架空輸電線路巡檢機器人

徐東亮

【摘要】 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，對輸電線路安全運行和供電的可靠性要求不斷提高。架空輸電線路作為電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其安全穩(wěn)定運行對保證電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)良好運行有著決定性的作用。本文重點分析架空輸電線路巡檢機器人，從其結(jié)構(gòu)、功能、路徑規(guī)劃、障礙物識別等方面進行闡述，挖掘其發(fā)展歷程。

【關鍵字】 架空 輸電線路 巡檢 機器人 障礙 路徑規(guī)劃

一、引言

隨著全球經(jīng)濟高速全面發(fā)展，對能源的需求越來越大，超高壓大容量電力線路大幅擴建，能源覆蓋面越來越廣。架空電力線路是將輸電導線用絕緣子和金具架設在桿塔上，使得導線對地面和建筑物保持一定的距離，從而實現(xiàn)遠距離的供電?；谠撎攸c，對于遠距離輸電大多都會采用架空輸電線路。

然而，雖然架空輸電線路具有投資小、建設速度快、施工簡單方便，但是當其線路輸送中容量越大，輸送距離就越長，要求線路的電壓也就越高，而此時輸電線路的阻抗能力逐步成反比，其存在的缺陷也越來越明顯，比如易受到風雪和雷擊等自然因素的影響，從而容易引發(fā)各種安全事故。因此，隨著高壓甚至是超高壓輸電線路的發(fā)展，輸電線路安全保障性也得到越來越多的關注，輸電線路的巡檢工作也就越發(fā)重要。

目前，架空電力線路的巡檢主要分為三類，人工巡檢、飛行器巡檢以及智能機器人巡檢。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，采用智能化機器人進行電力線路的巡檢也逐漸引起關注。

二、電力巡線機器人

2.1電力巡線機器人發(fā)展

在2002年以前，架空輸電線路早已出現(xiàn)，架空電力線路的主要巡檢方式還是依靠傳統(tǒng)的人工巡檢和直升機巡檢，基于這兩種巡檢方式，輸電線路的安全性能基本能夠得到保證。20世紀80年代末，日本、美國和加拿大等國相繼開發(fā)了不同用途的巡線機器人，如1988年東京電力公司的Sawada等人研制了具有初步自主越障能力的架空地線巡檢移動機器人；1989年美國TRC公司研制了一臺懸臂自治巡檢機器人，能沿架空線路較長距離地爬行，進行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點、壓接頭等視覺巡檢任務，但其不具有越障功能；2004年后，隨著發(fā)展和需求，線路巡檢機器人進行了越障結(jié)構(gòu)、檢測以及導航等方面的技術(shù)改進。

2.2 電力巡線機器人系統(tǒng)

線路巡檢機器人是一套復雜的機電一體化系統(tǒng)，主要由機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導航與定位、巡視掃描裝置、電源與屏蔽封閉機箱和通信系統(tǒng)等幾部分組成。在整個巡檢機器人的發(fā)展歷程中，研究者也主要針對這些組成部分進行了改進。

2.2.1機械機構(gòu)

早在1989年左右，國外就開始了對線路巡檢機器人的研制，并由無跨越功能的巡檢機器人發(fā)展到具有跨越障礙物功能，從驅(qū)動方式上由輪式巡檢機器人歷經(jīng)仿生手臂機器人到輪臂復合式機器人再到多關節(jié)—輪臂復合式機器人。

典型的輪式機器人為在移動體的兩端安裝有滑動輪，中間形成溝槽，以嵌合電纜，實現(xiàn)在電纜上行走。此類機器人只能在一檔線上工作，不具越障功能，而實際上輸電線桿塔上存在防振錘、絕緣子、懸垂金具、壓接管等設備，這些都成為機器人在行駛過程中的障礙物，為了完成整個線路的巡檢，就需要由人工帶電作業(yè)將其從障礙物的一側(cè)搬運到另一側(cè)，這不僅影響了工作效率，而且也不安全。

關節(jié)機器人，通過多個關節(jié)點和多個連接棒連接組成，在夾著電線的左右兩端是電磁鐵，其在移動時，通過電磁鐵吸引力夾緊電線并移動，當檢測到障礙物時，從碰觸到障礙物最前端的節(jié)點開始，依次切斷電磁鐵的電源開關，這樣，觸碰到障礙物的電磁鐵關節(jié)就可以打開，穿過障礙物，穿越過障礙物的電磁鐵再閉合開關，再次通過磁鐵吸引力夾緊電線前行。由于結(jié)構(gòu)的限制，其可以跨越一些簡單的障礙物。當遇到桿塔時，則仍需人工進行輔助搬運，因此，并沒有徹底解決跨越障礙的功能。

手臂升降式巡檢機器人，本體上左右兩端分別具有一個仿生手臂，仿生手臂的頂端是夾爪，用來夾住電纜并行走，在遇到障礙物時，通過依次釋放左右兩端的夾爪以及配合升降裝置，使巡檢機器人逐步跨越障礙物，并再次依次夾緊電纜。該巡檢機器人由于夾爪的適應性比較強，可以實現(xiàn)各種障礙物的跨越。但是仿生手臂夾爪一方面緊固性不夠，容易產(chǎn)生松動；另一方面，對電纜的損害也比較大。

輪臂復合驅(qū)動巡檢機器人，在移動體兩側(cè)帶有兩個長條形的臂膀，在正常移動式，兩個臂膀不工作，僅僅由移動體上的滑輪夾緊電纜進行移動，當遇到障礙物時，兩個臂膀頂端的夾爪機構(gòu)分別勾住障礙物兩端的電纜，釋放夾緊電纜的驅(qū)動輪，使移動體脫離電纜，移動體順著臂膀形成的弧形軌道從一端滑行到另一端，實現(xiàn)移動體障礙物跨越，然后將移動體的驅(qū)動輪再次夾緊電纜，釋放臂膀兩頂端的夾爪裝置。輪臂復合式巡檢機器人結(jié)合了輪式機器人和仿生手臂機器人各自的優(yōu)點，既能實現(xiàn)輪式巡檢機器人蠕動行走功能又能實現(xiàn)仿生手臂式移動機器人爬行的優(yōu)點，因此，在巡檢機器人領域應用最為廣泛。

2.2.2 電源技術(shù)

電源作為巡檢機器人的供電設備，是巡檢機器人不可或缺的一部分。要保證巡線機器人在野外大范圍長時間工作，必須提供持續(xù)可靠的電源。然而由于架空輸電線路巡檢機器人工作環(huán)境的特殊性，除了使用常規(guī)的蓄電池之外，只能依靠機器人本體或者借助線路本身進行充電，并且由于承重限制，對充電裝置的改進點很少?，F(xiàn)有技術(shù)中巡檢機器人的供電裝置大致分為：蓄電池、電流互感充電、燃油發(fā)電機充電和太陽能充電。

獨立的蓄電池供電裝置由于受到體積和重量的限制，不能滿足長時間供電要求。因此，在電池電力不夠時，需要進行電池更換。除了使用人工輔助從高壓輸電線上取下機器人更換電池，還可以通過使用電池箱空中對接裝置，取下舊電池，并安裝新電池。然而，電池的更換并不能徹底解決供電問題。

針對蓄電池的缺陷，部分研究者嘗試采用燃油發(fā)電機為機器人供電，但燃油發(fā)電機需攜帶油箱，工作時受環(huán)境影響大，可靠性差，重量大，因此，實際使用起來并不是很方便。

由于巡線機器人一般沿大工作電流的電力線爬行，因此，就產(chǎn)生了直接從電力線上獲取能源的耦合供電方式，采用電流互感器從爬行的輸電線路上獲取感應電流作為機器人的工作電源，從而解決了巡線機器人長時間驅(qū)動的動力問題。

隨著太陽能充電技術(shù)的發(fā)展，使巡線機器人的供電裝置使用太陽能充電也成為了可能。

2.2.3檢測技術(shù)

巡檢機器人主要目的是對線路中存在的損壞和斷線問題進行檢測，根據(jù)檢測手段可以分為接觸式檢測和非接觸式檢測。

傳統(tǒng)的線路檢測比如斷線問題等，都是通過人工上線檢查或者使用望遠鏡進行視察，這些方法給人身安全帶來重大威脅，也容易造成檢查不準確。為了解決人工檢測的安全性問題，引入機器人巡檢，早在1988年，日本就已經(jīng)研制出通過在巡檢移動體上設置投影檢測傳感器或縷檢測傳感器檢測電纜，使用照相機對故障電纜拍照并發(fā)送給地面基地，實現(xiàn)損傷巡檢。這類檢測只能檢測電纜表面故障，針對該缺陷，研發(fā)了可對電纜深入檢測的巡檢機器人，典型的有兩類。第一類利用聲音判斷故障，該類機器人沿電線移動時，使用敲動錘不斷敲擊電線，從而通過麥克風產(chǎn)生聲音，將該聲音信號與原設置的聲音信號進行比較，如果聲音頻率有偏差則判定該線纜有損傷，該方法能夠檢測到肉眼看不到的電線損傷。另一類機器人使用紅外技術(shù)檢測，該類機器人本體上設置微型紅外光成像傳感器，用于確定機器人所在位置，觀察變壓器的局部放電、火花放電、及觀測部位的繞組變形；同時設置高指向紅外溫度傳感器檢測變壓器鐵軛、分接開關及套管的可觀測部位的局部溫升，而微型攝像頭，用于采集變壓器內(nèi)部繞組、變壓器鐵軛、分接開關和套管的可觀測部位的圖像，采集的圖像信息直接送給無線傳輸模塊。

由于電纜損傷包括表面損傷以及內(nèi)部損傷，因此，為了全面檢測電纜故障，單一的檢測技術(shù)并不能完全滿足需求，因此，需要融合多種技術(shù)手段同時檢測。針對該需求，融合多種故障檢測裝置的巡檢機器人應運而生，其通過超聲傳感器、高速球攝像機、CCD照相機及紅外熱成像儀等多種技術(shù)手段共同檢測電纜故障。

2.2.4導航與定位

巡線機器人的導航與定位，方式比較多樣化，大體上分可以分為全局導航和局部導航；單一技術(shù)導航和多技術(shù)融合導航。具體來講有以下幾種：

射頻標簽導航通過在電纜上部分位置設置RFID標簽，巡檢機器人上相應設置標簽讀寫器，讀取標簽及相應的編碼，根據(jù)編碼得到巡檢機器人所處的地理坐標，調(diào)整巡檢機器人移動路線和空間姿態(tài)。

視覺導航根據(jù)圖像獲取裝置如照相機、攝像機的個數(shù)分為單目視覺導航、雙目視覺導航以及多目視覺導航，其原理都是通過實時獲取圖像，并將其發(fā)送給控制站，由控制站判斷之后進行避障等路徑規(guī)劃。

除此之外，還有常用的GPS導航、慣性導航以及磁導航等等。

雖然巡檢機器人的導航技術(shù)有很多，但是其都存在各自的缺陷，因此，可以通過融合多種導航技術(shù)提高準確度。比如可以組合使用DGPS和慣性導航技術(shù)，當DGPS衛(wèi)星信號被干擾時，則采用慣性導航，對DGPS的缺陷通過慣性導航來加以補充和改進；又比如通過GIS-GPS模塊以及電磁傳感器陣列共同配合進行導航，能夠?qū)崿F(xiàn)全局導航和局部自主越障功能等等。

三、結(jié)束語

架空輸電線路巡檢機器人由于其安全性、工作效率等優(yōu)點在架空輸電線路中得到了廣泛的應用，并且在整個歷程發(fā)展中，隨著機械避障機構(gòu)、電源裝置、檢測技術(shù)以及導航與定位技術(shù)的不斷發(fā)展，巡檢機器人整體也得到改進。現(xiàn)有的巡檢機器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在電纜上的自由行走、精度地提高故障檢測，并與地面控制站實時通訊，具有很大的應用空間。

參 考 文 獻

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