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关键词：输电线路;除冰;嵌入式系统;结构设计
2008年初，我国南方发生的大范围恶劣低温雨雪冰冻天气给输电线路带来了巨大的损毁和经济损失，尤其长距离输电线路当处于雨雪冰冻等极端灾害下会显得极度脆弱。大部分地区的输电线路上出现了冰闪跳闸、变电站停运、设备损毁、杆塔倒塌等事故。供电中断给生产生活带来了严重影响。我国是一个输电用电大国，如何加强和改善输电线路在冰冻极端灾害条件的抗灾害能力，加快研究有效的输电线路除冰技术，最大限度地避免和防止冰冻灾害对输电线路造成的危害成为国内外一个重点研究的问题。
现有的除冰方式主要包括人工外力敲打法、大电流热熔法等，但是上述方法受到技术、成本和人员安全性等因素的极大限制。随着嵌入式系统和物联网技术的发展，通过采用智能化的除冰机器人替代原有除冰方式成为可能。与原有传统的人工除冰法和大电流热熔除冰法相比，采用智能机器人具有高效、无人员安全隐患，长距离全天候工作等优势，因此多功能智能除冰机器人成為特种机器人研发工作的重要方向。目前，针对输电线路的机器人主要用于输电线路的巡检工作。线路巡检机器人的研发工作虽然始于日本，但紧随其后美国、加拿大等发达国家相继开展了针对于巡线机器人的研发。
我国的巡线机器人始于20世纪90年代，起初的研究针对于巡线领域，对线路除冰机器人工作并未大幅度开展。文献中介绍了加拿大魁北克水电研究院于2000年研制的LinerROVER遥控小车，该小车可以清除短距离线路上的少量覆冰。文献介绍了山东电力研究院与加拿大魁北克水电研究院合作研发了LinerRover小车的升级版，升级版小车在远程通信控制等方面得到了提升。后期湖南大学联合国防科大、武汉大学等多家单位也对除冰机器人展开了研发工作。但是由于在一些冰冻灾情严重的环境下，现有的机器人在功能、结构、远程通信、控制等方面还是无法满足用户方需求。文献介绍一种利用破冰锥的特殊结构用来除冰，但当破冰锥过长就会割伤线路，破冰锥过短则会影响到除冰效果。文献中的方案考虑到破冰效果，但是冰层的厚度对刀头的尺寸有严格的要求。基于以上工作并结合分析，设计一款智能高效的除冰机器人是非常有意义的。
1智能除冰机器人设计思路
本文舍弃国内传统除冰控制的各类方案，采用由光伏组件组建的太阳能供电的智能长距离无线控制除冰机器人。除冰机器人使用嵌入式控制结合机械自动除冰，具有在极端冰冻灾害的环境下工作的能力。智能除冰机器人机体结构主要由除冰结构、控制系统、运动系统、通信系统及动力提供系统五个部分构成。除冰结构是利用四旋翼无刷电机进行覆冰清除;控制系统部分是利用主控制器和扩展板与编程实现;运动系统通过可调节滑轨、步进电机、凹槽滑轮三大结构组成。通信系统借助无线模块和定位模块实现了机器人的远程通信、定位等功能，配合搭载有摄像头的无线传输系统实现了机器人在工作状态下对输电线路及周围环境的监控，除此之外在动力提供系统利用太阳能光伏组件供电提高续航能力。最后智能除冰机器人以电子机械实物的方式展现，能够完成输电线路周围环境监测、远程通信与控制、太阳能供电并保证移动速度及平稳性等各项性能的运行。从而形成一系列除冰工作的机、电、仪一体化系统。
2关键技术研究
智能除冰机器人是电子、通信、计算机、机械多学科交叉的产物，由于国内外至今尚无成熟的技术与方案，但是由于应用环境的特殊与复杂导致技术实现存在一些问题，需要研究的关键技术如下。
2.1无损伤除冰结构
智能除冰机器人的核心功能是高效的除去输电线路上的覆冰的同时，不损伤输电线路不影响输电线路的正常运行同样需要考虑。通常在冰雪灾害发生时覆冰形状为依附输电线路形状成“一”字形延展，除冰方式有撸剥式，钻击式和旋钻式等。本文设计了四旋翼无刷电机叶轮旋转进行覆冰清除。
撸剥式主要被用于人工除冰工作，工作人员在输电线上套挂环装物，下发进行拖拽。除冰效率低且效果一般，除冰过程中易造成电缆的损毁，与此同时易造成工作人员触电、磕碰、跌落等安全事故。依据动力，对线路损毁、安全性、除冰效率、除冰效果四个参数的对比，可以得出电机旋刷式的优势。对比情况见下表：
2.2关键单元设计
2.2.1主控制器单元
由于所需的数据量大且对运算速率有严苛的要求，本文选择Arduino系列的Mega2560作为主控制器，相比于其他主控制器，Arduino Mega2560具有多I/O接口，兼容Arduino UNOR3设计扩展板等诸多优势。本文采用的第三版Arduino，相比与其他有以下特点：
（1）在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持12C接口;增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板。
（2）改进了复位电路设计。
（3）USB接口芯片由ATmegal6U2替代了ATmega8U2。
2.2.2无线模块单元
本文采用NRF24L01无线模块，在2.4GHz一2.5GHz ISM频段工作。模块内置：频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
NRF24L01的优势在：
（1）功耗低，在以6dBm的功率发射时，工作电流只需要9mA;接收时，工作电流只有12.3mA。
（2）具有多种低功率工作模式。
（3）在数据传输方面实现相对Wi-Fi距离更远。
2.2.3电机驱动单元
为了保证足够的动力，机器人车体部分采用四驱方式。本驱动采用的是大功率驱动芯片BTS7960组成的H桥驱动模块，采用74HC244芯片有效隔离主控制器与电机驱动。本驱动模块具有过流过热保护功能，且双BTS7960H桥驱动模块电路具有强劲的驱动和刹车效果。 （1）特性参数：最大电流：43A控制端输入电压：3.3V～5V电机端输入电压：5.5V～27V控制方式：PWM、电平;
（2）端口：端口共计5个。+5V、GND两端口与单片机的电源端对应相连。INH端是BTS7960的使能端，和单片机相连（或者直接接高电平）。INl和IN2接主控制器的10口，控制BTS7960。设置00和11兩种状态：驱动模块输出为O，01车子前进（或者后退），10车子后退（或者前进）。为了保证电机驱动单元的正常运行，本文在此处设计恒压恒流降压模块予以配合。
2.2.4定位单元
定位模块采用的SM2217-MT的GPS模块，其特点是具有高灵敏度、低功耗、小型化、追踪灵敏度高等特点。利用此优势大幅度扩大了定位的覆盖面，在普通GPS接收模块无法定位的区域（如狭密集的丛林环境等特殊环境）sM2217-MT都能高精度定位。
2.2.5结合3D打印技术
除冰机器人的零件部分利用传统加工方法难以制造，本文采用3D打印技术对所需的零件部分进行打印。利用3D打印的优势在于不仅可表现出外形曲线的设计、结构及运动部件，零部件还可正常活动，特征位置准确可以满足装配要求。根据应用环境需要的不同，我们可以采用多种材料进行选择。
3智能除冰机器人的实现
智能除冰机器人跟一般机器人不同，需要在输电线路上长时间长距离的工作，在运行过程中需要多单元的协同工作。需要将上述关键技术中各单元组件进行组装及调试。本文提出的智能多功能除冰机器人是以实物样机的形式呈现，具体实现如下：
机器人的运动方式为卡线破冰，为了能使机器人稳定的在线上行走，使用四个动力轮和三个滑轮配合，为了适应不同规格的输电线路，将电机支架和滑轨结合实现调节（调节范围在5cm至10cm之间）。与此同时采用双螺母锁死保证了机器人机体的固定以及冰电机与滑轨的结合，对线路有一定的保护作用。通过照明辅助远程通信单元，可以实现将输电线路覆冰情况传至3D打印成型的操作台。如图1所示：
4结语
针对输电线路在冰雪极端灾害发生时无法安全稳定运行等问题，从应用环境和功能优化设计出发，提出了一种智能输电线路除冰机器人并成功研制出样机。该机器人可实现高效长距离的输电线路除冰，大幅度提高了输电线路除冰工作的安全性。
2008年初，我国南方发生的大范围恶劣低温雨雪冰冻天气给输电线路带来了巨大的损毁和经济损失，尤其长距离输电线路当处于雨雪冰冻等极端灾害下会显得极度脆弱。大部分地区的输电线路上出现了冰闪跳闸、变电站停运、设备损毁、杆塔倒塌等事故。供电中断给生产生活带来了严重影响。我国是一个输电用电大国，如何加强和改善输电线路在冰冻极端灾害条件的抗灾害能力，加快研究有效的输电线路除冰技术，最大限度地避免和防止冰冻灾害对输电线路造成的危害成为国内外一个重点研究的问题。
现有的除冰方式主要包括人工外力敲打法、大电流热熔法等，但是上述方法受到技术、成本和人员安全性等因素的极大限制。随着嵌入式系统和物联网技术的发展，通过采用智能化的除冰机器人替代原有除冰方式成为可能。与原有传统的人工除冰法和大电流热熔除冰法相比，采用智能机器人具有高效、无人员安全隐患，长距离全天候工作等优势，因此多功能智能除冰机器人成為特种机器人研发工作的重要方向。目前，针对输电线路的机器人主要用于输电线路的巡检工作。线路巡检机器人的研发工作虽然始于日本，但紧随其后美国、加拿大等发达国家相继开展了针对于巡线机器人的研发。
我国的巡线机器人始于20世纪90年代，起初的研究针对于巡线领域，对线路除冰机器人工作并未大幅度开展。文献中介绍了加拿大魁北克水电研究院于2000年研制的LinerROVER遥控小车，该小车可以清除短距离线路上的少量覆冰。文献介绍了山东电力研究院与加拿大魁北克水电研究院合作研发了LinerRover小车的升级版，升级版小车在远程通信控制等方面得到了提升。后期湖南大学联合国防科大、武汉大学等多家单位也对除冰机器人展开了研发工作。但是由于在一些冰冻灾情严重的环境下，现有的机器人在功能、结构、远程通信、控制等方面还是无法满足用户方需求。文献介绍一种利用破冰锥的特殊结构用来除冰，但当破冰锥过长就会割伤线路，破冰锥过短则会影响到除冰效果。文献中的方案考虑到破冰效果，但是冰层的厚度对刀头的尺寸有严格的要求。基于以上工作并结合分析，设计一款智能高效的除冰机器人是非常有意义的。
1智能除冰机器人设计思路
本文舍弃国内传统除冰控制的各类方案，采用由光伏组件组建的太阳能供电的智能长距离无线控制除冰机器人。除冰机器人使用嵌入式控制结合机械自动除冰，具有在极端冰冻灾害的环境下工作的能力。智能除冰机器人机体结构主要由除冰结构、控制系统、运动系统、通信系统及动力提供系统五个部分构成。除冰结构是利用四旋翼无刷电机进行覆冰清除;控制系统部分是利用主控制器和扩展板与编程实现;运动系统通过可调节滑轨、步进电机、凹槽滑轮三大结构组成。通信系统借助无线模块和定位模块实现了机器人的远程通信、定位等功能，配合搭载有摄像头的无线传输系统实现了机器人在工作状态下对输电线路及周围环境的监控，除此之外在动力提供系统利用太阳能光伏组件供电提高续航能力。最后智能除冰机器人以电子机械实物的方式展现，能够完成输电线路周围环境监测、远程通信与控制、太阳能供电并保证移动速度及平稳性等各项性能的运行。从而形成一系列除冰工作的机、电、仪一体化系统。
2关键技术研究
智能除冰机器人是电子、通信、计算机、机械多学科交叉的产物，由于国内外至今尚无成熟的技术与方案，但是由于应用环境的特殊与复杂导致技术实现存在一些问题，需要研究的关键技术如下。
2.1无损伤除冰结构
智能除冰机器人的核心功能是高效的除去输电线路上的覆冰的同时，不损伤输电线路不影响输电线路的正常运行同样需要考虑。通常在冰雪灾害发生时覆冰形状为依附输电线路形状成“一”字形延展，除冰方式有撸剥式，钻击式和旋钻式等。本文设计了四旋翼无刷电机叶轮旋转进行覆冰清除。
撸剥式主要被用于人工除冰工作，工作人员在输电线上套挂环装物，下发进行拖拽。除冰效率低且效果一般，除冰过程中易造成电缆的损毁，与此同时易造成工作人员触电、磕碰、跌落等安全事故。依据动力，对线路损毁、安全性、除冰效率、除冰效果四个参数的对比，可以得出电机旋刷式的优势。对比情况见下表：
2.2关键单元设计
2.2.1主控制器单元
由于所需的数据量大且对运算速率有严苛的要求，本文选择Arduino系列的Mega2560作为主控制器，相比于其他主控制器，Arduino Mega2560具有多I/O接口，兼容Arduino UNOR3设计扩展板等诸多优势。本文采用的第三版Arduino，相比与其他有以下特点：
（1）在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持12C接口;增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板。
（2）改进了复位电路设计。
（3）USB接口芯片由ATmegal6U2替代了ATmega8U2。
2.2.2无线模块单元
本文采用NRF24L01无线模块，在2.4GHz一2.5GHz ISM频段工作。模块内置：频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
NRF24L01的优势在：
（1）功耗低，在以6dBm的功率发射时，工作电流只需要9mA;接收时，工作电流只有12.3mA。
（2）具有多种低功率工作模式。
（3）在数据传输方面实现相对Wi-Fi距离更远。
2.2.3电机驱动单元
为了保证足够的动力，机器人车体部分采用四驱方式。本驱动采用的是大功率驱动芯片BTS7960组成的H桥驱动模块，采用74HC244芯片有效隔离主控制器与电机驱动。本驱动模块具有过流过热保护功能，且双BTS7960H桥驱动模块电路具有强劲的驱动和刹车效果。 （1）特性参数：最大电流：43A控制端输入电压：3.3V～5V电机端输入电压：5.5V～27V控制方式：PWM、电平;
（2）端口：端口共计5个。+5V、GND两端口与单片机的电源端对应相连。INH端是BTS7960的使能端，和单片机相连（或者直接接高电平）。INl和IN2接主控制器的10口，控制BTS7960。设置00和11兩种状态：驱动模块输出为O，01车子前进（或者后退），10车子后退（或者前进）。为了保证电机驱动单元的正常运行，本文在此处设计恒压恒流降压模块予以配合。
2.2.4定位单元
定位模块采用的SM2217-MT的GPS模块，其特点是具有高灵敏度、低功耗、小型化、追踪灵敏度高等特点。利用此优势大幅度扩大了定位的覆盖面，在普通GPS接收模块无法定位的区域（如狭密集的丛林环境等特殊环境）sM2217-MT都能高精度定位。
2.2.5结合3D打印技术
除冰机器人的零件部分利用传统加工方法难以制造，本文采用3D打印技术对所需的零件部分进行打印。利用3D打印的优势在于不仅可表现出外形曲线的设计、结构及运动部件，零部件还可正常活动，特征位置准确可以满足装配要求。根据应用环境需要的不同，我们可以采用多种材料进行选择。
3智能除冰机器人的实现
智能除冰机器人跟一般机器人不同，需要在输电线路上长时间长距离的工作，在运行过程中需要多单元的协同工作。需要将上述关键技术中各单元组件进行组装及调试。本文提出的智能多功能除冰机器人是以实物样机的形式呈现，具体实现如下：
机器人的运动方式为卡线破冰，为了能使机器人稳定的在线上行走，使用四个动力轮和三个滑轮配合，为了适应不同规格的输电线路，将电机支架和滑轨结合实现调节（调节范围在5cm至10cm之间）。与此同时采用双螺母锁死保证了机器人机体的固定以及冰电机与滑轨的结合，对线路有一定的保护作用。通过照明辅助远程通信单元，可以实现将输电线路覆冰情况传至3D打印成型的操作台。如图1所示：
4结语
针对输电线路在冰雪极端灾害发生时无法安全稳定运行等问题，从应用环境和功能优化设计出发，提出了一种智能输电线路除冰机器人并成功研制出样机。该机器人可实现高效长距离的输电线路除冰，大幅度提高了输电线路除冰工作的安全性。