CN108832534A - 反射型激光清除异物装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射型激光清除异物装置。包括转台、防尘部件、激光部件、三脚架、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器；转台包括方位部件和俯仰部件，控制系统和电源系统、方位部件、俯仰部件与三脚架相连进行方位和俯仰两自由度的转动；控制系统和电源系统、视觉传感器、激光部件连接驱动转台完成跟踪切割；本发明的激光清除异物装置具有远程控制、适应性强、自动化水平高等特点，在高压输电线清除异物领域，可以适应各种异物类型和缠绕类型，提高了架空线路异物清除工作的效率，降低了维护成本，减轻了作业人员工作强度和作业风险，提升了输电系统可靠性。

Description

反射型激光清除异物装置

技术领域

本发明属于电力系统高压输电线异物清除领域，具体地说，是一种反射型激光清除异物装置。

背景技术

架空输电线路点多面广、跨度大、线路长，沿线环境复杂，风筝和风筝线、农用塑料布、广告布、遮阳网等漂浮性异物经常缠挂在输电线路上，可造成相间短路、单相接地，导致线路跳闸停电或线路损毁。垂落的异物或烧断损毁的导线还可造成人畜伤亡，给电力系统和社会造成了极大的经济损失。

带电清除异物是带电作业中安全风险最高的项目。目前，对于输电线路进行异物清除的主要方法有两种，一种是工作人员上塔清除，包括停电后电工上线摘除以及等电位带电作业摘除。这种方法耗时耗力、危险性高，且不适用于复杂地形处的架空线路。同时由于异物种类、缠绕方式多种多样，依靠带电作业过程中作业工人“随机应变”来处理异物，有些操作危险性较高，只能停电处理，直接降低了供电的可靠性，造成社会经济损失。具有需攀爬杆塔、走线、高电压高空作业、难度高、风险大、耗时长、需停电作业等缺点，耗费了大量人力物力，给电力系统线路巡检工作造成沉重的压力。另外一种使用较多的方法是无人机搭载喷火装置或者利用其他机械式遥控装置除异物，该方法对设备的可操纵性要求较高，其中一些方法也会对电缆造成损害，没有能够大面积推广使用。

工作人员在清除异物的过程中，往往需要耗费大量的体力劳动，而且效率不高，目前的有关高压线缆清除异物设备在实际工作过程中仍然需要工作人员进行复杂的控制，不能做到真正的智能化与自动化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反射型激光清除异物装置，能够清除架空输电线路上的异物，使得清除过程具有安全性强、灵活度高、自动化程度高等特点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种反射型激光清除异物装置，包括转台、防尘部件、激光部件、固定架、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器；其中，转台包括方位部件和俯仰部件，激光部件包括激光发射头、反射镜部件一、反射镜部件二；

方位部件安装在固定架上方，俯仰部件安装在方位部件上方，防尘部件套在俯仰部件外侧，激光发射头安装在方位部件中，反射镜部件一、反射镜部件二安装在俯仰部件中，视觉传感器安装在俯仰部件中；

控制系统与视觉传感器连接，调整视觉传感器参数；视觉传感器用于捕获异物点，将图像传给控制系统进行图像识别；控制系统分别与方位部件、俯仰部件相连，控制系统对图像识别的结果进行处理，驱动方位部件、俯仰部件进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动视觉传感器和激光部件转动；

电源系统为控制系统、视觉传感器、方位部件、俯仰部件、激光部件供电；

输入输出装置与控制系统连接，用于显示控制系统的控制界面和输入操作信息。

进一步地，方位部件包括方位力矩电机、方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)、方位限位锁零部件、激光安装对接部件、底座和方位支架。其中，底座与固定架连接，方位支架和俯仰部件连接。激光安装对接部件位于底座中央的圆心位置，用于连接激光发射部件；方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)置于底座内部，由它得到实际方位转动的角度，通过电信号发送给控制系统；方位力矩电机位于方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)上方，可实现激光清除异物装置在方位上的-180～180度转动；方位限位锁零部件位于方位支架上，与底座连接，落入底座孔中时，锁定方位，固定方位支架；方位支架位于整个方位部件的正上方，用于连接俯仰部件，带动其在方位上转动。

进一步地，俯仰部件包括轴承座一、轴承座二、俯仰力矩电机、俯仰轴一、联接部件、俯仰轴二、俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)、俯仰限位锁零部件。其中，轴承座一和轴承座二与方位部件连接，跟随方位部件转动；俯仰力矩电机位于轴承座一中，可实现0～90度俯仰旋转。俯仰轴一位于轴承座一中，连接俯仰力矩电机，作为俯仰力矩电机的传动结构；联接部件横架在俯仰轴一和俯仰轴二中间，与俯仰轴一相连，作为传动结构，并与视觉传感器和激光发射部件相连，带动它们一起转动；俯仰轴二位于轴承座二中，连接联接部件，作为从动结构；俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)置于轴承座二中，通过与俯仰轴二转动得到实际俯仰转动的角度，通过电信号发送给控制系统；俯仰限位锁零部件位于俯仰轴二的外侧，用于机械限定俯仰角度。

进一步地，防尘部件包括防尘罩、激光工作窗口、防尘镜。防尘罩盖在俯仰部件外，用于内部防尘；激光工作窗口位于防尘罩正前方38～70度仰角之间，用于激光工作时通过防尘罩；防尘镜位于方位部件正下方中央圆孔处，防止杂质进入。

进一步地，激光部件包括激光发射头、反射镜部件一、反射镜部件二、激光控制箱、激光发射头对接部件。其中，激光发射头通过光纤与激光控制箱连接，发射激光；激光发射头对接部件与激光发射头相连，并嵌入方位部件的底座中央，使激光发射头竖直向上；反射镜部件二与激光发射头对接部件相连，位于激光发射头正上方，通过45°反射镜将垂直的激光反射至反射镜部件一；反射镜部件一与俯仰部件的俯仰轴二相连，将激光反射出去与视觉传感器光轴平行，并随俯仰轴转动，将激光反射到所需位置。

进一步地，电源系统包括激光蓄电池和直流电源。直流电源主要用于给整个电机负载、控制系统及视觉传感器供电。激光蓄电池主要用于给激光部件中的激光控制箱供电。

进一步地，控制系统包括工控机及控制驱动部件。控制驱动部件位于方位部件中的底座中，接收方位部件和俯仰部件的角度信息，并通过RS422传给工控机，同时接收工控机信息控制方位部件和俯仰部件；显示器通过HDMI接收工控机信号，显示上位机控制界面；输入装置用于输入操作人员的操作信息，发送给工控机；工控机通过RS485接收视觉传感器图像及信息，识别线路和异物，得到位置信息反馈给控制驱动部件。

进一步地，通信模块包括无线发射模块和无线接收模块，主要用于实现工控机与控制驱动部件、视觉传感器之间的数据通讯。通信模块具有无线唤醒功能和组网功能。

进一步地，视觉传感器安装在俯仰部件的联接部件下方，跟随其一起转动，并实时采集前方图像信息传送给控制系统，并接收工控机信号指令。

进一步地，固定架位于装置的最底部，通过改变三个脚的长度调节装置高度，提供稳定合适的拍摄状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)安全性强，本发明通过激光远程、“地对空”进行作业，过程安全，可取代传统人工攀爬带电作业方式，以及解决了无人机等搭载燃油装置清除异物产生火花而造成的安全问题；(2)灵活性强，体型轻便，由于采用捷联式结构，光路通过反射发出，电机负载小，使电机体型更小，实现更精准切割；(3)可带电作业，减少断电带来的经济损失；(4)适应性强，可以远距离切割异物，适合多种地形和异物缠绕模式；(5)自动化水平高，采用图像识别可以实现激光自动跟踪异物，采用视觉传感器可以实现异物位置信息的获取，采用通信模块可以实现远程控制或者任务信息的传达，极大的提高了自动化水平。

附图说明

图1是本发明的反射型激光清除异物装置的总装结构示意图。

图2是本发明的反射型激光清除异物装置的方位部件和俯仰部件的侧视图。

图3是本发明的反射型激光清除异物装置的转台的剖面图和侧视图。

图4是本发明的反射型激光清除异物装置的方位部件的俯视图和剖面图。

图5是本发明的反射型激光清除异物装置的俯仰部件的正视图和侧视图。

图6是本发明的反射型激光清除异物装置的控制系统工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明反射型激光清除异物装置包括转台22、防尘部件3、激光部件4、固定架5(优选三脚架)、电源系统、输入输出装置、控制系统、通信模块、视觉传感器10(优选高清工业相机)，其中，转台22包括方位部件1、俯仰部件2。方位部件1安装在三脚架5上方；俯仰部件2安装在方位部件1上方；防尘部件3中的防尘罩17套在俯仰部件2外，防尘镜31安装在方位部件1中；激光部件4包括激光发射头19、反射镜部件一20、反射镜部件二21，激光发射头19安装在方位部件1中，反射镜部件一20、反射镜部件二21安装在俯仰部件2中，通过这种捷联式结构，光路可以通过反射镜部件一20和反射镜部件二21的相继反射后，平行于视觉传感器光轴发出，因此只需要调整反射镜的角度，而无需使激光发射头19跟随转台22转动；视觉传感器10安装在俯仰部件2中。

控制系统中，工控机35与视觉传感器10连接，调整视觉传感器参数，使视野清晰；视觉传感器10和工控机35连接，捕获异物点后，将图像传给工控机35进行图像识别；工控机35通过控制驱动部件38和方位部件1、俯仰部件2相连，可以进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件4和视觉传感器10转动；工控机35将图像识别的结果处理后，传给控制驱动部件38，调整方位部件1和俯仰部件2进行跟踪，并带动激光部件4对异物进行切割；控制系统和通信模块9连接用于获取远程控制信息；电源系统为控制系统、视觉传感器10、方位部件1、俯仰部件2、激光部件4、通信模块9供电。

如图2～5所示，方位部件1包括方位力矩电机11、方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)12、方位限位锁零部件23、激光安装对接部件24、底座25和方位支架26。其中，底座25固定在三脚架5上方；方位支架26安装在底座25上，和俯仰部件2连接。激光安装对接部件24嵌于底座25中央的圆孔中，用于连接激光部件4，并使激光通过；方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)12置于底座25内部，由它得到实际方位转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件38；方位力矩电机11位于方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)12上方，可实现方位部件1在方位上的-180～180度转动；方位限位锁零部件23位于方位支架26边缘上，通过控制驱动部件38的命令使其落入底座25边缘的一个圆孔中，用于锁定方位，固定方位支架26。

俯仰部件2包括轴承座一13、轴承座二14、俯仰力矩电机15、俯仰轴一27、联接部件28、俯仰轴二29、俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16、俯仰限位锁零部件30。其中，轴承座一13和轴承座二14固定安装在方位部件1的方位支架26上，轴承座一13和轴承座二14相互平行，跟随方位部件1转动；俯仰力矩电机15位于轴承座一13中，可实现0～90度俯仰旋转。俯仰轴一27位于轴承座一13中，连接俯仰力矩电机15，作为俯仰力矩电机15的传动结构；联接部件28横架在俯仰轴一27和俯仰轴二29中间，与俯仰轴一27相连，作为传动结构，并与视觉传感器10相连，一起转动；俯仰轴二29位于轴承座二14中，连接联接部件28，作为从动结构；俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16置于轴承座二14中，俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16能够检测俯仰轴二29转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件38，进一步传送给控制系统8；俯仰限位锁零部件30位于俯仰轴二29的外侧，用于机械限定俯仰力矩电机15的俯仰角度。方位支架26固定在底座25上，用于连接俯仰部件2，带动其在方位上转动。

防尘部件3包括防尘罩17、激光工作窗口18、防尘镜31。防尘罩17盖在俯仰部件2外，用于内部防尘；激光工作窗口18嵌于防尘罩17中，用于激光工作时通过防尘罩17；防尘镜31位于方位部件1下方，在激光安装对接部件24连接的圆孔处，防止杂质进入。

激光部件4包括激光发射头19、反射镜部件一20、反射镜部件二21、激光控制箱32。其中，激光发射头19通过光纤与激光控制箱32连接，发射激光，是激光光源处；激光发射头19与激光安装对接部件24相连，一起嵌于方位部件1的底座25中央的圆孔中，使激光发射头19竖直向上，激光通过发射头发出后竖直向上；反射镜部件二21与激光安装对接部件24相连，位于激光发射头19正上方，激光通过发射头发出后竖直向上，在反射镜部件二21上通过45°反射照射在反射镜部件一20上；反射镜部件一20安装在俯仰部件2的俯仰轴二29的内侧，激光在反射镜部件一20上反射出去后，光束与视觉传感器光轴平行。并且，反射镜部件一20随俯仰轴二29与视觉传感器10一起转动，可以将激光反射到视觉传感器观测区域中的所需位置，而不需要转动重量较大的激光发射头，从而减轻了电机的负担，提高了电机旋转的精度。

电源系统包括激光蓄电池33和直流电源34。直流电源34主要用于给整个电机负载、输入输出装置及视觉传感器10供电。激光蓄电池33主要用于给激光部件4中的激光控制箱32供电。

输入输出装置包括显示器36和输入装置37。显示器36通过HDMI接口接收工控机35信号，显示控制系统8控制界面；输入装置37用于输入操作人员的操作信息，发送给工控机35。

如图6所示，控制系统包括工控机35和控制驱动部件38。工控机35通过RS485串口发送命令给视觉传感器10，用于实现焦距、广角窄角、预置位图像参数改变；工控机35通过同轴电缆接收视觉传感器10图像及信息，识别线路和异物，得到异物位置信息反馈给控制驱动部件38；工控机35通过RS422串口与控制驱动部件38连接实现转台22转动切割；工控机35与输入输出装置连接实现人机交互；控制驱动部件38位于方位部件1中的底座25中，通过方位角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)12、俯仰角度测量装置(旋变发送机或者电子编码器)16分别接收方位部件1和俯仰部件2的角度信息，并通过RS422串口传给工控机35，同时接收工控机35信息，控制方位部件1和俯仰部件2，进行两自由度运动。

通信模块包括无线发射模块和无线接收模块，主要用于实现工控机35无线监控功能；通信模块具有无线唤醒功能和组网功能。

视觉传感器10固定安装在俯仰部件2的联接部件28下方，跟随其一起转动，并实时采集前方图像信息通过同轴电缆传送给控制系统8，并接收工控机35信号指令。

三脚架5位于装置的最底部，通过改变三个脚的长度调节装置高度，提供稳定合适的拍摄状态。

综上所述，本发明反射型激光清除异物装置，具有安全性强、灵活度高、可带电作业、适应性强、自动化水平高等特点。首先，本发明可以远程、“地对空”进行作业，过程安全，取代了传统人工攀爬带电作业方式，以及解决了无人机等搭载燃油装置清除异物产生火花而造成的安全问题；其次，本发明体型轻便，无需过多操作人员，可精准切割；可带电作业，减少断电带来的经济损失；适应性强，适合多种地形和异物缠绕模式；最后，自动化水平高，采用图像识别可以实现激光自动跟踪异物，采用视觉传感器可以实现异物位置信息的获取，采用通信模块可以实现远程控制或者任务信息的传达。本发明极大的降低了的维修人员的工作安全风险，并提高了工作效率，极大的提高了清除高压线异物的自动化水平。

Claims (10)

1.一种反射型激光清除异物装置，其特征在于：包括转台(22)、防尘部件(3)、激光部件(4)、固定架(5)、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器(10)；其中，转台(22)包括方位部件(1)和俯仰部件(2)，激光部件(4)包括激光发射头(19)、反射镜部件一(20)、反射镜部件二(21)；

方位部件(1)安装在固定架(5)上方，俯仰部件(2)安装在方位部件(1)上方，防尘部件(3)套在俯仰部件(2)外侧，激光发射头(19)安装在方位部件(1)中，反射镜部件一(20)、反射镜部件二(21)安装在俯仰部件(2)中，视觉传感器(10)安装在俯仰部件(2)中；

控制系统与视觉传感器(10)连接，调整视觉传感器(10)参数；视觉传感器(10)用于捕获异物点，将图像传给控制系统进行图像识别；控制系统分别与方位部件(1)、俯仰部件(2)相连，控制系统对图像识别的结果进行处理，驱动方位部件(1)、俯仰部件(2)进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动视觉传感器(10)和激光部件(4)转动；

电源系统为控制系统、视觉传感器(10)、方位部件(1)、俯仰部件(2)、激光部件(4)供电；

输入输出装置与控制系统连接，用于显示控制系统的控制界面和输入操作信息。

2.根据权利要求1所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述方位部件(1)包括方位力矩电机(11)、方位角度测量装置(12)、方位限位锁零部件(23)、激光安装对接部件(24)、底座(25)和方位支架(26)；其中，底座(25)固定在固定架(5)上方，方位支架(26)固定在底座(25)上，与俯仰部件(2)连接；激光安装对接部件(24)嵌于底座(25)中央的圆孔中，用于连接激光部件(4)，并使激光通过；方位角度测量装置(12)置于底座(25)内部，由它得到实际方位转动的角度，通过电信号发送给控制系统；方位力矩电机(11)位于方位角度测量装置(12)上方，可实现方位部件(1)在方位上的-180～180度转动；方位限位锁零部件(23)设于方位支架(26)上，用于锁定方位，固定方位支架(26)。

3.根据权利要求1或2所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述俯仰部件(2)包括轴承座一(13)、轴承座二(14)、俯仰力矩电机(15)、俯仰轴一(27)、联接部件(28)、俯仰轴二(29)、俯仰角度测量装置(16)和俯仰限位锁零部件(30)；其中，轴承座一(13)和轴承座二(14)平行安装在方位部件(1)的方位支架(26)上，跟随方位部件(1)转动；俯仰力矩电机(15)设于轴承座一(13)中，可实现0～90度俯仰旋转；俯仰轴一(27)设于轴承座一(13)中，连接俯仰力矩电机(15)，作为俯仰力矩电机(15)的传动结构；联接部件(28)横架在俯仰轴一(27)与俯仰轴二(29)之间，与俯仰轴一(27)相连，作为传动结构，联接部件(28)与视觉传感器(10)相连；俯仰轴二(29)设于轴承座二(14)中，与联接部件(28)连接，作为从动结构；俯仰角度测量装置(16)置于轴承座二(14)中，俯仰角度测量装置(16)检测俯仰轴二(29)转动的角度，通过电信号发送给控制系统(8)；俯仰限位锁零部件(30)位于俯仰轴二(29)的外侧，用于机械限定俯仰力矩电机(15)的俯仰角度；方位支架(26)固定在底座(25)上，用于连接俯仰部件(2)，带动其在方位上转动。

4.根据权利要求1所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述激光部件(4)还包括激光控制箱(32)；其中，激光发射头(19)通过光纤与激光控制箱(32)连接；激光发射头(19)与激光安装对接部件(24)相连，一起嵌于方位部件(1)的底座(25)中央的圆孔中，使激光发射头(19)竖直向上，激光通过发射头(19)发出后竖直向上；反射镜部件二(21)与激光安装对接部件(24)相连，位于激光发射头(19)正上方，激光通过发射头(19)发出后竖直向上，在反射镜部件二(21)上通过45°反射照射在反射镜部件一(20)上；反射镜部件一(20)安装在俯仰部件(2)的俯仰轴二(29)的内侧，激光在反射镜部件一(20)上反射后，光束与视觉传感器(10)光轴平行，反射镜部件一(20)随俯仰轴二(29)与视觉传感器(10)一起转动，将激光反射到视觉传感器(10)观测区域中的所需位置。

5.根据权利要求1-4所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述控制系统包括工控机(35)与控制驱动部件(38)，工控机(35)与视觉传感器(10)连接，工控机(35)通过控制驱动部件(38)与方位部件(1)、俯仰部件(2)相连，控制驱动部件(38)位于方位部件的底座(25)中，接收方位部件(1)和俯仰部件(2)的角度信息并传给工控机(35)，同时接收工控机(35)信息，控制方位部件(1)和俯仰部件(2)进行两自由度运动。

6.根据权利要求1或3所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述视觉传感器(10)固定在联接部件(28)下方，在方位部件(1)和俯仰部件(2)的作用下，跟随联接部件(28)一起转动，实时采集前方图像信息通过同轴电缆传送给控制系统，并接收控制系统的信号指令。

7.根据权利要求1或2所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述防尘部件(3)包括防尘罩(17)、激光工作窗口(18)和防尘镜(31)；防尘罩(17)盖在俯仰部件(2)外；激光工作窗口(18)嵌于防尘罩(17)上，用于激光工作时通过防尘罩(17)；防尘镜(31)设于激光安装对接部件(24)所嵌入的方位部件(1)下方底座(25)的圆孔处。

8.根据权利要求1或5所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：还包括与工控机(35)连接的通信模块，用于获取远程监控指令信息；通信模块包括无线发射模块和无线接收模块，用于实现控制系统无线监控功能。

9.根据权利要求1或8所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述电源系统包括激光蓄电池(33)和直流电源(34)；直流电源(34)用于给转台(22)、控制系统、通信模块(9)及视觉传感器(10)供电；激光蓄电池(33)用于给激光部件(4)供电。

10.根据权利要求1所述的反射型激光清除异物装置，其特征在于：所述输入输出装置包括显示器(36)和输入装置(37)；显示器(36)通过HDMI接口接收控制系统的信号，显示控制系统的控制界面；输入装置(37)用于输入操作信息，发送给控制系统。