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1、(10)申请公布号 CN 103855644 A (43)申请公布日 2014.06.11 CN 103855644 A (21)申请号 201410096183.1 (22)申请日 2014.03.14 H02G 1/02(2006.01) B64C 27/08(2006.01) (71)申请人 刘凯 地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西路 127 号 (72)发明人 刘凯 (74)专利代理机构 北京凯特来知识产权代理有 限公司 11260 代理人 郑立明 赵镇勇 (54) 发明名称 多旋翼式智能架空线路巡检机器人 (57) 摘要 本发明公开了一种多旋翼式智能架空线路巡 检机器人， 。
2、包括线上行走模块、 多旋翼飞行系统模 块、 自主落线模块、 线上平台和地面站接收处理平 台 ； 线上行走模块包括行走车架、 行走支撑轮、 行 走驱动轮和行走电机， 行走支撑轮的内端面和外 端面分别设有内引导圈和外引导圈 ； 多旋翼飞行 系统模块包括飞控设备仓、 旋翼臂、 旋翼和飞行电 机、 云台、 巡检相机和起落支架， 飞控设备仓的上 部通过连接支杆与行走车架连接 ； 自主落线模块 包括左落线相机、 右落线相机和飞控设备仓内的 多传感器模块 ； 线上平台与地面站接收处理平台 无线连接。 既能够在线上方飞行巡检输电线路， 又 能够自主落线、 离线， 实现线上行走巡检， 大大降 低了劳动强度和人工。
3、成本， 提高了巡检效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103855644 A CN 103855644 A 1/1 页 2 1. 一种多旋翼式智能架空线路巡检机器人， 其特征在于， 包括线上行走模块、 多旋翼飞 行系统模块、 自主落线模块、 线上平台和地面站接收处理平台 ； 所述线上行走模块包括行走车架， 所述行走车架上设有行走驱动轮和行走支撑轮， 所 述行走驱动轮连接有行走驱动电机， 所述行走支撑轮的内端面和外端面分别设有内。
4、引导圈 和外引导圈 ； 所述多旋翼飞行系统模块包括飞控设备仓， 所述飞控设备仓的上部通过连接支杆与 所述行走车架连接， 所述飞控设备仓的周边设有旋翼臂和斜拉支架， 所述旋翼臂的端部设 有旋翼和飞行电机， 所述飞控设备仓的下部设有云台和起落支架， 所述云台上设有巡检相 机 ； 所述自主落线模块包括设于所述飞控设备仓上部的左落线相机和右落线相机， 还包括 设有所述飞控设备仓内的多传感器模块 ； 所述行走驱动电机、 飞行电机、 巡检相机、 左落线相机、 右落线相机和多传感器模块分 别与所述线上平台通过信号线连接， 所述线上平台与所述地面站接收处理平台无线连接。 2. 根据权利要求 1 所述的多旋翼式。
5、智能架空线路巡检机器人， 其特征在于， 所述多传 感器模块包括 GPS 模块、 高度计、 陀螺仪、 电子罗盘、 加速度计和接近传感器。 3. 根据权利要求 1 所述的多旋翼式智能架空线路巡检机器人， 其特征在于， 所述云台 为二自由度云台。 4. 根据权利要求 1 所述的多旋翼式智能架空线路巡检机器人， 其特征在于， 所述行走 驱动轮和行走支撑轮的表面设有橡胶层。 权 利 要 求 书 CN 103855644 A 2 1/5 页 3 多旋翼式智能架空线路巡检机器人 技术领域 0001 本发明涉及一种多旋翼式智能架空线路巡检技术， 尤其涉及一种多旋翼式智能架 空线路巡检机器人。 背景技术 000。
6、2 电力工业关系到国民经济的发展和人民群众的正常生活， 电力架空线路是现代社 会的生命线， 尤其是高压和超高压输电线路。 0003 高压架空线路由杆塔、 导线、 地线、 绝缘子、 线夹、 间隔棒、 金具等构成。 其中构成整 个输电线路的电能输送网络的安全平稳运行是国民经济和百姓生活正常利用电能的基本 前提， 但由于架空线路架设在野外， 在复杂的自然环境和特殊气候条件下， 运行的输电网络 会出现这样那样的问题， 如 ： 导线或地线的断股、 散股、 绝缘子的劣化导致的放电和闪落、 防 振锤等金具的松动导致的防振锤游走、 线路上悬挂风筝或编织袋等悬挂物、 大风导致线路 舞动进而导致相间放电、 线路覆。
7、冰等自然灾害、 鸟窝鸟粪隐形危害等等。因此， 需要对线路 进行定期的巡视， 以检查电力输送是否正常并排除故障， 从而保证国家电网安全和电能的 正常输送。 0004 现有技术中， 对架空线路进行巡检的方法主要有三种 ： 0005 一种是人工检测， 通过巡视人员的目测， 或借助望远镜观察。 这种方法很难达到理 想的效果， 特别是在地形复杂的山区， 不仅巡线人员体力消耗大， 而且效率低、 可靠性低。 0006 另外一种方法就是用一种能够在架空输电线上稳定行走、 可以实时观测线路情况 的智能化的机器人来取代人工巡视， 这样既可以提高巡线的精度， 又可以提高工作效率， 节 省了大量的人力。 但是， 现有。
8、的机器人只能在两杆塔间的直线段巡线， 跨越障碍物的功能较 差， 应用过程中需要将机器人通过人工爬塔， 将其送上巡检线路的导线或地线上， 上下塔很 不方便， 尤其在带电运行的线路， 会给带电作业人员带来安全隐患， 而且人力成本也很高。 0007 还有一种方法是借助直升机技术对输电线路进行巡视， 通过机载的视频摄像机在 线路上方进行巡视。这种方法通过直升机在线路上方飞行将线路的运行状态通过视频图 像的方式传输到地面站， 能够初步解决线路安全运行的巡检问题， 但也存在一些问题， 如直 升机只能在线路上方进行单角度、 单方向的观察， 同时只能在较远距离进行视频成像， 这种 方法只能粗测线路上的导线、 。
9、地线、 绝缘子、 金具和杆塔上已经形成损坏的故障问题， 不能 精细观察和记录线路一些潜在的隐患和问题， 如导线地线的断股而未散股的潜在隐患。同 时， 这种远距离巡检只能是观察和知道， 无法对潜在的或已出现的故障进行处理， 如线路上 悬挂着风筝和塑料膜等危险， 只是通过直升机巡检无法对线路上的隐患或问题进行处理操 作。 发明内容 0008 本发明的目的是提供一种既能够在线上方飞行巡检输电线路， 又能够自主落线、 离线， 实现线上行走巡检的多旋翼式智能架空线路巡检机器人。 说 明 书 CN 103855644 A 3 2/5 页 4 0009 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 ： 0010 本。
10、发明的多旋翼式智能架空线路巡检机器人， 包括线上行走模块、 多旋翼飞行系 统模块、 自主落线模块、 线上平台和地面站接收处理平台 ； 0011 所述线上行走模块包括行走车架， 所述行走车架上设有行走驱动轮和行走支撑 轮， 所述行走驱动轮连接有行走驱动电机， 所述行走支撑轮的内端面和外端面分别设有内 引导圈和外引导圈 ； 0012 所述多旋翼飞行系统模块包括飞控设备仓， 所述飞控设备仓的上部通过连接支杆 与所述行走车架连接， 所述飞控设备仓的周边设有旋翼臂和斜拉支架， 所述旋翼臂的端部 设有旋翼和飞行电机， 所述飞控设备仓的下部设有云台和起落支架， 所述云台上设有巡检 相机 ； 0013 所述自。
11、主落线模块包括设于所述飞控设备仓上部的左落线相机和右落线相机， 还 包括设有所述飞控设备仓内的多传感器模块 ； 0014 所述行走驱动电机、 飞行电机、 巡检相机、 左落线相机、 右落线相机和多传感器模 块分别与所述线上平台通过信号线连接， 所述线上平台与所述地面站接收处理平台无线连 接。 0015 由上述本发明提供的技术方案可以看出， 本发明实施例提供的多旋翼式智能架空 线路巡检机器人， 由于包括线上行走模块、 多旋翼飞行系统模块、 自主落线模块、 线上平台 和地面站接收处理平台， 既能够在线上方飞行巡检输电线路， 又能够自主落线、 离线， 实现 线上行走巡检， 大大降低了劳动强度和人工成本。
12、， 提高了巡检效率。 附图说明 0016 图 1 为本发明实施例提供的多旋翼式智能架空线路巡检机器人的立体结构示意 图 ； 0017 图 2 为本发明实施例提供的多旋翼式智能架空线路巡检机器人的俯视结构示意 图。 0018 图 3 为本发明实施例提供的多旋翼式智能架空线路巡检机器人的系统功能示意 图。 0019 图中 ： 0020 1、 行走车架， 2、 行走驱动电机， 3、 内引导圈， 4、 外引导圈， 5、 旋翼， 6、 飞行电机， 7、 斜拉支架， 8、 巡检相机， 9、 云台， 10、 起落支架， 11、 飞控设备仓， 12、 旋翼臂， 13、 左落线相机， 14、 右落线相机， 15。
13、、 连接支杆。16、 行走驱动轮， 17、 行走支撑轮， 18、 架空线。 具体实施方式 0021 下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。 0022 本发明的多旋翼式智能架空线路巡检机器人， 其较佳的具体实施方式是 ： 0023 包括线上行走模块、 多旋翼飞行系统模块、 自主落线模块、 线上平台和地面站接收 处理平台 ； 0024 所述线上行走模块包括行走车架， 所述行走车架上设有行走驱动轮和行走支撑 轮， 所述行走驱动轮连接有行走驱动电机， 所述行走支撑轮的内端面和外端面分别设有内 说 明 书 CN 103855644 A 4 3/5 页 5 引导圈和外引导圈 ； 0025 所述多旋翼飞行。
14、系统模块包括飞控设备仓， 所述飞控设备仓的上部通过连接支杆 与所述行走车架连接， 所述飞控设备仓的周边设有旋翼臂和斜拉支架， 所述旋翼臂的端部 设有旋翼和飞行电机， 所述飞控设备仓的下部设有云台和起落支架， 所述云台上设有巡检 相机 ； 0026 所述自主落线模块包括设于所述飞控设备仓上部的左落线相机和右落线相机， 还 包括设有所述飞控设备仓内的多传感器模块 ； 0027 所述行走驱动电机、 飞行电机、 巡检相机、 左落线相机、 右落线相机和多传感器模 块分别与所述线上平台通过信号线连接， 所述线上平台与所述地面站接收处理平台无线连 接。 0028 所述多传感器模块包括 GPS 模块、 高度计。
15、、 陀螺仪、 电子罗盘、 加速度计和接近传 感器。 0029 所述云台为二自由度云台。 0030 所述行走驱动轮和行走支撑轮的表面设有橡胶层。 0031 本发明根据现有技术中各种方法的优缺点， 将机器人技术和无人机技术巧妙结 合， 在原有机器人基础上融入了近年快速发展并逐渐成熟的多旋翼无人机技术， 实现了机 器人自主飞行和自主落线离线， 机器人既能够在线上飞行巡检输电线路， 同时根据需要自 主落线， 实现线上行走巡检， 当遇到障碍或行走到塔端， 机器人能够借助无人机飞行技术通 过飞跃的方式离线， 从而较好的破解了原有越障机器人越障难题， 同时不需要人工上下塔， 只需在地面站进行观察和操控即可。。
16、 这种架空输电线路巡检方法弥补了人工望远镜法和单 纯的直升机线上方巡检的粗测不足及人为偏差， 实现了粗测和精细化巡检的融合 ； 解决了 直升机巡检只能巡视不能处理的难题， 通过落线行走机器人的机械手臂模块对存在的线路 问题隐患进行带电操作 ； 解决了人工上下塔的问题， 无需人工上塔和下塔， 借助于飞行技术 实现自主落线和离线， 大大降低了劳动强度和人工成本， 大大提高了巡检效率 ； 解决了单纯 通过机器人技术进行越障的难题， 由于原有的越障机器人仅仅通过机械臂和通用的传感器 反馈伺服系统在强电磁场环境下的干扰问题， 存在误动作或传感器失灵的情况， 因此一直 阻碍着越障机器人技术的实用化推广 ；。
17、 通过双目视觉技术和多传感信息融合技术使得机器 人能够识别导线或地线等小目标并给出其不同坐标系中的精确位置， 进而通过飞控系统和 多传感反馈信息的融合实现机器人自主落线和离线， 这种小目标识别定位方法可以广泛应 用到其他飞行器的飞行控制中。 0032 具体实施例 ： 0033 如图 1、 图 2 所示， 包括线上行走模块、 自主落线模块、 多旋翼飞行系统模块、 线上 平台和地面站接收处理平台。 0034 线上行走模块包括 ： 行走车架 1、 行走驱动电机 2、 内引导圈 3、 外引导圈 4、 行走驱 动轮 16、 行走支撑轮 17 等。 0035 行走驱动电机通过键连接行走驱动轮， 将驱动电机。
18、法兰盘固紧在行走车架的中 部。两个行走支撑轮通过轴承连接到轮轴上， 并通过螺纹连接到行走车架上。其中内引导 圈和外引导圈固定在行走支撑轮的两端， 主要用于落线时的引导， 使输电线能够顺利在较 大尺度内落入支撑轮槽中。 支撑轮表面是橡胶， 为了增大机器人行走过程中的摩擦力， 从而 说 明 书 CN 103855644 A 5 4/5 页 6 保证机器人有更大的爬坡能力。 0036 自主落线模块包括 ： 左落线相机 13、 右落线相机 14 和飞控设备仓 11 内的多传感 器模块， 如 ： GPS 模块、 高度计、 陀螺仪、 电子罗盘、 加速度计、 接近传感器等。 0037 通过双目相机和飞控设备。
19、仓内的传感器实现架空线的精确定位。整个定位过程 是 ： 通过飞控系统控制机器人在地上起飞， 这时飞控系统和双目相机同时工作， 飞控设备 仓内的 GPS 模块给出机器人相对大地的坐标， 而通过双目相机及其快速图像处理算法对要 着落的架空线 18 进行视觉跟踪和定位， 给出架空线相对机器人本体的三维坐标， 通过坐标 系变换和相关的计算方法， 最终机器人会给出架空线目的坐标系与机器人自身坐标系的三 维补偿数据， 通过高级的 PID 算法， 对补偿坐标实时修正， 并将坐标差补信息反馈回飞控系 统， 最终机器人自主的识别并向所要着落的架空线靠近， 最终通过接近传感器和双目相机 来最终确认机器人所要着落的。
20、架空线的位置， 控制系统通过这些反馈信息控制机器人自主 着落。 0038 多旋翼飞行系统模块包括 ： 旋翼 5、 飞行电机 6、 斜拉支架 7、 巡检相机 8、 云台 9、 起 落支架 10、 飞控设备仓 11、 旋翼臂 12、 连接支杆 15 等。 0039 采用六旋翼无人机作为机器人飞行落线、 离线、 巡检的载体。 其中六个旋翼均匀分 布到间隔 60 度角的圆周上， 旋翼与飞行电机相连， 通过旋翼臂连接到飞行设备仓底座上。 共有六个斜拉支架， 通过与旋转臂连接固紧加强连接支杆的强度和整个机器人上下两部分 的载荷平衡布置。飞控设备仓地板与起落支架通过连接件进行连接， 起落支架主要由 T 字 。
21、型的碳纤维空管拼接而成。整个多旋翼飞行系统模块均采用碳纤维材料构成， 保证了飞行 电源和起飞重量的协调配置。 巡检相机固定在二自由度云台上， 云台具有增稳功能， 保证机 器人在飞行过程中的气流振动对巡检相机拍摄影响最小。 0040 本发明的上述多旋翼式智能架空线路巡检机器人控制方法， 如图 3 所示， 包括步 骤 ： 0041 整个定位过程是 ： 通过飞控系统控制机器人在地上起飞， 这时飞控系统和双目相 机同时工作， 飞控设备仓内的 GPS 模块给出机器人相对大地的坐标， 而通过双目相机及其 快速图像处理算法对要着落的架空线进行视觉跟踪和定位， 给出架空线相对机器人本体的 三维坐标， 通过坐标。
22、系变换和相关的计算方法， 最终机器人会给出架空线目的坐标系与机 器人自身坐标系的三维补偿数据， 通过高级的 PID 算法， 对补偿坐标实时修正， 并将坐标差 补信息反馈回飞控系统， 最终机器人自主的识别并向所要着落的架空线靠近， 最终通过接 近传感器和双目相机来最终确认机器人所要着落的架空线的位置， 控制系统通过这些反馈 信息控制机器人自主着落。在落线过程中， 需要飞控系统根据现有机器人的多旋翼姿态和 反馈的双目视觉图像以及其他相关附加传感器的多传感融合信息， 将机器人的落线姿态调 整到两个行走支撑轮的外引导圈端面与架空线的铅直面平行的位置， 同时两个行走支撑轮 的轮槽中心铅直面与架空线的铅直。
23、面重合， 这时飞控系统控制机器人下落， 知道下落到架 空线和行走支撑轮槽重合为止， 这时机器人停止下降， 并通过接近传感器的反馈信号判断 落线成功， 多旋翼电机停止转动， 整个机器人的飞行落线过程结束， 控制系统开始启动行走 驱动电机， 控制机器人在线上行走。当机器人遇到障碍时， 实施机器人落线控制的逆过程， 控制系统先将行走驱动电机停止， 然后根据飞机的运行姿态， 实施起飞程序， 当所有多旋翼 飞行电机加速到一定程度时， 机器人离线并在架空线离开内引导圈时， 向外加力使得机器 说 明 书 CN 103855644 A 6 5/5 页 7 人飞离架空线， 并完成降落或着落到杆塔另一端的过程。 。
24、这样机器人就实现了完整的起飞、 找线、 定位、 调姿、 落线、 停机、 行走、 离线起飞、 着陆等多个复杂过程。在以上过程中云台上 的视频巡检相机一直在工作， 进行线路巡检， 通过数传模块可以传递地面站控制指令， 通过 图传模块传输巡检视频图像和两路落线相机的定位图像。 地面站的快速图像处理模块对两 路落线相机的定位图像进行快速处理， 通过相关算法快速解算出小目标架空线相对于机器 人本体的坐标， 进而反馈个控制系统， 控制六旋翼飞行电机的飞行。 0042 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。 说 明 书 CN 103855644 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103855644 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103855644 A 9 。