架空線路巡線機(jī)器人的研究綜述

吳 昊，王 東，羅 濤，王淋漓，程亞萍

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司安慶供電公司信通公司，安徽安慶 246000）

1 國(guó)內(nèi)外研究情況

1.1 國(guó)外研究情況分析

20世紀(jì)80年代，國(guó)際上逐漸開始重視架空線路的巡線機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展工作。包括日本以及北美一些國(guó)家均逐漸嘗試研究新型更為可靠有效的巡線機(jī)器人，且取得了一定的研究成果。20世紀(jì)80年代末期，日本企業(yè)率先研發(fā)了可以自動(dòng)化越過(guò)障礙的光纖復(fù)合架空線路巡線機(jī)器人。其主要包含驅(qū)動(dòng)組件以及夾持組織間等構(gòu)成，可以很好地運(yùn)行于帶有防震錘以及螺旋減震器的線路中。如若需要越過(guò)桿塔，則巡線機(jī)器人會(huì)依據(jù)擬人的方式，打開其弧形手臂，隨后本體越過(guò)桿塔抵達(dá)另一側(cè)，最后收起另一端的手臂，由此完成整個(gè)工作。而該設(shè)備在外部環(huán)境感應(yīng)方面的建設(shè)并不完善。由此可使用性并不高，另外該設(shè)備體積、質(zhì)量均比較高，能源供給問(wèn)題時(shí)期主要面臨的問(wèn)題。而美國(guó)企業(yè)在此后一年研制出了第一個(gè)懸臂自治巡線機(jī)器人，其可以順著架空線路等實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離地運(yùn)行，可以同時(shí)開展電暈損耗檢測(cè)、結(jié)合點(diǎn)分析、絕緣子檢測(cè)以及壓接頭檢測(cè)等多項(xiàng)任務(wù)，此外基于設(shè)備的多功能性，可以自主地將檢測(cè)到的信息傳遞至地面工作人員。如若遇到桿塔情況，則其也會(huì)依據(jù)擬人攀援的方式，越過(guò)桿塔，但無(wú)法跨過(guò)防震錘以及絕緣子等常規(guī)障礙。2001年，泰國(guó)企業(yè)也設(shè)計(jì)了自己的自給電巡線機(jī)器人，其主要依靠電流互感器的作用從而在架空線路中爬行，并就獲得的感應(yīng)電流作為工作電源，進(jìn)而有效處理了巡線機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間的供電需要。

1.2 國(guó)內(nèi)研究情況分析

20世紀(jì)90年代末期，意識(shí)到科技發(fā)展的重要性，包括武漢大學(xué)以及中科院學(xué)校等均被賦予研發(fā)巡線機(jī)器人的重任。在863計(jì)劃的推動(dòng)下，當(dāng)時(shí)武漢大學(xué)率先研制出了第一臺(tái)巡線機(jī)器人，其主要面向220 kV 供電線路，能夠靈活地應(yīng)對(duì)越障、智能化管控以及供電等多方面問(wèn)題。此后，中科院也開展了面向500 kV 的地線巡線機(jī)器人研發(fā)工作，并成功地實(shí)現(xiàn)了綜合巡線機(jī)器人與地面移動(dòng)基站的綜合系統(tǒng)，且很好地應(yīng)用于實(shí)際工作中。該設(shè)備的研發(fā)也為巡線機(jī)器人供電電源、控制單元以及通訊設(shè)計(jì)等多個(gè)方面提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，近些年中科院自動(dòng)化所逐漸將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至面向110 kV 的架空線路巡線機(jī)器人二臂回轉(zhuǎn)式懸掛機(jī)構(gòu)研究中。新型機(jī)器人增加了臂距調(diào)解以及夾持輪抱線等組件，能夠完成旋轉(zhuǎn)、俯仰等一系列動(dòng)作，在爬坡方面也有著出色的性能。

綜合國(guó)內(nèi)外當(dāng)前架空線路的巡線機(jī)器人研究現(xiàn)狀而言，國(guó)外在該方面的起步相對(duì)早一些，技術(shù)也比較完善，部分機(jī)器人已然處于實(shí)際應(yīng)用階段。目前國(guó)外的機(jī)器人在無(wú)障礙環(huán)境下的應(yīng)用技術(shù)較為成熟，但監(jiān)測(cè)范圍也十分有限，只可以簡(jiǎn)單地完成桿塔之間的線路排查工作。而國(guó)內(nèi)巡線機(jī)器人的研究則更多地強(qiáng)調(diào)越過(guò)桿塔實(shí)施大面積、長(zhǎng)時(shí)間的巡線作業(yè)，目前國(guó)內(nèi)已然在巡線機(jī)器人自主越障等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟。

2 巡線機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

巡線機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，其覆蓋了包含機(jī)械部分、傳感器部分以及信息交互、電源、通訊等多項(xiàng)技術(shù)形式。

2.1 機(jī)械架構(gòu)

機(jī)械架構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的根本，不僅重量要盡可能小，同時(shí)結(jié)構(gòu)還應(yīng)當(dāng)盡可能簡(jiǎn)單。此外還需要支持在架空線路運(yùn)行期間涉及的一系列機(jī)械運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證后期機(jī)器人能夠穩(wěn)定高度是在線路中運(yùn)行，更為穩(wěn)當(dāng)以及靈活地越過(guò)障礙，并支撐各個(gè)感應(yīng)監(jiān)控設(shè)備等的運(yùn)行。

2.2 控制模塊

該模塊主要包含各個(gè)傳感器組件以及傳感器位置以及反饋組件、導(dǎo)航組件、運(yùn)動(dòng)組件等等構(gòu)成?；谠撃K可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)巡線機(jī)器人的多元化自主管控，即便發(fā)生意外事件，在控制單元的分析作用下也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自我的保護(hù)，避免受到機(jī)器人跌落以及事故的影響而損壞。

2.3 導(dǎo)航定位模塊

導(dǎo)航單元主要負(fù)責(zé)對(duì)巡線機(jī)器人運(yùn)行軌跡的規(guī)劃設(shè)計(jì)，主要包含路徑規(guī)劃以及越障規(guī)劃等幾個(gè)部分。機(jī)器人順著架空線路運(yùn)行，需要越過(guò)包括線夾以及防震錘等障礙，運(yùn)行環(huán)境包括結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化環(huán)境等特點(diǎn)，故而對(duì)導(dǎo)航提出了一定的要求，尤其強(qiáng)調(diào)其在局部越障方面的應(yīng)用。而機(jī)器人在越障期間，因?yàn)橄嚓P(guān)障礙物的反射面并不大，借助CCD 攝像頭視覺組件即可完成對(duì)環(huán)境的探測(cè)工作。此外，懸掛于導(dǎo)線中的機(jī)器人往往會(huì)在大風(fēng)以及外力等的作用下不斷變化，導(dǎo)致重心不斷偏移，大大提升了越障的難度。

2.4 電源與抗干擾模塊

為了盡可能地降低巡線機(jī)器人的自身重量，往往不會(huì)選擇自帶供電模塊的技術(shù)方案，而是選擇可充電的小容量供電形式。機(jī)器人在工作期間，各個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要基于自帶的取電組件將架空線路中存在的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電能，并將其存儲(chǔ)于蓄電模塊中來(lái)實(shí)現(xiàn)供能。由于電源模塊的特殊性，往往需要對(duì)其采取一定的防雨、方城以及抗干擾等保護(hù)措施。為了更好地順應(yīng)全天候的電力巡檢工作需要，主控單元與各個(gè)檢測(cè)組件需要放置于密閉的空間環(huán)境中。此外，為了提升屏蔽電磁場(chǎng)的效果，還應(yīng)確保密閉機(jī)箱同機(jī)械單元以及導(dǎo)線單元等始終處于等電位狀態(tài)。

2.5 通信模塊

通信是巡線機(jī)器人的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)巡線機(jī)器人與上位機(jī)之間的聯(lián)系，如若溝通不暢則有可能會(huì)導(dǎo)致架空線路存在的隱患無(wú)法得到及時(shí)的反饋，相關(guān)運(yùn)維管理工作無(wú)法及時(shí)落實(shí)，從而埋下重大隱患。由此確保通信可靠、有效十分必要。一般而言，巡線機(jī)器人的通訊單元主要包含信息收發(fā)單元以及圖像無(wú)線傳輸單元等構(gòu)成，此外還支持與地面遙控基站等的數(shù)據(jù)傳輸以及圖像傳輸?shù)葢?yīng)用需要。

2.6 巡檢掃描模塊

包括科學(xué)合理的機(jī)械架構(gòu)、有效的控制單元以及準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位模塊等均是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完成精準(zhǔn)掃描檢測(cè)任務(wù)的前提。為了能夠可靠的面向桿塔、導(dǎo)線以及絕緣子等相關(guān)電氣設(shè)備的巡檢排查工作，需要為巡線機(jī)器人搭載必要的掃描檢測(cè)模塊，包括紅外檢測(cè)模塊以及可見光相機(jī)、掃描云臺(tái)等等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)架空線路外觀、內(nèi)在故障等的全方位掃描檢測(cè)。

2.7 電源與屏蔽封閉機(jī)箱

為了進(jìn)一步降低巡線機(jī)器人的重量，因此無(wú)法攜帶重量過(guò)高的電源模塊，一般采用蓄電池的方案。在機(jī)器人處于靜止以及運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，可能利用機(jī)械開合的方式完成取電作業(yè)，將高壓線路周邊的磁場(chǎng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可用的電能形式，并為蓄電池供電。對(duì)此，需要采取必要的防雨以及防塵等措施。為更好地適應(yīng)各種惡劣天氣的使用需要，主控制模塊以及各個(gè)檢測(cè)單元大多安置于密閉的機(jī)箱環(huán)境中。此外，為了能夠在電氣中達(dá)到電磁場(chǎng)的有效屏蔽，機(jī)箱內(nèi)和機(jī)械系統(tǒng)以及導(dǎo)線均做成等電位方式。

3 巡線機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 智能化電網(wǎng)技術(shù)

在新型材料技術(shù)、電子科技技術(shù)以及人們環(huán)保理念的不斷提升大環(huán)境下，智能電網(wǎng)理念逐漸進(jìn)入公眾視野，且毫無(wú)疑問(wèn)是未來(lái)全球電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。2003年美國(guó)率先對(duì)其國(guó)內(nèi)電力行業(yè)提出了重大改革，要求在現(xiàn)代電力系統(tǒng)建設(shè)中融入更多的信息化技術(shù)，改革傳統(tǒng)老舊的電力設(shè)施基礎(chǔ)，推動(dòng)智能化電網(wǎng)的全面發(fā)展。國(guó)內(nèi)也于2009年正式提出了加強(qiáng)智能化電網(wǎng)建設(shè)的要求與發(fā)展目標(biāo)。新一輪的電改強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)運(yùn)行安全、可靠以及數(shù)字化發(fā)展，尤其強(qiáng)調(diào)有關(guān)電力設(shè)備等的數(shù)字化建設(shè)，利用更為前沿可靠的數(shù)字化技術(shù)提升對(duì)電網(wǎng)運(yùn)維管控力度，切實(shí)保障現(xiàn)代化電網(wǎng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)。

3.2 巡線機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

智能化電網(wǎng)背景下，會(huì)有更多的數(shù)字化技術(shù)參與電網(wǎng)運(yùn)維管理過(guò)程，相對(duì)應(yīng)的對(duì)于巡線機(jī)器人的智能化要求也就更高。

（1）小型化、模塊化；架構(gòu)的小型化包含整個(gè)機(jī)械組成的小型化以及驅(qū)動(dòng)組件的輕量化等，基于更為前沿先進(jìn)的傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的更為小型化設(shè)計(jì)。此外，針對(duì)架空線路電壓等的不同，需要進(jìn)一步拓展巡線機(jī)器人的功能組成，以利于其可以結(jié)合不同的使用環(huán)境發(fā)揮不同的功用。

（2）導(dǎo)航、定位、控制更為先進(jìn)，架空線路的巡線機(jī)器人應(yīng)當(dāng)可以更好地結(jié)合不同的使用場(chǎng)景靈活地行走應(yīng)對(duì)，自如地跨越各個(gè)障礙，同時(shí)在抵御電磁干擾以及風(fēng)力、外力等因素方面也有一定的作用效果。對(duì)此，需要巡線機(jī)器人兼具更為精準(zhǔn)以及可靠的導(dǎo)航定位技術(shù)以及強(qiáng)魯棒性的行走姿態(tài)控制機(jī)制。通過(guò)更為科學(xué)有效的算法，不斷加強(qiáng)導(dǎo)航定位等方面的性能。

（3）多感應(yīng)系統(tǒng)探傷檢測(cè)技術(shù)，未來(lái)對(duì)于巡線機(jī)器人可以同時(shí)搭載多樣化傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力線路的全方位掃描篩查。利用高可靠的信息融合技術(shù)提升各個(gè)傳感器彼此的配合，從而更為及時(shí)地發(fā)現(xiàn)當(dāng)前線路運(yùn)行存在的問(wèn)題，并進(jìn)行科學(xué)客觀的評(píng)估，為運(yùn)維管理人員等提供客觀的評(píng)估結(jié)果。

（4）分布式巡線機(jī)器人，雖然多感應(yīng)系統(tǒng)機(jī)器人有著多方面的優(yōu)勢(shì)性，但不可避免地需要更大的體積以及容積作為支持，復(fù)雜程度可想而知。微型獨(dú)立傳感器機(jī)器人的設(shè)計(jì)，面對(duì)不同線路的故障感應(yīng)模塊可以彼此配合，同樣可以完成功能拓展應(yīng)用。諸如此類單傳感巡線機(jī)器人其功能相對(duì)單一，由此可以大大降低機(jī)器人的體積以及架構(gòu)，同時(shí)也降低了整個(gè)研發(fā)的投入。另外，加強(qiáng)各個(gè)微型機(jī)器人之間的協(xié)同配合，可以使得整個(gè)機(jī)器人群體實(shí)現(xiàn)高流暢性的智能化配合，同時(shí)信息交互與共享，提升線路檢測(cè)的靈敏度以及可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，巡線機(jī)器人的出現(xiàn)與應(yīng)用，很好的取代了傳統(tǒng)人工的作業(yè)形式。無(wú)論是檢測(cè)的效率層面還是精度方面均有了顯著的提升。可以說(shuō)巡線機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用時(shí)未來(lái)電力行業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容之一。隨著智能化電網(wǎng)理念的不斷成熟，巡線機(jī)器人的需求勢(shì)必也會(huì)進(jìn)一步增加，對(duì)其技術(shù)要求也會(huì)更高。相比于西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)在巡線機(jī)器人方面的發(fā)展仍有差距?；诖?，對(duì)于從業(yè)人員應(yīng)當(dāng)始終保持艱苦奮斗的精神，不斷的學(xué)習(xí)借鑒成功技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，綜合國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，創(chuàng)新發(fā)展，不斷完善巡線機(jī)器人技術(shù)，推動(dòng)智能化電網(wǎng)建設(shè)總目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。