基于多传感器融合技术的智能喷涂机器人的设计

黄发正,惠爽,代立赟,王波

摘要：本文通过研究基于多传感器融合技术的智能喷涂机器人的设计，结合现有的防冰涂料喷涂机器人，在研究其控制系统、机械装置等方面进行对比和改进，设计出模块化的架空线路绝缘漆自动喷涂机器人；

结合多传感器融合技术，为机器人提供所处环境的静态和动态信息，能够改善绝缘化喷涂装置的正常工作、提高绝缘化喷涂装置的工作效率。更好地解决针对树障区、城乡结合部建筑密集区、交叉跨越（公路、河流、池塘）区段、人员活动频繁区域的架空导线局部绝缘处理、裸导线整条线路绝缘化处理工作难以完成，在暴风雨天气线路很容易发生跳闸，影响供电安全性及可靠性的问题。

关键词：多传感器融合技术；“带电喷涂绝缘漆”；模块化；

0引言

  早期的架空裸导线，其最大特点是在使用过程中利于散热，且造价便宜，所以一般用于野外的配电线路架设，而且为了增加导线的抗拉力，往往把铝线和钢线绞合在钢芯线外，称为“钢芯铝绞线”。由于裸导线没有绝缘外皮，导线直接暴露在大气环境中因而容易遭腐蚀，而且在人口稠密区域、临近树木区域、线路交叉跨越（河流，池塘，高架桥等）的使用容易引发事故。因此在电网改造过程中，架空裸导线便逐渐被架空绝缘导线所取代。架空绝缘导线是其外层包裹有绝缘层的输电导线。因为有了绝缘层的保护，减少了和空气的接触，线芯被氧化、被腐蚀的可能性大大降低，延长线路的使用寿命。同样，也减少了外界不良因素如粉尘、漂浮物等对导线的影响。更重要的是有了绝缘层，大大地提升了线路的外绝缘性能，降低相间短路和人体触电事故的发生。

1现状

多传感器融合（Multi-sensor Fusion, MSF）是利用计算机技术，将来自多传感器或多源的信息和数据以一定的准则进行自动分析和综合，以完成所需的决策和估计而进行的信息处理过程。该技术模拟了人类大脑获取、理解、分析和处理感知信息的整套流程。它利用多个传感器的信息，从不同的角度弥补计算机感知完整性的不足，代表了一种高级的信息处理能力和预判水平。多传感器融合技术已在军事、工业监控、智能检测、机器人、图像分析、目标检测与跟踪、自动目标识别等领域获得普遍关注和广泛应用。机器人领域主要被运用与移动及其任何遥控机器人上，这些机器人在高度不确定的环境中，要求机器人具有高度的自治能力和对环境的感知能力，而多传感器数据融合技术正是提高机器人系统感知能力的有效方法。如“勇气”号和“机遇”号火星车，它们运用多传感器，在未知的环境中利用这些传感器的冗余和互补的特性来获得机器人外部环境动态变化的、比较完整的信息，并对外部环境变化做出实时的响应。

2研究内容

该机器人主要由喷涂模块、行走模块、控制模块、通信模块以及电源模块构成。该机器人采用模块化设计，将各个模块进行集成组装，形成结构紧凑、运输使用方便的机器人。

喷涂模块：喷涂模块包括喷雾装置和超声波测距仪，摄像机的边缘，和各种不同的接触或接近传感器和红外传感器。喷涂模块充分利用各种传感器所采集到不同时间和空间的信息，利用多传感器融合技术，按照一定的原理的分析，合成和使用，为机器人提供所处环境的静态和动态信息，能够改善绝缘化喷涂装置的正常工作、提高绝缘化喷涂装置的工作效率。其喷雾装置的喷头是可以根据导线的直径去改变涂覆口径，并且电磁铁装置保证喷头在作业过程中锁紧，同时通过对喷头自动合拢动力装置进行远程控制。随后远程控制行走模块，使喷头和两个行走轮三点一线。在涂覆过程中无刷电机可以方便控制挤压量和挤压速度，挤压稳定；再配合控制系统内预设的控制程序，可实现稳定涂覆，涂覆厚度可在2~3 mm范围内调节。

行走模块：机器人采用同步轮轴传动的方式，驱动轮与电机轴过此轮直接连接，采用两个电机用齿轮传动来驱动 V 型线轮在高压电线上行走 ，极大的保证了动力的直接传送，在过程中不会有动能的损耗，同时保证了整个系统的平衡性，V 型轮设计与导线的紧密抓握，还保证向前移动时的动力。

控制模块：由于施工环境因素要求，机器人需要更小体积和更轻的重量，该智能喷涂机器人的控制系统选用MCU单片机的控制系统，并在单片机上集成有无线通信模块。但是地面控制系统则选用PLC控制系统。设计的PLC控制操作箱即遥控器，可通过无线发射装置实现对智能喷涂机器人的远程操控并给智能喷涂机器人传达指令，所有功能通过简单的 PLC 编程实现，能简单高效的实现机器人与地面控制部分的交互。同时通过 PLC 能够实现精准控制，实时可靠的通讯，远程控制电机参数实施需求的操作。例如可以对架空裸导线的档距、行进的速度等进行选择，同时能够实时的了解涂覆机器人携带料筒的余料情况实时了解，以便可以及时更换。

通信模块：该系统采用2.4G无线通信，进行地面端遥控器与机器人端无线通信。地面端设备发送相关参数、动作等指令至机器人端，机器人端执行指令并返回状态数据均是通过2.4G无线通信。

电源模块：电源系统是机器人的关键，以轻便小巧为思路采用了小电池模块定期更换模式。电源系统的设计可分为两个部分，一个部分为机器人位移系统供电，以保证机器人行走部分有足够的能源保证，保证其行走能力;另外一个部分为通讯系统以及料筒悬挂箱气泵的供电。如果考虑到整个机器人整体重量或者考虑储料桶容量设计，亦可以将这两部分电源系统统一成一个系统，建议采用24V或者48V电池供电，更换简单便捷。

3创新点

1)可靠的绝缘性能绝缘化后的裸线具有达到或超过同等级绝缘架空导线的电气强度，10kV等级的绝缘层设计击穿电压强度超过20kV；通过自动化和标准化的绝缘涂覆施工，能够保持厚度均匀，电气绝缘性能不受人为因素的影响。

2)便捷的操作方式方案创新地开发使用了“不停电作业绝缘涂覆机器人”，解决了必需停电才能进行线路绝缘化改造的技术难题，操作人员只需通过遥控设备，即可在不停电的情况下快速、高效、方便、可靠地完成架空线绝缘涂覆，大大降低了配电网的计划停电时间，提高了供电可靠率。同时，此方案特别适用于人员无法或难于进入的绝缘化改造线路，如水域或植被上方，有效降低了施工难度和风险，大幅缩短了绝缘化改造的工程时间。

3)采用模块化结构设计形式，各模块集成组装后即是整机，整机结构紧凑高效，运输、安装、施工方便。

4）采用同步轮轴传动的方式，驱动轮与电机轴过此轮直接连接，采用两个电机用齿轮传动来驱动 V 型线轮在高压电线上行走，极大地保证了动力传送，也保证了系统的平衡性。

5）可视化的绝缘改造效果通过集成于绝缘涂覆机器人前后两侧的高清视频监控设备，可在远程对原始裸导线表面状态以及绝缘化后的效果进行实时监视，协助现场施工和管理人员对裸导线绝缘改造质量进行可视化地监督，避免出现绝缘缺陷和安全隐患。

4结语

本设计结合桐柏县的实际情况，设计一款安全经济的配网架空裸导线带电涂敷绝缘材料机器人装置，其具有集成化的涂敷模块并且结合多传感器融合技术，能够可视化并高效率的完成裸导线的涂覆工作；其行走模块采用V型线轮，很好地保证传送的动力和该机器人的平衡性；采用2.4G无线通信，使机器人与地面遥控器更好地进行信息传输。能适应裸导线现场绝缘化施工要求，实现绝缘化涂装，施工便捷，绝缘化后的导线能正常运行。很大程度上解决了桐柏县树木繁多的山区和多鱼塘的洼地上空的裸导线。降低了外来异物、鸟害、进水受潮、绝缘净距不足等问题所带来的短路故障或停电隐患。

参考文献：

［1]陈玉洁.多传感器信息融合在机器人技术中的应用[J].科学与技术,2021.03（8）