高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统及控制方法，控制系统包括：电流传感器，用于检测避障臂内驱动线圈电流大小；倾角传感器，用于检测机器人相对水平面的倾斜角度；加速度传感器，用于检测机器人沿高压输电线方向的加速度；控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器的检测，调控所述驱动线圈中的电流，进而控制机器人的驱动力，使其按照预定的状态运动。保证了磁力驱动机器人可稳定通过输电线路上遇到的各种障碍物，且当高压输电线的坡度发生变化时，可控制磁力机器人驱动力的大小和方向，自主完成磁力驱动机器人加速、减速和匀速运动的控制需求。

权利要求

1.一种高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，其特征在于，包括：

电流传感器，用于检测避障臂内驱动线圈电流大小；

倾角传感器，用于检测机器人与水平面的倾斜角度；

加速度传感器，用于检测机器人沿高压输电线方向的加速度；

控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器的检测，调控所述驱动线圈中的电流，进而控制机器人的驱动力，使其按照预定的状态运动；

其中，在越障运动状态下，所述控制器将所述驱动线圈的电流调整为：

式(1)，B3表示所述驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示所述驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示所述驱动线圈有效长边和无效长边的长度，n为机器人避障臂的数量，i为处于越障运动的避障臂的数量。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，其特征在于，在非越障运动状态下，所述机器人匀速运动时，所述控制器将所述驱动线圈的电流调整为：式(2)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

3.根据权利要求1所述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，其特征在于，在非越障运动状态下，所述机器人变速运动时，所述控制器将所述驱动线圈的电流调整为：式(3)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

4.一种高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：倾角传感器检测机器人相对水平面的倾斜角度；

加速度传感器检测机器人沿高压输电线方向的加速度；

电流传感器检测避障臂内驱动线圈电流大小；

基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器的检测，调控所述驱动线圈中的电流，进而控制机器人的驱动力，使其按照预定的状态运动；

其中，在越障运动状态下，将所述驱动线圈的电流调整为：

式(4)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度，n为机器人避障臂的数量，i为处于越障运动的避障臂的数量。

5.根据权利要求4所述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，其特征在于，在非越障运动状态下，所述机器人匀速运动时，将所述驱动线圈的电流调整为：式(5)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

6.根据权利要求4所述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，其特征在于，在非越障运动状态下，所述机器人变速运动时，将所述驱动线圈的电流调整为：式(6)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

说明书

高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高压输电线路巡线机器人技术领域，具体涉及高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统及控制方法。

背景技术

[0002] 目前高压输电线路巡线机器人已成为国内外研究的热点，传统的巡线机器人多采用轮臂复合式机构，外形尺寸大，机身笨重，由于轮臂式机器人的滑轮与高压线直接接触，存在摩擦和打滑等问题，降低巡线机器人的工作效率。湖北工业大学徐显金等人提出一种磁悬浮式磁力驱动机器人的方案，利用高压线周围产生的磁场实现磁力驱动，这种方案减小了机器人的外形尺寸，简化了结构，并且完全消除了摩擦和打滑等问题。本发明涉及上述方案中的磁力驱动机器人，通过控制机器人驱动线圈的电流，使机器人适应高压线坡度变化，并能稳定越过各种障碍结构，提高机器人的自动化程度。

发明内容

[0003] 本公开一方面的目的在于提供一种高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，包括：电流传感器，用于检测避障臂内驱动线圈电流大小；倾角传感器，用于检测机器人与水平面的倾斜角度；加速度传感器，用于检测机器人沿高压输电线方向的加速度；控制器，基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器的检测，调控所述驱动线圈中的电流，进而控制机器人的驱动力，使其按照预定的状态运动。

[0004] 在上述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，在非越障运动状态下，所述机器人匀速运动时，所述控制器将所述驱动线圈的电流调整为：

[0005]

[0006] 式(1)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

[0007] 在上述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，在非越障运动状态下，所述机器人变速运动时，所述控制器将所述驱动线圈的电流调整为：

[0008]

[0009] 式(2)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

[0010] 在上述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，在越障运动状态下，所述控制器将所述驱动线圈的电流调整为：

[0011]

[0012] 式(3)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度，n为机器人避障臂的数量，i为处于越障运动的避障臂的数量。

[0013] 本公开另一方面的目的在于提供一种高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，包括如下步骤：倾角传感器检测机器人相对水平面的倾斜角度；加速度传感器检测机器人沿高压输电线方向的加速度；电流传感器检测避障臂内驱动线圈电流大小；基于所述电流传感器、倾角传感器和加速度传感器的检测，调控所述驱动线圈中的电流，进而控制机器人的驱动力，使其按照预定的状态运动。

[0014] 在上述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，在非越障运动状态下，所述机器人匀速运动时，将所述驱动线圈的电流调整为：

[0015]

[0016] 式(4)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

[0017] 在上述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，在非越障运动状态下，所述机器人变速运动时，将所述驱动线圈的电流调整为：

[0018]

[0019] 式(5)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度。

[0020] 在上述的高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，在越障运动状态下，将所述驱动线圈的电流调整为：

[0021]

[0022] 式(6)，B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，m为机器人的质量，a机器人沿高压输电线方向的加速度，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力，G为机器人的重力，θ为机器人相对平面的倾斜角度，L2表示驱动线圈有效长边和无效长边的长度，n为机器人避障臂的数量，i为处于越障运动的避障臂的数量。

[0023] 本公开保证了磁力驱动机器人可稳定通过输电线路上遇到的各种障碍物，由于高压输电线路在重力作用下呈悬链线结构，当高压输电线的坡度发生变化时，可控制磁力机器人驱动力的大小和方向，自主完成磁力驱动机器人加速、减速和匀速运动的控制需求。

附图说明

[0024] 图1为根据本公开的一个实施方式的高压直流输电线磁力机器人结构示意图。

[0025] 图2为根据本公开的一个实施方式的避障臂打开后的结构示意图。

[0026] 图3为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人在输电线上驱动力分析图。

[0027] 图4为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人整体受力分析图。

[0028] 图5为根据本公开的一个实施方式的控制系统框图。

[0029] 图6为根据本公开的一个实施方式的驱动线圈中电流的控制电路图。

[0030] 图7为根据本公开的一个实施方式的磁力机器人驱动力控制流程图。

[0031] 图8为根据本公开的一个实施方式的第一避障臂张开时磁力机器人受力分析图。

[0032] 图9为根据本公开的一个实施方式的第二避障臂张开时磁力机器人受力分析图。

[0033] 图10为根据本公开的一个实施方式的第三避障臂张开时磁力机器人受力分析图。

[0034] 图中：1-高压输电线，2-机器人底部支架，3-障臂中驱动线圈，4-高压输电线保护套，5-控制器，6-电流传感器，7-倾角传感器，8-加速度传感器，9-直流电源，10-第一避障臂，11-第二避障臂，12-第三避障臂。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细的说明。

[0036] 本公开主要对磁悬浮式磁力驱动机器人中驱动线圈的电流进行控制，进而实现对驱动力的控制，使机器人适应高压线坡度变化，并能稳定越过各种障碍结构，提高机器人的自动化程度。

[0037] 架空高压输电线磁力驱动机器人驱动力由安培力提供，根据安培力公式F＝BIL可知，当通有电流的导线经过磁场区域时，带电导线会受到安培力的作用，安培力的方向由左手定则判断，即伸开左手，使拇指与其它四指垂直且在同一平面内，让磁感线从手心流入，四指指向电流的方向，大拇指指向就是安培力的方向，安培力大小的计算公式为F＝BIL，其中，B为磁场区域的磁场强度，I表示带电导线的电流大小，L表示处于磁场中带电导线的长度。根据右手螺旋定则得到高压输电线周围产生的磁场方向，即用右手握住高压输电线，右手大拇指指向高压输电线中电流的方向，四指的方向为磁场的方向，高压导线周围会产生磁场区域，规定在平面内，磁场的方向垂直平面向外用“·”表示，磁场的方向垂直平面向内用“×”表示。

[0038] 其中，驱动线圈的结构及其在避障臂的驱动瓦上的安装方式可参见公开号CN103595300A，名称为“一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人”的专利申请。图3为磁力驱动机器人在高压直流输电线上驱动力分析图，在沿输电线路切线方向驱动力分析中，设输电线路上部为c线圈，按照逆时针的方向，四条边分别为ca、cb、cc、cd；输电线路下部为d线圈，按照顺时针的方向，四条边分别为da、db、dc、dd。cd和dd边作为有效长边处于强导磁环境中。cb和db边作为无效长边处于弱导磁环境中。根据安培力的定义可知，ca边和cc边、da边和dc边所受安培力大小相等，方向相反，力的作用相互抵消，而在cd边和dd边所受的安培力分别大于cb边和db边，即F3＞F4。另外，通过改变线圈中电流的方向，可改变驱动力方向。

[0039] 假定机器人向右运动，当磁力机器人处于水平位置时，机器人的驱动力F＝Fc-Fd-Fw，其中Fc为所受向右的安培力的合力，Fd为所受向左安培力的合力，F为机器人在水平方向上的驱动力，Fw为机器人在行进过程中会受到空气阻力(Fw＝ρCDAv2/2，CD为空气阻力系数，A为机器人端面的迎风面积，ρ为空气密度)。当机器人相对于水平面倾斜角度θ时，机器人的整体受力情况如图4所示，在沿高压线1的方向上，磁力机器人所受的合力为F＝Fc-Fd-Fw-Gsinθ，由安培力公式得 其中B3表示驱动线圈有效长边处的磁场强度，B4表示驱动线圈无效长边处的磁场强度，I2表示为驱动电流即驱动线圈c、d的电流，L2表示驱动线圈长边(有效长边和无效长边)的长度，即图5中cd边、dd边、cb边、db边的长度，代入上式得，机器人在沿高压线1前进方向的合力为F＝(B3-B4)I2L2-Fw-Gsinθ。

[0040] 机器人的运动分为匀速运动和变速运动。

[0041] 机器人做匀速运动时，机器人的受力平衡，则在前进方向的合力F为0，线圈c、d中的电流I2与倾角θ的关系式为

[0042] 机器人做变速运动时，根据牛顿第二定律，F＝ma，其中，F为机器人在延高压线方向的合力，m为机器人的质量，a为机器人沿线路切线方向的加速度，线圈c和d中的电流I2、倾角θ与加速度a的关系式为

[0043] 当机器人沿高压线前行遇到障碍物时，避障臂会依次张开，越过障碍物后，避障臂会再次闭合，当避障臂张开时避障臂中的驱动线圈的直流电将断开，此时张开的避障臂内线圈不会再受到安培力的作用。其中避障臂的开合方式可采用现有技术，例如可参见公开号CN106505463A，名称为“一种高压直流磁悬浮巡检机器人避障装置”的专利申请。设机器人共有n个避障臂，每个避障臂提供的驱动力为FC，驱动线圈中的电流为IC，假定越障时共有i个避障臂张开进行越障，每个闭合避障臂提供的驱动力为FD，驱动线圈中的电流为ID，为保持机器人整体所受的驱动力不变，则应该满足nFC＝(n-i)FD， 根据安培力公式可知，线圈所受的安培力与所通电流成正比关系，则机器人避障时，线圈中电流的变化关系为

[0044] 基于上述对驱动力的分析，一种高压直流输电线磁力机器人驱动力控制系统，包括控制器5、电流传感器6、倾角传感器7、加速度传感器8及直流电源9，这些器件可安装在如图1所示机器人底部支架2上，控制系统框图可参见图5。

[0045] 电流传感器6检测机器人避障臂内驱动线圈3电流大小。由于机器人一般具有多个避障臂，且每个避障臂中驱动线圈3电流的控制相对独立，因此每个驱动线圈3都具有一个电流传感器。如图1所示，磁力机器人具有三个避障臂，因此在驱动力控制系统中设置三个电流传感器6，分别为电流传感器A、电流传感器B和电流传感器C。

[0046] 倾角传感器7检测机器人相对水平面的倾斜角度θ。

[0047] 加速度传感器8检测机器人沿高压输电线方向(切线方向)的加速度a。

[0048] 直流电源9用于给驱动线圈3及其它直流器件提供电能。

[0049] 控制器5根据电流传感器6、倾角传感器7和加速度传感器8的检测，通过调节如图6所示的电流控制电路中晶体管的开合程度调控驱动线圈3中的电流，进而控制机器人的驱动力，使其按照预定的状态运动。机器人在不同运动状态下，电流的调整公式不同。机器人包括越障和不越障两种运动状态 ，越障时驱动线圈3电流 调整公式 为不越障分为匀速运动和变速运动，匀速运动时驱动线圈3电流
调整 公 式 为 变 速 运 动时 驱 动线 圈 3电 流 调 整公 式 为

[0050] 一种高压直流输电线磁力机器人驱动力控制方法，包括如下步骤：倾角传感器7检测机器人相对水平面的倾斜角度θ；加速度传感器8检测机器人沿高压输电线方向的加速度a；电流传感器6检测避障臂内驱动线圈3电流大小；基于电流传感器6、倾角传感器7和加速度传感器8的检测，控制器5通过调节如图6所示的电流控制电路中晶体管的开合程度调控驱动线圈3中的电流，进而控制机器人的驱动力，使其按照预定的状态运动。该控制过程可参见图7所示的实施方式。其中机器人在不同运动状态下，电流的调整公式可参见上述驱动力控制系统实施例。

[0051] 下面以图1所示的具有三个避障臂的磁力机器人为例，对越障过程中驱动力的控制进行详细说明。

[0052] (1)首先第一避障臂10越障时，第一避障臂10张开，第二避障臂11和第三避障臂12闭合，此时第一避障臂10中驱动线圈3的电流IA1＝0，驱动力FA1＝0，第二避障臂11和第三避障臂12提供的驱动力相同，如图8所示，为保证机器人整体所受的驱动力不变，则应该满足其中，FB1为第二避障臂11提供的驱动力，FC1为第三避障臂12提供的驱动力，Fw为机器人在行进过程中受到的空气阻力，G为机器人的重力，a为磁力机器人沿输电线路切线方向的加速度。由安培力公式可知，通电线圈所受的安培力与所通电流成正比 关系 ，线圈c 、d 中的电 流与倾 角θ和加速度a 之间的 关系式 为其中，IB1为第二避障臂11中驱动线圈3的电流，IC1为第三避障
臂12中的驱动线圈3的电流。

[0053] (2)当第一避障臂10越过障碍物后，第一避障臂10再次闭合，第二避障臂11开始越障时，第二避障臂11张开，第三避障臂12闭合，此时第二避障臂11中驱动线圈3的电流IB2＝0，驱动力FB2＝0，第一避障臂10和第三避障臂12提供的驱动力相同，如图9所示，为保证机器人整体所受的驱动力不变，则应该满足 其中，FA2为第一避障
臂10提供的驱动力，FC2为第三避障臂12提供的驱动力，线圈c、d中的电流与倾角θ和加速度a之间的关系式为 其中，IA2为第一避障臂10中驱动线圈3的电
流，IC2为第三避障臂12中的驱动线圈3的电流。

[0054] (3)当第二避障臂11越过障碍物后，第二避障臂11再次闭合，第三避障臂12开始越障时，第三避障臂12张开，第一避障臂10闭合，此时第三避障臂12中驱动线圈3的电流IC3＝0，驱动力FC3＝0，第一避障臂10和第二避障臂11提供的驱动力相同，如图10所示，为保证机器人整体所受的驱动力不变，则应满足 其中，FA3为第一避障
臂10提供的驱动力，FB3为第二避障臂11提供的驱动力，线圈c、d中的电流与倾角θ和加速度a之间的关系式为 其中，IA3为第一避障臂10中驱动线圈3的电
流，IB3为第二避障臂11中驱动线圈3的电流。

[0055] 当第三避障臂12越过障碍物后会再次闭合，此时机器人完成越障动作，三个避障臂均处于闭合状态。