第一章绪论§1.1研究背景及意义电力系统最重要的任务是提供高质量和高可靠性的电力。

电力传输必须依靠高压输电线路，它的安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。

由于输电线路分布点多、面广，绝大部分远离城镇，所处地形复杂，自然环境恶劣，且电力线及杆塔附件长期暴露在野外，会受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原来微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故，造成大面积停电，从而造成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，随时掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。

目前，对输电线路的巡检主要采用两种方法，即地面人工目测法和直升飞机航测法。

前者的巡检精度低，劳动强度大，且存在巡检盲区。

部分地区大雪封山时，车辆和行人无法进入(如图1.1所示)；在深山还有野兽出没，这给巡视人员带来了很大的安全隐患；后者则存在飞行安全隐患且巡线费用昂贵(如图1.2所示)。

如果用直升机巡视替代地面巡视，则每100公里1年巡视费用同塔双回线需217.92万元（单回线136万元）。

如果用直升机在整个东北电网覆盖地区巡视则需超过5000万元。

费用过于昂贵，直接限制了直升机巡视的广泛推广。

由于巡线机器人可以克服上述缺陷，因此，巡线机器人已成为特种机器领域的一个研究热点。

巡线机器人不仅可以减轻工人巡线的劳动强度，降低高压输电的运行维护成本，还可以提高巡检作业的质量和科学管理技术水平，对于增强电力生产自动化综合能力，创造更高的经济效益和社会效益都具有重要意义。

巡线机器人悬挂于架空避雷线上，并以此为行驶作业路径，通过自动控制方式完成输电线路巡检作业，及对线路的机械电气故障，包括绝缘子劣化和污秽、导线的机械破损、连接金具机械松脱等故障进行检测。

其特殊的作业环境要求机器人能够沿输电导线全程运行，包括沿输电导线的直线段和耐张线段实现滚动爬行，跨越及避让悬垂线夹、悬垂绝缘子、防振锤、耐张线夹等结构型障碍物。

因此，机器人的本体设计是整机设计中一个相当重要的部分，需经过多次反复才能完成；在进行机器人结构分析和设计时，需要建立一定的实验环境(导线物理模型、障碍物等)，对样机进行多次实验以检验其是否能达到预期的目标，这就导致其设计的周期长、设计效率低以及改型工作量大等缺点。

此外，样机的单机制造增加了成本。

在竞争的市场条件下，基于物理样机的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高、成本的降低及市场推广应用。

然而，利用仿真技术可以方便地建立机器人的虚拟样机模型。

在设计之初，就可以实现对整个系统的运动分析、动力分析、载荷及应力分析等，可大大提高机器人本体设计的质量和效率。

而且，仿真软件的应用可以使设计更为优化，即在计算机上修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案[]1。

同时，通过计算机仿真可以代替己有的物理样机进行各种状态的仿真分析，降低物理样机现场实验的风险。

利用仿真数据对模型进行修改，综合仿真数据与理论数据对所设计的虚拟样机性能做出准确的评价及提出建议。

本文将仿真技术引入到巡线机器人机构、运动学分析中，为研究巡线机器人作业性能及运动学特性，从虚拟样机的角度，提供了一定的参考依据。

本文所建立的巡线机器人全参数化模型，可以通过实验数据对其进行修正，从而为机构的设计优化、路径规划等做出铺垫。

§1.2架空线路巡线机器人与机器人仿真文献综述1.2.1架空线路巡线机器人研究概况国外巡线机器人的研究始于20世纪80年代末，日本、加拿大、美国等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。

1988年，东京电力公司的Swada等人研制了光纤复合架空地线(OPGW)巡线移动机器人[]2，如图1.3所示。

该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线爬行，能跨越地线上防振锤、螺旋减震器等障碍物。

遇到杆塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。

机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式，粗略控制是把线塔和地线的资料数据(线塔的高度、位置、电线长度、线路上附件数量等)预先编制好程序输入机器人，据此控制机器人的行走和越障；精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制。

机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。

但因其质量过大，达到100kg，而不能推广应用。

加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault等人在2000年开始了HQLineROVer遥控小车(见图1.4)的研制工作[]4,3，遥控小车起初用于线路巡检、维护等多用途移动平台。

第三代原型机构紧凑，仅重25kg，驱动力大，抗电磁干扰能力强，能爬52度的斜坡，通信距离可达1000m，小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线和地线更换、导线清污和除冰等带电作业，已在工作电流为800A的315kV电力线上进行了多次现场测试，但是HQ LineROV er没有越障能力，只能在两线塔间的电力线上工作。

美国TRC公司1999年研制了一台悬臂巡线机器人原型，如图1.5所示。

它能沿架空导线长距离爬行，执行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，对探测到的线路故障数据预处理后，传送给地面人员。

当机器人遇到杆塔时，利用手臂采用仿人攀援的方法从侧面越过杆塔。

其缺点是无法攀爬30度以上的斜坡而不能广泛应用。

文献[]6中，介绍了工作于66kV光纤架空地线，能够跨越防振锤和线夹的机器人。

文献[]7给出了一种新型移动机器人机构，由双臂、四套执行机构和手爪构成，该机器人能够沿架空地线行走，并且能够跨越杆塔。

文献[]8给出了一种能够沿架空地线行走并且跨越防振锤、杆塔、线夹等障碍物的移动机器人。

但上述机器人都具有18个以上的自由度，导致功耗过高而不能应用到实际工作中[]9。

图1.6是中国科学院沈阳自动化研究所研制出的具有自主知识产权的超高压输电线路巡检机器人，并于2006年4月12日与锦州超高压局合作开展了现场带电巡检试验，在其所管辖的500kV超高压输电线(东辽二线)上成功地完成了沿线行走，但没有越障能力。

综合国内外对于巡线机器人的研究情况，当代巡线机器人的研究主要集中于以下几个方面[]11,10：(1)机器人结构机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。

在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。

但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展[]12。

(2)运动控制技术稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移动机器人本身是一个非完整约束系统，是一个欠驱动的零漂移的动力学系统，因此，该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。

为此，通过时变、不连续控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实现车速和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内容。

(3)路径规划技术该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术。

由于自主式移动机器人在地面上行驶，必须避开它无法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂环境下的路径规划问题，显得更为重要。

(4)实时视觉技术该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取和模式识别。

而且，视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定智能机器人整体性能的决定性因素。

(5)定位和导航技术该技术是现代轮式移动机器人研制所急需的关键技术，也是下一代无人战车的技术基础。

位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和自然路标导航等。

(6)多传感集成和数据融合技术自主式移动机器人采用测距技术，GPS定位技术和小型陀螺仪技术等多种传感技术来采集不同类型的环境信息。

因此，准确地处理和分析不同传感器采集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述并据此作出正确的决策和控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。

(7)检测技术一种是可见光检测方法，采用高分辨率摄像机摄取目标图像，一般能发现架空线大部分表面故障现象，精度和准确度取决于图像质量。

如何让巡线机器人自主控制携带的摄像设备，捕捉特定目标，获取多视角、高清晰度目标图像是关键；另一种是红外探测技术，当输电导线存在诸如导线断股、绝缘子破损等故障时，故障点附近会出现局部温升，产生热辐射。

这些故障难以通过视觉检查发现，我们可以采用红外探测技术加以弥补。

具体来说，就是热成像技术，这是一种广泛用于输变电系统的故障探测技术，可以摄取表面温度超过周围环境温度的异常温升点的红外光谱图像，然后根据图像，人工或自动判读可能的故障器件。

(8)高性能计算技术在移动机器人的早期研究工作中，专用硬件结构为多数研究者所采用，这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需的计算能力。

近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理器来构建机器人系统。

目前用于移动机器人的硬件结构多数采用一个高速通用处理器加上几个专用板卡或芯片(用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算)，或者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优化的性能。

(9)无线通信与因特网技术这两项技术可以实现多机器人之间的通信和信息共享，以及机器人与外部的联系。

1.2.2机器人仿真简介仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，采用系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。

它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。

计算机仿真[]15是在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究对象。

研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统，是将研究对象进行数学描述、建模编程，且在计算机中允许实现。

它不怕破坏、易修改、可重用。

计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程中，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训练、故障处理等各个阶段。

机器人计算机仿真具有以下意义：1)开发前期对设计思想论证和评优，包括对各种方案的运动学及动力学特性进行评估；2)准确的动力学模型为机器人控制提供参考依据；3)最终设计的产品进行性能校核，包括检验机器人能否完成预定目标，及对其运行状况进行评价；4)有效的仿真模型还可以用来对最终产品性能进行跟踪、故障预测、诊断等。