自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人及方法与流程

本发明涉及电力设备领域，尤其涉及一种自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人及方法。

背景技术：

电力系统中在户外运行的绝缘子长期暴露在大自然中，特别是在工业、沿海和盐碱地区域，受到工业废气、海水或自然界盐碱、粉尘等作用，通常会在绝缘子表面形成一定程度的污秽累积。受污染的绝缘子，在气候干燥的情况，污秽层电阻很大，对电力系统运行危险不大。但是，当遇到雾和阴雨等潮湿气候条件时，绝缘子表面的污秽层被湿润，电导增大，绝缘性能降低，泄漏电流急剧增加，闪络电压大大降低，此时就可能发生污秽闪络。尤其是当绝缘子设计的爬电比距不够或采用的绝缘子不能满足污秽要求时，污闪就必然出现。由于污闪跳闸后的重合闸成功率很低，绝缘子污闪容易发展成大面积、长时间的恶性停电事故，因此污闪的危害性极大，是影响电网设备安全运行的主要隐患。

变电站设备带电水冲洗机器人工作在变电站环境内，对于变电站设备区这种半结构化、室外环境下，在冲洗过程中存在以下问题：

(1)采用单一视觉定位方法，很难消除室外光线对图像识别的影响，进而影响识别绝缘子的准确性，降低了变电站设备带电水冲洗机器人的工作效率；

(2)由于绝缘子的安装方式比较多，其中大多数绝缘子是垂直安装的，但是也有其他安装方式，如刀闸单相绝缘子则是倾斜一定角度安装的，若要提高变电站设备带电水冲洗机器人的工作能力，则要提高其工作适应能力，应该检测到各种状态的绝缘子并确定相对应的作业方式，但是现有技术并不能准确识别和检测到被冲洗绝缘子的范围及被冲洗绝缘子的冲洗区域在水枪坐标系内的角度范围，难以实现变电站设备带电水冲洗机器人的自动冲洗。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人。该自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人能准确识别和检测到被冲洗绝缘子的范围及被冲洗绝缘子的冲洗区域在水枪坐标系内的角度范围，实现变电站设备带电水冲洗机器人的自动冲洗。

本发明的一种自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人，包括绝缘臂，绝缘臂上安装有水枪，所述绝缘臂与绝缘臂升降机构相连，绝缘臂升降机构与主控制器相连，所述主控制器用于驱动绝缘臂升降机构垂直升降，进而由绝缘臂带动水枪实现垂直升降动作；

变电站设备带电水冲洗机器人本体上还安装有倾斜角传感器，其用于检测变电站设备带电水冲洗机器人本体的倾斜角度并传送至主控制器；在绝缘臂上与水枪平行处还安装有激光传感器，其用于对绝缘子进行标定并将标定结果传送至主控制器；所述主控制器，其用于根据接收到的标定结果以及变电站设备带电水冲洗机器人的倾斜角度来判断绝缘子的位置和状态，并输出包含水枪水平角度以及俯仰角度信息的水冲洗策略。

进一步的，所述水枪还分别与水平驱动器和俯仰驱动器相连，所述水平驱动器和俯仰驱动器分别与水平角度传感器和俯仰角度传感器，所述水平角度传感器和俯仰角度传感器分别用于实时检测水枪当前的水平角度和俯仰角度信息并传送至主控制器，由主控制器输出相应水冲洗策略至水平驱动器和俯仰驱动器来调整水枪的水平角度和俯仰角度，保证水柱时刻打在绝缘上。

进一步的，该机器人还包括安全防护系统，所述安全防护系统为一双闭环系统；

其中，外环控制系统包括在线式水阻率检测仪和泄露电流检测仪，其分别用于实时检测带电水冲洗机器人冲洗过程中冲洗水的水阻率变化及带电水冲洗机器人本体的泄露电流变化并均传送至主控制器；所述主控制器用于根据接收到的信息及预设的专家库，得到变电站设备带电水冲洗机器人的理想作业距离和喷水压力信息；所述专家库内存储有水阻率及泄露电流分别与作业距离和喷水压力信息的对应关系；

内环控制器包括激光测距仪，其用于实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的作业距离并反馈至主控制器内，实现对作业距离的闭环控制；及压力传感器，其用于实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的喷水压力并反馈至主控制器内，实现对喷水压力的控制，进而保证变电站设备带电水冲洗机器人的绝缘性能，起到安全防护的作用。

本发明的机器人还包括安全防护系统，由外环闭环系统得到变电站设备带电水冲洗机器人的理想作业距离和喷水压力信息，由此进入内环系统；在内环控制系统中，一方面通过激光测距仪的实时反馈信息，实现对作业距离的闭环控制，另一方面通过压力传感器返回的压力信息，实现对压力装置的输出压力及流量的控制，进而保证变电站设备带电水冲洗机器人的绝缘性能，起到安全防护的作用。

进一步的，所述安全防护系统还包括超声波检测模块，所述超声波检测模块用设置于变电站设备带电水冲洗机器人本体上，用于实时检测变电站设备带电水冲洗机器人本体行进方向的障碍物信息并传送至主控制器进行相应避障。

进一步的，所述水枪为圆锥带圆柱出口段型喷嘴的水枪。其中，圆锥带圆柱出口段型喷嘴的水枪的特点为水柱射程远，水流密度高，水流不易散花。

进一步的，圆锥带圆柱出口段型喷嘴的圆锥段的收缩角的取值为13°～14°之间；圆柱段的长度和水枪出口的直径比值在2.5～3之间。其中，圆锥带圆柱出口段型喷嘴在结构上由圆锥段和圆柱段组成，上述圆锥段的收缩角的取值以及圆柱段的长度和水枪出口的直径比值，能够保证射流的水冲洗的效果。

进一步的，圆锥带圆柱出口段型喷嘴通过螺纹连接与水枪连接，便于拆装。

本发明的第二目的是提供一种自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人的工作方法。

本发明的一种自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人的工作方法，包括：

主控制器驱动绝缘臂升降机构进行垂直升降，进而由绝缘臂带动水枪上升至预设高度；

倾斜角传感器实时检测变电站设备带电水冲洗机器人本体的倾斜角度并传送至主控制器；

激光传感器对绝缘子进行标定并将标定结果传送至主控制器；

主控制器根据接收到的标定结果以及变电站设备带电水冲洗机器人的倾斜角度来判断绝缘子的位置和状态，并输出包含水枪水平角度以及俯仰角度信息的水冲洗策略。

进一步的，该方法还包括：

水平角度传感器和俯仰角度传感器分别实时检测水枪当前的水平角度和俯仰角度信息并传送至主控制器，由主控制器输出相应水冲洗策略至水平驱动器和俯仰驱动器来调整水枪的水平角度和俯仰角度，保证水柱时刻打在绝缘上。

进一步的，该方法还包括：

首先，在线式水阻率检测仪和泄露电流检测仪分别实时检测变电站设备带电水冲洗机器人冲洗过程中冲洗水的水阻率变化及变电站设备带电水冲洗机器人本体的泄露电流变化并均传送至主控制器；

再由主控制器根据接收到的信息及预设的专家库，得到变电站设备带电水冲洗机器人的理想作业距离和喷水压力信息；其中，专家库内存储有水阻率及泄露电流分别与作业距离和喷水压力信息的对应关系；

最后再有激光测距仪实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的作业距离并反馈至主控制器内，实现对作业距离的闭环控制；以及压力传感器实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的喷水压力并反馈至主控制器内，实现对喷水压力的控制，进而保证变电站设备带电水冲洗机器人的绝缘性能，起到安全防护的作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用倾斜角传感器和激光传感器分别实时检测变电站设备带电水冲洗机器人本体的倾斜角度以及度绝缘子进行标定，并分别将检测结果传送至主控制器，主控制器根据接收到的标定结果以及变电站设备带电水冲洗机器人的倾斜角度来判断绝缘子的位置和状态，并输出包含水枪水平角度以及俯仰角度信息的水冲洗策略，保证了水柱直接打在绝缘支柱之上，而且使得变电站设备带电水冲洗机器人在作业时，减轻了操作人员工作强度，提高了工作效率。

(2)本发明的机器人还包括安全防护系统，由外环闭环系统得到变电站设备带电水冲洗机器人的理想作业距离和喷水压力信息，由此进入内环系统；在内环控制系统中，一方面通过激光测距仪的实时反馈信息，实现对作业距离的闭环控制，另一方面通过压力传感器返回的压力信息，实现对压力装置的输出压力及流量的控制，进而保证变电站设备带电水冲洗机器人的绝缘性能，起到安全防护的作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人原理图；

图2是激光传感器检测垂直式绝缘子的原理图；

图3是倾斜任意角度检测原理图；

图4是倾斜绝缘子检测原理图；

图5是冲洗伺服过程中激光传感器测量平面示意图；

图6是冲洗过程伺服控制原理图；

图7是变电站设备带电水冲洗机器人的安全防护系统原理图；

图8是水枪喷嘴结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人，如图1所示，包括绝缘臂，绝缘臂上安装有水枪，所述绝缘臂与绝缘臂升降机构相连，绝缘臂升降机构与主控制器相连，所述主控制器用于驱动绝缘臂升降机构垂直升降，进而由绝缘臂带动水枪实现垂直升降动作；

变电站设备带电水冲洗机器人本体上还安装有倾斜角传感器，其用于检测变电站设备带电水冲洗机器人本体的倾斜角度并传送至主控制器；在绝缘臂上与水枪平行处还安装有激光传感器，其用于对绝缘子进行标定并将标定结果传送至主控制器；所述主控制器，其用于根据接收到的标定结果以及变电站设备带电水冲洗机器人的倾斜角度来判断绝缘子的位置和状态，并输出包含水枪水平角度以及俯仰角度信息的水冲洗策略。

要解决变电站设备带电水冲洗机器人的自动冲洗的问题，关键是解决被冲洗绝缘子的范围及被冲洗绝缘子的冲洗区域在水枪坐标系内的角度范围和冲洗过程中的水枪的伺服控制。其中，首先由于激光传感器与水枪平行安装，水枪冲洗范围主要是垂直方向范围的确定，水平方向的调整量可以通过冲洗过程中的伺服控制来解决。

下面详细给出激光传感器针对不同状态的绝缘子进行标定的过程，也就是给出水枪冲洗范围的确定过程：

(1)垂直式绝缘子

首先假设变电站设备区内环境为理想条件，地面平整，不同间隔内同类设备安装高度一致并且已知，且假设作业时，冲洗水柱近似为直线，机器人水枪平台安装绝对水平，且无风的影响。

绝缘子顶部高度为h1，绝缘子底部高度为h2，激光传感器安装位置距地面高度为h3，激光传感器与绝缘支柱间距离为d，水枪最小冲洗角度为θ1，最大冲洗角度为θ2。

系统定义水枪初始位为水平位置(该水平位置为水枪关节的编码器0位，并不一定是真正水平位置，后续可以再用倾斜角传感器来矫正改水平位置，这时可以测出水枪水平时，激光到绝缘子的水平距离，在h1、h2已知的情况下可以算出冲洗的边界角度)

其中h1、h2、h3为已知变量，l为枪口距离绝缘子的距离，α为倾斜角传感器测得的角度，d可以通过激光传感器和倾角传感器获取，θ1，θ2为所求的水枪的冲洗角度未知变量，由图2可得：

θ1＝arctan((h2-h3)/d)(1)

θ2＝arctan((h1-h3)/d)(2)

其中：d＝l*α。

倾斜角传感器来矫正改水平位置的原理为：

由于变电站设备区内道路情况复杂，理想情况很难到达，如道路起伏不平，造成激光机水枪平台的安装位置不是绝对水平状态，为此系统引入倾斜角传感器，其主要作用是实时检测机器人的倾斜角度，依此角度信息，通过计算修正机器人系统的各种参数，实现实际环境下的水冲洗作业。如图3所示，

如图3所示，α1：激光传感器检测绝缘子底部时的角度；

α2：激光传感器检测绝缘子顶部时的角度；

β：机器人倾斜角度。

(2)倾斜式绝缘子

针对倾斜式绝缘子，需要检测x轴方向和y轴方向的两个方向的位移值。

如图4所示，在y轴方向的检测范围为(θ1，θ2)，在x轴方向的检测范围为(β1，β2)。

水枪的伺服控制原理：

如图5所示，该图为伺服过程中激光传感器测量平面示意图，图中圆柱形物体为绝缘子在测量平面内的投影，扇形阴影区域为水枪打击的有效角度区域，该区域由激光传感器的安装角度有关，如安装角度固定，可以通过实验方法获取，由图5可知，水平方向伺服控制量θ，为在激光测量坐标系下，绝缘子方向角度与水枪打击有效角度间的偏差。在冲洗过程中可以根据激光传感器返回的数据，实时调整水枪的冲洗角度，保证水柱时刻打击在绝缘支柱之上。

具体地，水枪还分别与水平驱动器和俯仰驱动器相连，所述水平驱动器和俯仰驱动器分别与水平角度传感器和俯仰角度传感器，所述水平角度传感器和俯仰角度传感器分别用于实时检测水枪当前的水平角度和俯仰角度信息并传送至主控制器，由主控制器输出相应水冲洗策略至水平驱动器和俯仰驱动器来调整水枪的水平角度和俯仰角度，保证水柱时刻打在绝缘上。其中，水枪的伺服控制原理如图6所示。

本发明的变电站设备带电水冲洗机器人在冲洗作业前激光传感器在相对理想环境下对绝缘子进行标定，作业开始后倾斜角传感器检测机器人本体的倾斜角度，根据标定结果和激光传感器检测到的实时状态，控制器判断绝缘子的位置和状态，制定合理的水冲洗策略。

根据上述策略机器人进行冲洗作业，同时旋转角度传感器和俯仰角度传感器检测二垂直自由度机构的旋转和俯仰角度，以此作为水枪冲洗位置的反馈依据。

其中，绝缘臂升降机构还与直线位移传感器相连，直线位移传感器用来实时检测绝缘臂升降机构的状态。本发明的变电站设备带电水冲洗机器人上还分别与主控制器相连的安装风速传感器和电流传感器，其中，风速传感器检测风速的情况，主控制器判断对水柱造成的影响，并在水枪的控制上对水枪状态进行补偿，电流传感器实时检测电流的泄漏情况，主控制器以此制定合理的电源管理策略。

在具体实施中，本发明的变电站设备带电水冲洗机器人还包括安全防护系统，如图7所示，安全防护系统为一双闭环系统；

其中，外环控制系统包括在线式水阻率检测仪和泄露电流检测仪，其分别用于实时检测变电站设备带电水冲洗机器人冲洗过程中冲洗水的水阻率变化及变电站设备带电水冲洗机器人本体的泄露电流变化并均传送至主控制器；所述主控制器用于根据接收到的信息及预设的专家库，得到变电站设备带电水冲洗机器人的理想作业距离和喷水压力信息；所述专家库内存储有水阻率及泄露电流分别与作业距离和喷水压力信息的对应关系；

内环控制器包括激光测距仪，其用于实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的作业距离并反馈至主控制器内，实现对作业距离的闭环控制；及压力传感器，其用于实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的喷水压力并反馈至主控制器内，实现对喷水压力的控制，进而保证变电站设备带电水冲洗机器人的绝缘性能，起到安全防护的作用。

本发明的机器人还包括安全防护系统，由外环闭环系统得到变电站设备带电水冲洗机器人的理想作业距离和喷水压力信息，由此进入内环系统；在内环控制系统中，一方面通过激光测距仪的实时反馈信息，实现对作业距离的闭环控制，另一方面通过压力传感器返回的压力信息，实现对压力装置的输出压力及流量的控制，进而保证变电站设备带电水冲洗机器人的绝缘性能，起到安全防护的作用。

具体地，安全防护系统还包括超声波检测模块，所述超声波检测模块用设置于变电站设备带电水冲洗机器人本体上，用于实时检测变电站设备带电水冲洗机器人本体行进方向的障碍物信息并传送至主控制器进行相应避障。

由于水枪是变电站设备带电水冲洗机器人的末端段执行元件，水枪的性能决定着水冲洗的质量。因此，合适的喷嘴类型和参数，能够显著地提升水射流的效率。

因此，本发明中的水枪为圆锥带圆柱出口段型喷嘴的水枪。

其中，圆锥带圆柱出口段型喷嘴的水枪的特点为水柱射程远，水流密度高，水流不易散花。

圆锥带圆柱出口段型喷嘴的圆锥段的收缩角的取值为13°～14°之间；圆柱段的长度和水枪出口的直径比值在2.5～3之间。其中，圆锥带圆柱出口段型喷嘴在结构上由圆锥段和圆柱段组成，上述圆锥段的收缩角α喷的取值以及圆柱段的长度l2和水枪出口的直径d2比值，能够保证射流的水冲洗的效果。

水枪的喷嘴的材质为不锈钢材料。因此，设计的水枪喷嘴结构如图8所示。喷嘴通过螺纹连接与水枪连接，便于拆装。

本发明的机器人整机共用一套电源系统，当检测到水枪到位时，变电站设备带电水冲洗机器人开始进行冲洗作业，并根据绝缘子的状态和作业前的设定采用一冲n回的形式进行冲洗作业。完成整套冲洗作业时，水枪迅速向下冲洗，然后回位到特定的安全区域。在作业过程中，若作业系统存在故障，系统会开启作业系统异常报警灯，以示警报，其中，报警灯与主控制器相连。

本发明的机器人还包括底盘，底盘的驱动系统采用电机驱动，由两个电机共同控制，控制方式为半自主控制。主控制器通过特定的控制介质采用网桥实现和底盘驱动系统的远程通讯，人工的实现远程控制机器人完成相应的作业路径行走。在行走过程中，驱动系统作业常开警示灯会闪烁以示警示，在光线条件较暗的情况下，可开启照明灯保证机器人的安全运动。

本发明的机器人还包括电源管理模块，电源管理模块是整个机器人系统正常工作的重要判断标准，由于本发明的机器人整机共用一套电源，所以本发明还对电源进行实时的监测。本发明还对电源剩余电量、电流值、电源温度等指标进行检测，这样能够保证电源本身处于正常、足电的状态，也要保证输出电流处于合理范围以内。

本发明的机器人还包括状态指示灯系统，所述状态指示灯系统与主控制器相连。状态指示灯系统是机器人系统正常工作与否的外在指示标志。驱动系统和作业系统工作时会有相应的警示灯进行警示作业人员，当系统出现异常时会有相应的报警灯进行报警，当光线条件不好时，会有照明灯保证作业环境内的光照充足。

基于图1所示的自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人，本发明还提供了自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人的工作方法。

具体地，本发明的一种自动识别绝缘子的变电站设备带电水冲洗机器人的工作方法，包括：

主控制器驱动绝缘臂升降机构进行垂直升降，进而由绝缘臂带动水枪上升至预设高度；

倾斜角传感器实时检测变电站设备带电水冲洗机器人本体的倾斜角度并传送至主控制器；

激光传感器对绝缘子进行标定并将标定结果传送至主控制器；

主控制器根据接收到的标定结果以及变电站设备带电水冲洗机器人的倾斜角度来判断绝缘子的位置和状态，并输出包含水枪水平角度以及俯仰角度信息的水冲洗策略。

其中，该方法还包括：

水平角度传感器和俯仰角度传感器分别实时检测水枪当前的水平角度和俯仰角度信息并传送至主控制器，由主控制器输出相应水冲洗策略至水平驱动器和俯仰驱动器来调整水枪的水平角度和俯仰角度，保证水柱时刻打在绝缘上。

该方法还包括：

首先，在线式水阻率检测仪和泄露电流检测仪分别实时检测变电站设备带电水冲洗机器人冲洗过程中冲洗水的水阻率变化及变电站设备带电水冲洗机器人本体的泄露电流变化并均传送至主控制器；

再由主控制器根据接收到的信息及预设的专家库，得到变电站设备带电水冲洗机器人的理想作业距离和喷水压力信息；其中，专家库内存储有水阻率及泄露电流分别与作业距离和喷水压力信息的对应关系；

最后再有激光测距仪实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的作业距离并反馈至主控制器内，实现对作业距离的闭环控制；以及压力传感器实时检测变电站设备带电水冲洗机器人的喷水压力并反馈至主控制器内，实现对喷水压力的控制，进而保证变电站设备带电水冲洗机器人的绝缘性能，起到安全防护的作用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。