架空碳纤维导线探伤巡检机器人设计与实现

作     者：高源 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋光明

授予年度：2020年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：输电线路巡检机器人 数字射线成像 架空碳纤维复合芯导线 稳定控制 

摘      要：碳纤维复合芯导线是一种应用广泛的新型导线,具有较好的抗拉强度与较差的抗剪强度,易在非规范施工过程中被卡线器等牵引装备损伤,形成用电安全隐患。近年来,因内部芯棒受损导致的断线事故时有发生,严重威胁电网运行安全。现有的巡检探伤技术受限于无损探伤设备的重量体积、对碳纤维导线适用性等因素,均无法对已在网运行的碳纤维导线内部碳纤维芯的损伤进行有效检测。因此,设计一种新型碳纤维导线探伤巡检机器人具有重大和迫切的工程应用需求。本文针对架空碳纤维复合芯导线内部探伤检测难题,提出了一种基于数字射线成像的新型碳纤维导线探伤巡检机器人设计方法。采用单线包裹式机构,搭载便携式X射线无损探伤系统,具有自主探伤功能。机器人能够在线路端部30m内的工作空间内,自动进行无损探伤以排除因施工造成的导线断裂隐患,并能对疑似缺陷位置进行定位,用于后期导线加固维护。机器人具有包裹式侧边安装的本体结构;基于X射线数字成像的无损探伤系统按射线源—被测对象—成像板的顺序布置,射线出射方向向上;线上运动系统能够使机器人在工作空间内具有良好的爬坡越障能力,对缺陷疑似区域覆盖无死角,并使用ANSYS有限元分析工具以及ADAMS动力学仿真分析工具进行仿真分析优化;动态减振控制系统由基于重锤的稳定控制机构和基于对数的稳定控制方法构成,使机器人具有较好的抗扰稳定性,能够提升机器人探伤成像质量。碳纤维导线探伤巡检机器人的控制系统采用冗余备份的硬件设计,通过对控制器、供电系统、通讯系统进行功能上的冗余备份,提高控制系统的可靠性;控制系统软件部分通过射线图像采集预处理、成像清晰度评价筛选以及并行多线程的任务调度程序,提升探伤控制系统的自动化程度与效率;通过地面用户终端的人机交互界面与基于振动反馈的人机接口,提高机器人系统的人机交互能力。为验证碳纤维导线探伤巡检机器人的实际运行效果,在完成机器人样机研制和系统集成后,对其进行实验验证研究。在模拟实验场地完成机器人行走、越障、爬坡等机器人动力性能与动态减振系统稳定效果、探伤效果、定位精度、控制系统效率和稳定性等测控性能的测试。机器人在无障碍时最大爬坡角度为35°,在有障碍时最大爬坡角度约为25°;搭载稳定控制系统的机器人在受到模拟扰动作用后能平均提升12.4%的回复速度,平均降低15.6%的振动幅度;机器人定位系统在间歇启停的工况下,定位精度会受上下坡过程中打滑造成的随机误差影响,在小坡度、中坡度、大坡度环境下平均相对定位精度分别为:0.4%、0.2%、0.6%。在实际线上实验中,机器人各部分系统均正常运作,机器人探伤单帧平均耗时5.9s,比优化前的单线程调度方式耗时减少38.5%,探伤图像合格率为99.8%。实验结果表明,本文的碳纤维导线探伤巡检机器人能够满足工程实际运用需求,解决了架空碳纤维复合芯导线内部损伤检测难题。