用于在电力线上安装物体的装置、系统和方法与流程

用于在电力线上安装物体的装置、系统和方法
1.本发明涉及一种用于在电力线上安装物体的无人机。更具体地，本发明涉及一种用于在电力线上安装物体的无人机，无人机包括用于将无人机连接到物体的连接装置，使得无人机可以携带物体；第一接合构件，用于接合物体上的第二接合构件；以及动力源，用于操作第一接合构件以便通过第二接合构件驱动物体上的锁定装置，以将物体锁定到电力线。本发明还涉及一种用于安装在电力线上的物体、包括无人机和物体的无人机组件，以及一种用于在电力线上安装物体的方法。
2.众所周知，通常在难以接近的区域中将物体安装在电力线上，既困难又费时。从历史上看，这些物体通常是各种类型的安全/警告/可视性标记，通过一架或两架直升机和几个驾驶直升机和执行实际安装过程的操作员来安装。
3.近年来，无人机，通常也被称为无人驾驶飞行器(uavs)，由于其性能的提高(包括功率的提高、机动性和电池寿命的提高)而受到了很多关注。无人机越来越多地用于以前需要有人驾驶飞机的基础设施的检查和维护工作。
4.例如在俄罗斯专利文献ru2644420c1中，可以将安全标记连接到电力线的无人机也已被公开。在该俄罗斯专利中，公开了一种无人机，该无人机可连接到安全标记，并且适于将安全标记飞行到电力线，将无人机定位，以便将电力线容纳在安全标记的凹槽内或安全标记的两个半部之间，然后通过夹紧将安全标记连接到电力线，当电力线在凹槽内或两个半部之间时，由无人机驱动夹紧。
5.ru2644420c1中公开的解决方案的一个挑战是，在无人机致动夹紧之前，可能难以相对于电力线正确定位安全标记。在有风的条件下，在电力线上安装安全标记时，这一挑战可能会特别明显。
6.美国专利文献us2016/0023761a1公开了一种包括被动引导装置的无人机，该引导装置可用于在将安全标记连接到电力线之前相对于电力线定向无人机。
7.对于安全标记，只要安全标记牢固地连接到电力线，与理想的电力线中心位置的小偏移是可以接受的。然而，最近已经提出在电力线上安装电子设备以监测电力线的状况，例如监测功率、温度、线路张力、振动等。还提出了在电力线上安装由电力线本身感应通电的电子装置。对于这样的电子监控设备，可预测和正确的定位对于它们的功能来说是必不可少的，
8.本发明的目的在于弥补或减少现有技术的至少一个缺点，或者至少提供一种对现有技术有用的替代方案。
9.该目的通过在下面的描述和所附的权利要求书中指出的特征来实现。
10.本发明由专利独立权利要求限定。从属权利要求限定了本发明的有利实施例。
11.应当注意，这里的“电力线”是指实际的导线以及地线(屏蔽线、静电线、地线等)或与架空电力线相关的任何其他线路。
12.在第一方面中，本发明更具体地涉及一种用于在电力线上安装物体的无人机，其中该无人机包括：
13.连接装置，用于将无人机连接到物体，使得无人机能够携带物体；
14.第一接合构件，用于接合物体上的第二接合构件，
15.动力源，用于操作第一接合构件，以便通过第二接合构件致动物体上的锁定装置，以将物体锁定到电力线，其中无人机还包括用于在接合锁定装置之前限制物体相对于电力线的一个或多个自由度的装置。
16.通过在将物体锁定到电力线之前让无人机限制物体相对于电力线的一个或多个自由度，锁定过程可以变得更加可靠并且物体在电力线上的定位可以变得更加精确和可预测的。“限制”是指降低相对于电力线移动或旋转的能力或完全锁定相对于电力线移动或旋转的能力。一个或多个自由度可以是旋转和/或平移自由度。在一个实施例中，在接合锁定装置并将物体锁定到电力线之前，无人机可以适于限制物体相对于电力线的所有六个自由度，由此可实现物体相对于电力线的非常精确的定位和定向。在另一个实施例中，在接合锁定装置之前，仍然可以允许物体沿电力线进行一些轴向运动(沿电力线的平移自由可以不受限制或减少到一定程度)和/或围绕电力线旋转，而剩余的自由度可以受到限制(减少或完全锁定)。在其他实施例中，可以减少一个或多个自由度而不被完全锁定，而其他自由度可以被完全锁定。还需要注意的是，在安装过程中，物体将通过连接装置连接到无人机，使得物体相对于无人机具有固定的位置和方向。
17.锁定装置可以是通过第一接合构件致动的机械或液压线性致动器，由无人机上的动力源供电。在一个简单的实施例中，锁定装置可以是用作线性致动器的螺钉，以将物体的两个半部连接在一起，或封闭物体上的凹槽或槽腔(pocket)，其优点在于可以通过无人机上的简单扭矩工具将物体锁定到电力线上，并且在锁定过程不成功或需要维护物体的情况下，锁定过程是可逆的。在替代实施例中，锁定装置可以是偏压构件，例如偏压弹簧、活塞或类似物，适于将物体的两个半部夹在一起或闭合物体的凹槽或槽腔。偏压构件可从无人机释放。
18.物体上的第二接合构件通常可以是螺钉的头部、孔眼、螺母、支架或可以由无人机上的第一接合构件接合的任何其他装置，第一接合构件与第二接合构件互补配合。在一个具体实施例中，第一接合构件可以是具有内六角形钻头的套筒扳手，而第二接合构件是螺钉的互补配合的螺母形头部。
19.在一个实施例中，用于限制一个或多个自由度的装置可以适于从空闲位置移动到致动位置，其中该装置独立于无人机而限制物体相对于电力线的一个或多个自由度。这意味着无人机可以保持在相对于电力线的固定位置，而用于限制一个或多个自由度的装置移动到致动位置，这简化了无人机的定位和导航以及随后的物体与电力线的锁定。用于限制物体的一个或多个自由度的装置可包括一个或多个可操作臂和/或夹具等，其可移动到装置与电力线接合的致动位置。
20.在一个具体实施例中，用于限制物体相对于电力线的一个或多个自由度的装置可以包括设有水平距离的两对臂，一对臂中的每个臂可单独旋转以接合电力线，使得每对臂适于在致动锁定装置之前将电力线保持或隔离在它们之间。当臂旋转到它们的“致动”/限制位置时，电力线通常会被隔离或保持在臂和物体表面之间。使用可单独旋转的臂提供用于在接合锁定装置之前保持/隔离电力线的简单且坚固的机构。两对臂之间的水平距离也确保了物体在包括电力线在内的水平面内旋转的能力是有限的。在优选实施例中，用于限制一个或多个自由度的装置可以适于将电力线保持/隔离在物体的中心位置，使得电力线
穿过物体的空间中心并且电力线在与锁定装置接合后被锁定在物体的中央。在一个实施例中，物体可以具有基本球形的形式并且电力线可以对称地、居中地锁定在球体中。
21.用于限制一个或多个自由度的装置可以通过与第一接合构件相同的动力源或通过单独的动力源来供电。可旋转的臂可以通过由上述动力源供电的小型伺服电机驱动，并由操作员通过远程控制或通过控制单元自主控制。应当注意，在一个更简单的实施例中，如将在下文中公开的，用于限制一个或多个自由度的装置可以是纯机械的，并且可以在没有单独动力源的情况下操作。
22.在替代实施例中，用于限制物体相对于电力线的一个或多个自由度的装置可以包括一对设有水平距离的夹具，并且这对夹具中的每个夹具在释放保持构件时适于向下或向上垂直方向移动，以在致动锁定装置之前接合或隔离电力线。夹具可在释放时被偏置而移动或适于简单地通过其自重移动。偏置装置可配备有负载弹簧、活塞或类似物，而保持构件可以是销、钩、夹爪或任何其他适于保持偏置构件并最终释放夹具的装置，以便致动电力线的锁定。释放装置可通过保持构件与电力线物理接触的方式进行机械致动。在更复杂的实施例中，保持构件可以是电磁装置，例如电磁铁，适于在接收到来自操作者或控制单元的电控制信号时释放偏置构件。控制信号可以手动执行，或者控制信号可以基于来自闭合控制回路中的一个或多个传感器的数据，如下所述。
23.在一个实施例中，无人机可以设置有摄像机，该摄像机使得操作员可以相对于电力线控制和定位无人机，和/或者基于摄像机捕获的图像自动控制无人机。无人机的实际精细定位使得电力线相对于物体正确定位，可以通过摄像机操作完全手动完成，或者也可以通过来自摄像机和/或其他传感器的输入完全或部分基于无人机的自主软件控制。在一个实施例中，驾驶无人机飞上电力线的粗略操作可由操作员完成，而无人机和物体的精细定位可由配备有控制算法的控制单元完成，该控制算法适于借助摄像机识别电力线，以在接合用于限制物体相对于电力线的自由度的装置之前以及在将物体锁定到电力线之前，确保物体相对于电力线正确定位和定向。摄像机可以在可见光或非可见光下工作，例如在红外光谱的一部分。
24.此外，或者作为替代方案，无人机可以包括接近传感器，用于感测电力线相对于用于限制物体相对于电力线的一个或多个自由度的装置的位置。这对于确保在物体处于正确的位置和/或方向之前，用于限制物体相对于电力线一个或多个角度的装置没有完全接合/致动可能特别有用。在一个实施例中，在用于限制一个或多个自由度的装置包括如上所述的两对臂的情况下，可以在一对或两对臂中的一个臂上设置接近传感器以感测电力线的接近，并且只有当电力线靠近可能已经接合以在垂直方向上延伸的一个臂时，成对臂中的另一个臂可以接合以将电力线包围在臂之间。接近传感器可以是适于感测电力线接近的任何传感器。在一个简单的实施例中，接近传感器可以是微动开关，当电力线发生物理接触时，微动开关致动用于限制一个或多个自由度的装置。在另一个实施例中，接近传感器可以是适于基于压力、温度、电阻、射频或光来感测电力线的接近(近距离或直接接触)的传感器，其中光不一定必须是可见光。
25.在一个实施例中，无人机可以包括控制单元，该控制单元适于基于从接近传感器接收到的信号和/或从摄像机接收到的图像来致动用于限制物体相对于电力线的一个或多个自由度的装置。如上所述，控制单元还可以具有控制算法，用于自动将带有物体的无人机
与电力线上定位，从而可能需要很少或不需要将物体连接到电力线上的最后阶段的手动控制。
26.在第二方面，本发明涉及一种用于安装在电力线上的物体，该物体包括用于将物体牢固地锁定到电力线上的锁定装置，该锁定装置还包括第二接合构件，该第二接合构件用于被无人机上的第一接合构件接合以致动该锁定装置。
27.在一个实施例中，锁定装置可以是螺钉，当无人机上的第一接合构件将第二接合构件接合在物体上时，该螺钉适于由无人机操作和致动。第一接合构件可以从无人机旋转，由此组合的无人机和物体系统作为线性致动器工作，用于将物体锁定在电力线上。
28.在一个实施例中，物体可以是用于监控电力线状况的电子设备，例如监控以下参数中的一个或多个：
29.电流；
30.温度；
31.线路中的下垂/张力(包括雪荷载)；
32.振动；
33.舞动线；和
34.电晕。
35.优选地，该物体还可以适于存储和/或将所监视的数据传送到另一个类似物体和/或传送到适于监视电网状况的中央控制单元，从而基于所接收的数据来优化电网的性能。在替代实施例中，物体可以是安全标记。该物体也可以是用于监控和安全标记的组合电子装置。
36.在替代实施例中，物体还可以包括第三接合构件，该第三接合构件也连接到锁定装置，与第二接合构件分开，该第三接合构件适于通过热棒接合以手动致动锁紧装置。如果操作员需要在电力线上安装或维护物体，这可能是有利的，由此操作员可以在不使用无人机的情况下从不同位置接合相同的锁定装置。通常情况下，第三接合装置将放置在物体的下侧，使得操作者可以从下方接触到它。第三接合装置可以是螺钉头、孔眼、螺母、支架或任何其他装置，这些装置可以被具有互补的装配接合装置的热棒接合。
37.在一个实施例中，物体可以基本上是球形的，这对于空气动力学的原因可能是有益的，但是物体可以由任何几何形状形成，例如美式足球的形状。该物体基本上可以是两个半部，该两个半部可以结合在一起以锁定到电力线。或者，物体可以形成有凹槽或槽腔，电力线可以在其中锁定就位。在又一实施例中，该物体可设有支架，该支架可锁定以将电力线夹持到物体的外部。
38.在第三方面，本发明涉及一种无人机组件，其包括根据本发明第一方面的无人机和根据本发明第二方面的物体，该物体通过连接装置连接到无人机。
39.在第四方面，本发明涉及一种在电力线上安装物体的方法，该方法包括以下步骤：
40.将物体连接到无人机；
41.使载有物体的无人机朝向电力线飞行；
42.将物体相对于电力线定位物体，使得电力线被容纳在物体的凹槽或槽腔内或两个半部之间；
43.通过关闭凹槽或槽腔或将两个半部合在一起，将物体锁定在电力线上；
44.断开无人机与物体的连接；和
45.使无人机飞离电力线，其中，在将物体锁定到电力线上的步骤之前，该方法还包括以下步骤：
46.通过无人机限制物体相对于电力线的一个或多个自由度。
47.下面描述附图中所示的优选实施例的示例，其中：
48.图1
‑
9示出了根据本发明的借助无人机在电力线上安装物体的过程的各个阶段的侧视图；
49.图10
‑
12示出了用于连接和断开无人机与物体的连接装置的细节的稍微放大的透视图中；
50.图13
‑
17示出了用于限制物体相对于电力线的一个或多个自由度的装置的替代实施例的侧视图；以及
51.图18
‑
19示出了用于安装在电力线上的物体的替代实施例的侧视图中。
52.在下文中，附图标记1表示用于在电力线上安装物体的无人机，附图标记10表示用于安装在电力线上的物体，而附图标记100表示无人机组件，该无人机组件包括连接到该物体10的该无人机1。相同的附图标记将用于表示附图中相同或相似的特征。附图为示意图和简化图，并且其中的各种特征可以按比例绘制，也可以不按比例绘制。
53.现在参考图1
‑
9，其中示出了借助根据本发明的无人机1将物体10安装到电力线2的各个阶段。物体10在此以基本球形的电子设备的形式示出，其用于监测电力线2的状态。用于监测的电子设备的细节和功能在此不讨论。如图1
‑
8所示，连接到物体10的无人机1构成无人机组件100。无人机1设置有支架形式的连接装置6，可连接到物体10上的螺钉7。具有类似功能的支架6在图10
‑
12中更详细地示出并且将在下面讨论。支架6以简单可靠的方式将无人机1连接到物体10上的螺丝7，使得无人机1可以携带物体10，并且使得一旦物体10安全地连接至电力线2，无人机1可以从支架6释放物体10。
54.无人机1包括呈扭矩工具头部形式的第一接合构件8，其可通过电动机80经由齿轮81而旋转。电动机80由未示出的电池形式的动力源供电。扭矩工具8的头部形成有未示出的内六角形状，其与第二接合构件互补配合，第二接合构件以螺钉12的未示出的螺母形状六角头的形式呈现。螺钉12具有与物体10的上半部分10a中的内螺纹互补配合的外螺纹。因此，扭矩工具仅用作套筒扳手。通过扭矩工具的旋转，当第一接合构件和第二接合构件接合时，螺钉12将旋转，由此物体的下半部10b将在向上垂直方向上向上朝向物体10的上半部分10a线性移动，由此，螺钉作为机械线性致动器形式的简单锁定装置。当物体10的两个半部10a、10b完全靠在一起时，物体10将被牢固地锁定到电力线2。
55.为了确保物体10在锁定装置12接合/致动之前相对于电力线2处于正确的位置和方向，无人机1配备有装置14，用于在锁定装置12接合之前限制物体10相对于电力线2的一个或多个自由度。在图1
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9的实施例中，用于限制一个或多个自由度的装置14以两对臂为例，其中每一对臂中的每个臂16a、16b可单独地在水平、非接合位置和垂直、接合位置之间旋转，如下所述。由于臂16a、16b可以从空闲位置移动到致动位置，其中臂16a、16b限制了物体10相对于电力线2的自由度，因此当用于限制一个或多个自由度的装置被致动时，无人机1可保持在相对于电力线2的固定位置。如果用于限制一个或多个自由度的装置仅是被动引导或类似装置，这将是不可行的，因为这将需要在致动期间朝着电力线2降低无人机2。应该
注意的是，由于图1
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9以侧视图示出了无人机组件100，图中仅示出了两对臂中的一对。另一对未示出的臂对称地设置在无人机1的另一侧。这些臂可通过一个小型的、未示出的伺服电机进行操作，该伺服电机适合由来自操作员的远程信号或如上所述的自主控制来致动。
56.当无人机组件100飞向电力线2时，如图1所示，两个臂16a、16b都处于水平的非接合位置。当无人机组件100接近电力线2时，无人机1上的摄像头看到电力线。然后将每对臂中的第一臂16a旋转到垂直位置，如图2和图3所示。每对臂中的第一臂16a的致动可以通过操作员接收由无人机1上的摄像机捕获的实时图像，或者可以通过配备有适合于该无人机的软件的控制单元自动完成致动识别电力线2，从而在无人机1将物体10移入电力线2上方之前自动接合第一臂16a。当第一臂16a已经旋转到垂直位置时，无人机1移动物体10，使得第一臂16a与电力线2接触，如图4所示。在该阶段，由于沿着电力线2的两个第一臂16a之间存在轴向距离，因此物体10相对于电力线2的旋转自由度受到限制。物体10在电力线上方沿相同方向进一步的平移也被阻止。此处以微型开关18的形式示出的传感器感测电力线2何时与该对臂中的第一臂16a接触。基于由微型开关18感测到的电力线2的接触，该对臂中的第二臂16b立即被致动，即旋转到垂直位置，如图4所示。在图5中，两对臂中的两个臂16a、16b已经接合以在竖直方向上延伸，使得电力线2保持在每对臂中的两个臂16a、b之间。在该阶段，电力线2的平面中的旋转运动(即围绕电力线和无人机中心之间延伸的轴的旋转运动)，以及在同一平面中垂直于电力线的平移运动被完全锁定。其他自由度被限制或锁定，其中限制程度取决于臂16a、16b和电力线2之间的摩擦接触。物体10和电力线2之间的垂直平移运动被限制，因为电力线2在任何情况下都保持在臂16a、16b之间以及物体10的上半部和下半部10a、10b之间的空间中。在此阶段，如果尚未接合，那么无人机1上的扭矩工具8的头部与物体10的上的螺钉12的头部接合。然后扭矩工具被致动以将物体10的下半部10b移向物体10的上半部10a，如图6所示，其中两个半部10a、10b之间的垂直间隙减小，在图7中，其中两个半部10a、10b已经接触使得电力线2被锁定到物体10。在所示实施例中，电力线2穿过物体10的中心，物体10通常呈球形。在所示的实施例中，由于物体10的内部和电力线2的外部之间的摩擦接触，物体10沿着电力线2滑动被阻止。在物体10已经牢固地锁定到电力线2之后，一对臂中的臂16a、16b可以分离并旋转回到它们的水平位置，如图8所示。臂16a、16b的分离可以通过操作员在核实物体10与电力线2的安全锁定之后进行，或者通过自主/自动系统来识别物体10已经牢固地锁定到电力线2，然后基于该信息释放臂16a、16b。当臂16a、16b与电力线2分离时，在所示实施例中为支架的连接装置6也与物体10断开连接，并且无人机飞离电力线2，例如，拿起另一个物体10安装在沿电力线2的另一个位置。
57.图10
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12以稍微放大和简化的视图示出了支架6与物体10的连接和断开。在图10中，支架6固定在物体10上的一对螺钉7上。再次需要注意的是，图中仅可见一个支架6和一对螺钉7，而类似的支架6将与物体10另一侧的一对类似的螺钉7接合。一对成角度的腿20连接到无人机1并从无人机1向下延伸至支架6，为简单起见，在图10
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12的任何一个中都没有示出腿20从无人机1延伸。类似的，未显示的一对腿连接至无人机1的另一侧，并向下延伸至未显示的支架，该支架连接至物体10的另一侧。在其下侧，支架6形成有适于与螺钉7接合的爪状部分22。小型伺服电机25适于旋转爪状部分22的每一侧，使得两个“爪”旋转进入和离开与螺钉的接合。可以根据来自操作员的远程信号或通过自主控制来致动爪从与螺钉的接合处旋转。如图1
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9所示，支架6外周上的孔23用作可旋转臂16a、1b的连接点。支架6和臂
16a、16b与物体10和电力线2的分离可以优选地由伺服电机25同时致动。参照图11
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12，当爪状部分22不再与螺钉锁定/接合时，可以看到支架6。无人机1从而从物体10中脱离出来并且可以飞离电力线2，如图11
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12所示。
58.图13
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17示出了用于限制物体10相对于电力线2的一个或多个自由度的装置14的另一实施例，这里是一对叉形夹具24，其连接至未示出的无人机1。再次地，图中仅示出了叉形夹具24中的一个，但类似的未示出的叉形夹具24对称地设置在物体10的另一侧。为简单起见，附图并未示出与无人机1的连接。这里所示的具有爪状顶部28的臂26形式的释放构件在基本垂直方向上延伸。臂的下部直线部分30延伸穿过物体10的两个半部10a、10b之间的垂直间隙。臂26的爪状顶部28装配到叉形夹具24中的互补形凹槽32中，从而将夹具保持在升起、升高和非接合位置。当臂30的下部直线部分与电力线2接触时，臂26围绕基本平行于电力线2的旋转轴34旋转，从而爪形顶部28从凹槽32中旋出，进一步的效果是叉形夹具24可以在垂直向下的方向上自由移动。叉形夹具24可以通过加载弹簧或类似物被偏置以在竖直方向上移动，或者叉形夹具24可以简单地基于其自重下落。当叉形夹具24向下移动并停止时，如图15所示，电力线2被“夹在”叉的两个齿和物体10的上下半部10a、10b之间。一旦电力线2被“夹住”，至少两个平移和两个旋转自由度受到限制，这意味着物体1相对于电力线2将保持在基本恒定的位置和方向。虽然物体10原则上可以围绕电力线2自由旋转，但与无人机1的连接将阻止这种旋转。在实践中，在该实施例中唯一不受限制的自由度是沿电力线2的平移运动，这对于物体相对于电力线2的正确定位通常不是关键。当叉形夹具24已被致动以限制所述自由度时，锁定装置12可如上文参考图1
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9所述被致动。一旦物体10已经被锁定到电力线2，如图17所示，只需将无人机1向上垂直方向飞行，叉形夹具24就可从电力线2上释放。叉形夹具24可以从空闲位置移动到致动位置，其中叉形夹具24限制物体10相对于动力源线2的自由度，当用于限制一个或多个自由度的装置被致动时，无人机1可以保持在相对于电力线2的固定位置。如果用于限制一个或多个自由度的装置仅是被动引导或类似装置，则这是不可行的，因为这将需要在致动期间将无人机1朝电力线2降低。
59.图18
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19中高度简化地示出了物体10的替代实施例。为简单起见，在这些图中未示出无人机1、电力线2以及第一接合构件和第二接合构件，但示出了第三接合构件，用于说明本实施例的总体思路，此处第三接合构件为设置在螺钉12下端的孔眼36的形式。螺钉12延伸穿过物体10的整个高度，操作者可通过所谓的热棒从下方接合孔眼36，从而能够在不使用无人机的情况下执行物体10的维护和保养。热棒可用于通过孔眼36旋转螺钉12以打开物体，从而将物体从电力线2上松开，以及关闭物体以将其重新锁定到电力线2上。
60.应当注意，上述实施例用于说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员能够在不脱离所附方案的范围的情况下设计许多替代实施例。在方案中，括号内的任何参考符号不应解释为限制此方案。动词“包括”及其变形的使用不排除方案中所述之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
61.仅仅在相互不同的从属方案中叙述某些措施并不表示这些措施的组合不能用于产生有益效果。