1，直線桿塔塔頭2，地線防震錘3，C型懸垂線夾4，高壓線路機器人5，耐張過橋6，耐張桿塔塔頭7，架空地線8，行走輪A 9，行走電機A 10，行走輪B 11，行走電機B 12，壓緊機構A 13，壓緊機構B 14，壓緊滑動機構A 15，壓緊滑動機構B 16，架空線路地線17，回轉機構A 18，回轉機構B 19，錯臂滑動機構A 20，錯臂滑動機構B 21，滑動平臺22，機械臂A 23，機械臂B 24。

1.一種輸電線路巡檢機器人能耗預測方法，其特征在于包括以下步驟：

機器人總能耗包括機器人靜態(tài)能耗、機器人在線路上行走時上下坡的能耗、機器人越障能耗和機器人巡檢能耗，其中：

(1)剩余電量的估計：

將巡檢機器人所用的鋰電池進行放電實驗，得出負載電壓法所得的剩余電量估計函數(shù)為：

C_i＝f(u,i)

其中C_i為剩余電量，u為負載電壓，i為負載電流；機器人自身的電壓u和電流i在工作工程中能夠實時測得；

(2)巡檢機器人在線路上工作所需能耗的估計

①機器人靜態(tài)能耗

測得機器人靜態(tài)時干路電流和運行時間，即可計算出巡檢機器人的靜態(tài)能耗，其積分公式為：

$c_1=\underset{0}{\overset{t_1}{\∫}}{i}_{1}dt$

其中，i₁為機器人干路電流，t₁為機器人靜態(tài)運行時間，t為時間；

②機器人在線路上行走時上下坡的能耗:

測得機器人在線路上行走時上下坡時的干路電流和行走時間，即可計算出機器人在線路上行走的能耗，其公式為：

$c_2=\underset{t_1}{\overset{t_1+t_2}{\∫}}{i}_{2}dt$

其中，i₂為機器人在線路上行走時上下坡時的干路電流，t₂為機器人在線路上行走時上下坡時的行走時間；

根據(jù)電機的性能和實驗可知，機器人在線路上行走時的干路電流與機器人行走速度和線路的坡度有關：

即：

i＝φ(v,θ)

其中，v為機器人行走輪的線速度，v＝2πn；θ為線路的角度，θ＝arctan f(x)，f(x)為架空輸電線路地線的懸鏈線模型公式，故當機器人以某一特定速度行駛時，機器人的干路電流為角度θ的函數(shù)；

即

其中，i_v為機器人行走輪的線速度為v時機器人干路電流；ψ(θ)為θ的函數(shù)為x的函數(shù)，x為機器人在一個檔段中的橫坐標；

綜合上述公式，可得：

其中，x_i為機器人在所行走的第i個檔段時機器人的橫坐標，x₀為機器人在開始行走位置時的橫坐標；

③機器人越障能耗

機器人在線路上行駛以后，會在桿塔處進行越障，然而不同的障礙物的越障動作規(guī)劃不一樣，故電流也是根據(jù)動作的變化而變化的，經(jīng)過試驗驗證，機器人在進行單個動作時的干路電流是穩(wěn)定不變的，設該變化的電流為i₃，越障時間為t₃,則機器人越障的能耗c₃為：

$c_3=\underset{t_1+t_2}{\overset{t_1+t_2+t_3}{\∫}}{i}_{3}dt=C_{yz}=i_{shb}*t_{shb}+i_{zb}*t_{ab}+i_{sb}*t_{sb}+i_{sob}*t_{sob}+i_{yj}*t_{yj}+i_{sk}*t_{sk}+i_{xz}*t_{xz}$

其中，各電流符號的意義如下表：

④機器人巡檢能耗

機器人在跨越障礙之前或者之后要靜止下來對線路桿塔進行巡視檢查，此時機器人電流主要由機箱中的元器件損耗的電流組成，設該電流為i₄，越障時間為t₃，則機器人在該部分的能耗c₄為：

$c_4=\underset{t_1+t_2+t_3}{\overset{t_1+t_2+t_3+t_4}{\∫}}{i}_{4}dt$

⑤機器人的總能耗為：

由以上推導過程可以知道其中c₁、c₃、c₄可以根據(jù)線路上防震錘的個數(shù)，C型懸垂線夾的類型以及耐張過橋的類型提前算出，故機器人在線路上需要的電量可得；

(3)續(xù)航預測

將上述計算得到的機器人總能耗除以機器人剩余電量C_i即可得到機器人續(xù)航里程。

實施例：

步驟A：將巡檢機器人所用的鋰電池進行放電實驗，得出負載電壓法所得的剩余電量估計函數(shù)C_i＝f(u,i)。

步驟B：機器人在工作工程中能夠實時測得自身的電壓u和電流i，故能夠得出剩余電量C_i。

步驟C：機器人在工作之前巡檢人員已將所有線路信息輸入到機器人監(jiān)控基站數(shù)據(jù)庫中。

步驟D：機器人根據(jù)線路信息，再結合續(xù)航預測方法，得出剩余電量能夠行走的距離，即續(xù)航里程。