自主電力線巡檢機器人的發(fā)展概況及關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：電力線巡檢首先在直升機巡檢領(lǐng)域得到自動化，近年來又在飛行機器人和爬行機器人領(lǐng)域得到飛速發(fā)展。不同類型的機器人在設(shè)計需求、巡檢質(zhì)量、自主性和通用性等方面各有利弊，在應(yīng)用領(lǐng)域呈互補關(guān)系。文章闡述自動直升機巡檢、飛行機器人巡檢、爬行機器人巡檢技術(shù)的發(fā)展概況，目的是展示電力線巡檢機器人領(lǐng)域的重要成就，并對存在的問題進行總結(jié)，對電力線巡檢機器人的發(fā)展前景做出展望。

關(guān)鍵詞：移動機器人；電力線巡檢；飛行機器人；爬行機器人

供配電中斷將導(dǎo)致電力生產(chǎn)者、銷售者及消費者的巨大損失，最小化電力線故障具有重要意義。為了盡早檢出缺陷并高效維護，配電網(wǎng)絡(luò)需要定期巡檢。在過去二十年中，電力線自主巡檢領(lǐng)域開展了大量卓有成效的研究。本文闡述了直升機輔助巡檢、飛行機器人巡檢、爬行機器人巡檢等電力線巡檢技術(shù)的發(fā)展概況及關(guān)鍵技術(shù)，對需要解決的問題做了總結(jié)，并對巡檢機器人的發(fā)展前景做出展望。

1 電力線缺陷

電力線缺陷發(fā)生在導(dǎo)線、絕緣子、電線塔桿及其它電力線設(shè)備中。鋼芯鋁制電纜上的兩種常見缺陷是鋁線腐蝕和機械損傷。導(dǎo)線表面鋁線斷裂可由視覺檢出，腐蝕問題只能用特殊設(shè)備檢測或通過測量導(dǎo)線升溫而得知。導(dǎo)線的機械損傷通常是由風(fēng)致振動，斷線靠近夾子及其它配件。由于斷線鋒利，斷線表面的電場強度很高，觸發(fā)了電暈效應(yīng)，這種效應(yīng)可通過紫外（ultraviolet，UV）相機有效檢測。

絕緣子缺陷根據(jù)絕緣子類型有所不同。玻璃絕緣子缺陷通?？赏ㄟ^視覺檢測。陶瓷絕緣子缺陷大多是因為腐蝕，相對較難檢測。檢測有缺陷的復(fù)合絕緣子也具挑戰(zhàn)性。視覺檢測是最常用的檢測技術(shù)，其它檢測方法是熱成像儀、UV相機。

塔桿、塔線設(shè)備（隔離器、夾具、阻尼器、滅弧角等）及周圍植被都需要定期檢查。塔桿和塔線設(shè)備會老化或被人為破壞，植被也可能成為大問題，因為通常樹木每年長高約50cm，有些樹甚至每年可長高400cm。因此，植被與輸電線之間的距離需要定期檢查。

2 自動直升機輔助巡檢

直升機巡檢采用陀螺穩(wěn)定吊艙、紅外熱成像儀和可見光成像儀等先進設(shè)備進行超高壓輸電線路的巡檢操作，具有巡檢靈活機動的特點，能在第一時間為電網(wǎng)調(diào)度和開展設(shè)備狀態(tài)檢修提供真實全面的現(xiàn)場資料，大大提高了巡檢效率。

直升機輔助巡檢須實現(xiàn)自主電力線追蹤、針對電力線的視覺缺陷檢測和測量的安全距離。該距離及直升機振動和運動都會對高質(zhì)量圖像的獲取產(chǎn)生影響。巡檢中更常用到小型直升機，因為它更敏捷、能耗更少、可實現(xiàn)空中懸停。若要執(zhí)行長距離巡檢，直升機必須有足夠高的能效。直升機輔助巡檢的關(guān)鍵技術(shù)是位置控制、電力線自動跟蹤、避障、通信、圖像采集、自動故障檢測、測量安全距離、充電續(xù)航。

3 無人機巡檢

無人機巡檢和自動直升機巡檢在一些方面有相似之處，這兩種方法都有一些共同的問題，包括相機穩(wěn)定性、線桿追蹤和自主檢測故障等。無人機巡檢的評估報告顯示，無人機巡檢比徒步巡檢更快，又與昂貴的直升機巡檢精確度相同甚至比直升機巡檢更精確。無人機巡檢在技術(shù)上是可行的。

由D.I.Jones領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種視覺導(dǎo)航的配電網(wǎng)絡(luò)巡檢無人機。該無人機轉(zhuǎn)子葉片不暴露，懸停和低速飛行非常有效。無人機裝配陀螺穩(wěn)定相機、導(dǎo)航和定位系統(tǒng)、處理圖像和其它傳感器數(shù)據(jù)的計算機、通信系統(tǒng)和充電系統(tǒng)。主要研究目標是無人機位置和姿態(tài)控制、協(xié)助無人機飛越障礙物和飛近電力線的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計、以及充電系統(tǒng)設(shè)計。

4 爬行機器人巡檢

電力線巡檢的另一種方法是沿導(dǎo)線爬行、可跨越各種障礙物的爬行機器人。該方法的主要優(yōu)勢是可實現(xiàn)近距離全線高精度巡檢，巡檢不受天氣及空域管制等影響，巡檢成本低。近距離檢測和低振動水平大大提高了圖像采集的質(zhì)量。爬行機器人懸掛在導(dǎo)線上前進，并可沿輸電線路跨越障礙，因此需要較復(fù)雜的機器人機構(gòu)。機器人功能主要包括沿導(dǎo)線自主運動、自動視覺巡檢、至少半自主的障礙穿越（也即自主跨越已知或可預(yù)測的障礙）。

4.1 機器人機構(gòu)和越障

武漢大學(xué)的吳功平教授團隊提出了由2個小臂操作手機構(gòu)、1個公共的變長大臂機構(gòu)、2個小臂與變長大臂間各分別有1個繞鉛垂軸和水平軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)組成的雙臂協(xié)調(diào)移動的機器人機構(gòu)模型。實現(xiàn)了機器人在一根相線全程線路上的自主行駛運動（滾動、爬行和跨越/避讓障礙物）。該機器人目前已在湖南、吉林等省示范運行。

4.2 機器人控制系統(tǒng)

機器人控制系統(tǒng)的主要目標是在機器人越障時提供導(dǎo)航。根據(jù)有關(guān)障礙物的傳感數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)應(yīng)能引導(dǎo)機器人跨越障礙。另一個重要問題是消除機器人振動。在風(fēng)和其它擾動的影響下，電力線和爬行機器人都必然發(fā)生振動。振動引起圖像及機器人手臂的運動模糊，這些都會減小導(dǎo)線定位精度。

4.3 機器人傳感器

爬行機器人所用傳感器主要用于機器人控制、電力線巡檢和重要參數(shù)的監(jiān)測（供電電壓、機器人內(nèi)部溫度等）。最重要的一個傳感器問題是導(dǎo)線上的障礙物檢測和位置估計，這通常由距離傳感器完成。該方法雖易實現(xiàn)，但通常不能提供足夠信息以實現(xiàn)障礙物跨越。為自主跨越障礙，障礙物類型必須已知。

4.4 供電

電力線有望為巡檢機器人運動供電。有文獻提出經(jīng)由電力線磁場提取能量，具體方法是將磁性鐵芯安置在導(dǎo)線周圍，電力線中電流越大，轉(zhuǎn)移到次級線圈中的電能越多。

5 結(jié)束語

不同類型的巡檢機器人各有利弊，在關(guān)鍵技術(shù)難點上有一些共通之處，在應(yīng)用領(lǐng)域呈互補關(guān)系。將來我們可能會看到集多種功能為一體的自主電力線巡檢機器人。

參考文獻

[1]徐顯金.高壓線路沿地線穿越越障巡檢機器人的關(guān)鍵技術(shù)研究

[D].武漢：武漢大學(xué)，2011.

[2]吳功平，肖曉暉，肖華，等.架空高壓輸電線路巡線機器人樣機研制[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（13）：90-93+107.

[3]S. Peungsungwal，B. Pungsiri，K. Chamnongthai and M. Okuda.Autonomous robot for a power transmission line inspection[C].in Proc. 2001 IEEE Int. Symp. Circuits Syst. （ISCAS 2001），2001.

作者簡介：王麗楊（1980-），女，四川廣安人，副教授，研究方向：智能機器人，信息與系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)工程與技術(shù)。