本发明涉及一种用于树障清理飞行机器人的圆盘锯刀具系统，尤其涉及一种适合于快速清理大面积树障的刀具系统，属于输电线路树障清理装置技术领域。

背景技术：

树障是输电线路通道存在的一种安全隐患，表现为通道内树木的不断增生逐渐威胁到输电线路的运行安全。为此，各级电力部门每年都要投入大量的人力、物力与财力对辖区内的通道树障进行清理整治。目前的树障清理主要有三种方式：1)人工清障作业，多采用特制的加长切割刀具，安全风险大，作业效率不高；2)基于地面设备的树障清理作业，由于受到地形环境和树木生长态势的严重限制，难以对高空树障进行快速削巅清理；3)基于无人机的树障清理技术，已有不少探索性的工作，但依然存在着接触作业抗树木干扰能力较弱、单次切割范围较小、作业效率相对不高等不足。

因此，亟需研制一种可对电力线路通道内树障进行大范围自动清理的飞行机器人，其搭载的刀具系统应具备较大的单次切割范围，同时又能避免切割力对飞行机器人本体姿态的影响，并且具有防卡阻等安全保护措施。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：提供一种用于树障清理飞行机器人的圆盘锯刀具系统，可对树障实施大面积高效率地清理，满足输电线路树障清理的安全作业需求。

本发明的技术方案为：一种用于树障清理飞行机器人的圆盘锯刀具系统，固定连接在飞行机器人的下方，其包括外形左右对称的刀具架、以左右几何对称或质量对称的方式安装于刀具架的2n(n≥1)个盘锯组件、固连于刀具架且位于相邻盘锯组件之间尖端向外的“v”形导向器、内置于刀具架用于控制盘锯组件的刀具控制器；所述盘锯组件包括盘锯电机、固连于盘锯电机输出轴的圆盘锯和驱动盘锯电机的电机驱动器，所述刀具控制器通过通信总线与树障清理飞行机器人的飞行平台连接。

优选的，所述盘锯组件设有分别感知盘锯电机工作时的电流、转速和温度的电流传感器、转速传感器和温度传感器，电流传感器、转速传感器和温度传感器的输出信号分别连接至刀具控制器。

优选的，飞行机器人的下方具有悬挂机构，通过悬挂机构连接有刀具架。

优选的，在悬挂机构和刀具架之间还具有脱钩装置。

优选的，所述的脱钩装置包括电磁铁与衔铁，电磁铁固连于悬挂机构的下端，衔铁固连于链锯刀具系统的上部。电磁铁通电后与衔铁吸合，链锯刀具系统连接至悬挂机构的下方；当电磁铁断电后，衔铁释放，链锯刀具系统与悬挂机构脱离。

优选的，所述圆盘锯为金属、陶瓷或复合材料材质的薄片状圆盘锯。

优选的，所述的脱钩装置包括电磁铁与衔铁，电磁铁固连于悬挂机构的下端，衔铁固连于圆盘锯刀具系统的上部。电磁铁通电后与衔铁吸合，圆盘锯刀具系统连接至悬挂机构的下方；当电磁铁断电后，衔铁释放，圆盘锯刀具系统与悬挂机构脱离。

所述圆盘锯刀具系统的控制方法为：

1)刀具控制器实时采集盘锯电机工作时的电流、转速和温度，并发送至飞行平台的主控制器以用于监控；

2)实时评估盘锯组件的工作状态，包括空载、切割、过载、卡阻及损伤：

若判定为过载，即向飞行平台发送悬停指令，停止切割进给；

若判定为卡阻或损伤，即令盘锯电机刹车，同时向飞行平台发送回退指令；

对于卡阻情况，若圆盘锯被树枝卡住而难以挣脱，则启动脱钩装置，使圆盘锯刀具系统脱离飞行机器人，从而最大限度地保护飞行机器人的安全，避免引发坠机；

3)对圆盘锯刀具系统的平衡作业状态进行检测并实施补偿控制。

优选的，上述盘锯组件工作状态的评估方法如下：

1)设过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若盘锯电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定盘锯组件发生过载；

2)设卡阻对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若盘锯电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定盘锯组件发生卡阻；

3)若盘锯电机的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定盘锯组件发生损伤。

优选的，所述圆盘锯刀具系统的平衡作业状态检测方法如下：

设左右两侧对称位置的盘锯电机的瞬时转速分别为nia、nib，瞬时电流分别为iia、iib，瞬时温度分别为tia、tib，其中i＝1,…,n；

定义盘锯组件的切割强度：

xij＝f(nij,iij,tij)

其中，i＝1,…,n，j＝a,b。若取线性结构，则

xij＝kn(n0-nij)+kiiij+kttij

其中，kn、ki、kt为权重系数，n0为空载转速；

定义一对盘锯组件的切割强度差：

δxi＝xia-xib，i＝1,…,n

定义刀具系统的综合切割强度差：

ki为权重系数

1)若|δxi|≥δx，可判定盘锯组件的平衡作业失常，其中δx>0，为盘锯组件平衡作业失常判定阈值；

2)若|δy|≥δy，可判定刀具系统的平衡作业失常，其中δy>0，为刀具系统平衡作业失常判定阈值。

优选的，所述圆盘锯刀具系统的平衡作业补偿控制方法如下：

1)若εx<|δxi|<δx及ε<|δy|<δy，其中εx>0和ε>0，为不灵敏区，则平衡补偿方法为如下之一：

①航向随动：控制飞行机器人的航向向切割强度较小的一侧运动调整，以对圆盘锯刀具系统的两侧实施平衡补偿；

②航向保持：控制飞行机器人悬停，待|δxi|及|δy|均减小后，再控制飞行平台前飞实施清障进给，从而维持飞行机器人的航向。

2)若判定某对盘锯组件的平衡作业失常或刀具系统的平衡作业失常，先令飞行平台保持悬停，然后持续观察各|δxi|及|δy|一段时间t(t>0)，若|δxi|及|δy|未全部回落，则令所有盘锯电机反转后再刹车，使圆盘锯刀具系统退出切割作业，同时向飞行平台发出保护性回退指令。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

1)本圆盘锯刀具系统为左右几何对称或质量对称布置的2n个(n≥1)盘锯组件的阵列组合，适合于对树障的顶部及侧面实施“剃头式”大面积快速清理，作业效率高，环境适应性好，避免了操作人员靠近高压线路，有效降低了树障清理的作业风险，提升了清障作业的安全性，解决了现有技术中存在的清理效率不高和安全风险大的问题；

2)采用悬挂圆盘锯刀具系统的飞行机器人，作业时圆盘锯刀具系统始终位于飞行平台的下方，整机的重心与飞行平台的几何中心的垂直投影基本重合，可确保飞行机器人具有良好的静态稳定性，同时有效避免树障对飞行平台旋翼的干涉，减少坠机风险，提高飞行机器人作业的安全性；

3)每个盘锯组件设有分别感知盘锯电机工作的电流、转速和温度的传感器，刀具控制器实时采集盘锯电机工作的电流、转速和温度，并评估盘锯组件的工作状态，然后对飞行机器人实施保护性退避或对圆盘锯刀具系统的平衡作业实施补偿与保护控制，降低了飞行机器人前进作业时所受不平衡力矩的影响，确保了飞行机器人作业的安全性和可靠性；

4)当枝叶缠绕住圆盘锯刀具系统时，可人工或自动启用脱钩装置，圆盘锯刀具系统与树障清理机器人实现“脱离”，保障飞行机器人的安全，降低故障损失；

5)相邻圆盘锯之间设有尖端向外的“v”形导向器，一方面用以引导树枝快速进入圆盘锯的切割区域，加快树枝切割的速度，另一方面可预防树枝在锯片之间卡住，提高树障清理的安全性；

6)本圆盘锯刀具系统采用模块化设计思想，将多个盘锯组件进行组合，易于装配与维护；同时还拥有多种组合构型，可满足不同作业目标和作业环境的需求；

7)通过圆盘锯刀具系统的控制方法，既可对飞行机器人实施安全保护，又能对圆盘锯刀具系统的平衡作业状态进行检测与补偿控制，提高了飞行机器人作业的安全性与自动化水平。

附图说明

图1为圆盘锯刀具系统内部结构示意图；

图2为圆盘锯刀具系统总体外观示意图；

图3为圆盘锯刀具系统的盘锯组件示意图；

图4为采用圆盘锯刀具系统的树障清理飞行机器人示意图；

图5为脱钩装置结构示意图；

图6为锯平面垂直并列对称安装的圆盘锯刀具系统示意图；

图7为锯平面内倾45度并列对称安装的圆盘锯刀具系统示意图；

图8为锯平面纵横交错排列对称安装的圆盘锯刀具系统示意图；

图9为质量左右对称方式锯平面垂直纵列安装的圆盘锯刀具系统示意图。

图中，1—飞行平台，2—悬挂机构，3—圆盘锯刀具系统，4—脱钩装置；

3101—刀具架，3102—盘锯电机，3103—圆盘锯，3104—电机驱动器，3105—刀具控制器，3106—导向器，3107—盘锯组件，3108—垂直延伸杆；

401—电磁铁，402—衔铁。

具体实施方式

下面，结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1～图4所示，一种用于树障清理飞行机器人的圆盘锯刀具系统，固定连接在飞行机器人的下方，其包括外形左右对称的刀具架3101、以左右几何对称或质量对称的方式安装于刀具架3101的2n(n≥1)个盘锯组件3107、固连于刀具架3101且位于相邻圆盘锯3103之间尖端向外的“v”形导向器3106、内置于刀具架3101用于控制盘锯组件3107的刀具控制器3105；所述盘锯组件3107包括盘锯电机3102、固连于盘锯电机3102输出轴的圆盘锯3103和驱动盘锯电机3102的电机驱动器3104，所述刀具控制器3105通过通信总线与树障清理飞行机器人的飞行平台1连接。

优选的，所述盘锯组件3107设有分别感知盘锯电机3102工作时的电流、转速和温度的电流传感器、转速传感器和温度传感器，电流传感器、转速传感器和温度传感器的输出信号分别连接至刀具控制器3105。

优选的，如图4所示，所述圆盘锯刀具系统3连接于所述飞行机器人的悬挂机构2的下方，所述悬挂机构2固连于所述飞行机器人的飞行平台1的下方；所述的飞行平台1为单旋翼的直升机或左右对称布局的多旋翼飞行器，多旋翼飞行器不局限于任意已知的四、六、八等多旋翼构型。

优选的，如图4所示，在悬挂机构2和刀具架3101之间还具有脱钩装置4。

优选的，如图5所示，所述脱钩装置4由电磁铁401与衔铁402组成，电磁铁401安装于悬挂机构2的下端，衔铁402固连于链锯刀具系统3的上部；电磁铁401通电后与衔铁402吸合，链锯刀具系统3与悬挂机构2连接；电磁铁401断电后，衔铁402释放，链锯刀具系统3与悬挂机构2脱离。清障作业中，当链锯刀具系统3相对树障发生卡阻且无法分离时，通过脱钩装置4可使链锯刀具系统3脱离飞行机器人，从而对飞行机器人实施安全保护。

优选的，所述圆盘锯3103为金属、陶瓷或复合材料材质的薄片状圆盘锯。

本发明一种用于树障清理飞行机器人的圆盘锯刀具装置的控制方法为：

1)刀具控制器3105实时采集盘锯电机3102工作时的电流、转速和温度，并发送至飞行平台1的主控制器以用于监控；

2)实时评估盘锯组件3107的工作状态，包括空载、切割、过载、卡阻及损伤：

若判定为过载，即向飞行平台1发送悬停指令，停止切割进给；

若判定为卡阻或损伤，即令盘锯电机3102刹车，同时向飞行平台1发送回退指令；

对于卡阻情况，若圆盘锯3103被树枝卡住而难以挣脱，则启动脱钩装置4，使圆盘锯刀具系统3脱离飞行机器人，从而最大限度地保护飞行机器人的安全，避免引发坠机；

3)对圆盘锯刀具系统3的平衡作业状态进行检测并实施补偿控制。

优选的，上述盘锯组件3107工作状态的评估方法如下：

1)设过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若盘锯电机3102的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定盘锯组件3107发生过载；

2)设卡阻对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若盘锯电机3102的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定盘锯组件3107发生卡阻；

3)若盘锯电机3102的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定盘锯组件3107发生损伤。

优选的，所述圆盘锯刀具系统3的平衡作业状态检测方法如下：

设左右两侧对称位置的盘锯电机3102的瞬时转速分别为nia、nib，瞬时电流分别为iia、iib，瞬时温度分别为tia、tib，其中i＝1,…,n；

定义盘锯组件3107的切割强度：

xij＝f(nij,iij,tij)

其中，i＝1,…,n，j＝a,b。若取线性结构，则

xij＝kn(n0-nij)+kiiij+kttij

其中，kn、ki、kt为权重系数，n0为空载转速；

定义一对盘锯组件3107的切割强度差：

δxi＝xia-xib，i＝1,…,n

定义刀具系统的综合切割强度差：

ki为权重系数

1)若|δxi|≥δx，可判定盘锯组件3107的平衡作业失常，其中δx>0为盘锯组件3107平衡作业失常判定阈值；

2)若|δy|≥δy，可判定刀具系统的平衡作业失常，其中δy>0为刀具系统平衡作业失常判定阈值。

所述圆盘锯刀具系统3的平衡作业补偿控制方法如下：

1)若εx<|δxi|<δx及ε<|δy|<δy，其中εx>0和ε>0，为不灵敏区，在平衡补偿方法为如下之一：

①航向随动：控制飞行机器人的航向向切割强度小的一侧运动调整，以对圆盘锯刀具系统3的两侧实施平衡补偿；

②航向保持：控制飞行机器人悬停，待|δxi|及|δy|均减小后，再控制飞行平台1前飞实施清障进给，从而维持飞行机器人的航向。

2)若判定某对盘锯组件3107平衡作业失常或刀具系统平衡作业失常，先令飞行平台1保持悬停，然后持续观察各|δxi|及|δy|一段时间t(t>0)，若|δxi|及|δy|未全部回落，则令所有盘锯电机3102反转后再刹车，使圆盘锯刀具系统3退出切割作业，同时向飞行平台1发出保护性回退指令。

优选的，所述的脱钩装置4由电磁铁401与衔铁402组成，电磁铁401安装于悬挂机构2的下端，衔铁402固连于圆盘锯刀具系统3的上部；电磁铁401通电后与衔铁402吸合，圆盘锯刀具系统3与悬挂机构2连接；电磁铁401断电后，衔铁402释放，圆盘锯刀具系统3与悬挂机构2脱离。清障作业中，当圆盘锯刀具系统3相对树障发生卡阻且无法分离时，通过脱钩装置4可使圆盘锯刀具系统3脱离飞行机器人，从而对飞行机器人实施安全保护。

实施例2：一种用于树障清理飞行机器人的圆盘锯刀具系统，针对不同生长方向和态势的树枝，圆盘锯3103的安装排列多种方式，可根据作业需求，更换特定安装排列的刀具系统：

1)如图6所示，圆盘锯3103的锯平面垂直并列左右对称安装，用于切割横向生长的树枝。

2)如图7所示，圆盘锯3103的锯平面内倾45度并列对称安装，用于切割斜向甚至任意生长的树枝。

3)如图8所示，圆盘锯3103的锯平面纵横交错排列对称安装，用于切割横向及纵向生长的树枝。

4)如图9所示，圆盘锯3103以左右质量对称方式安装于刀具架3101的垂直延伸杆3108的两侧，锯平面呈垂直纵向交错排列，用于切割侧向生长的树枝。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式实例，本发明的保护范围并不局限于此。熟悉该技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易找到变化或替换方式，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。为此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。