輸電線路智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

劉姜鈞泰 秦丞

（昆明供電局信息中心 云南省昆明市 650011）

隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)于電力能源需求量在不斷增加，特高壓電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模在逐漸擴(kuò)大，與此同時(shí)，輸電網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜，這在一定程度上促使人工地面故障巡查難度系數(shù)大大提升。采用地上人工巡檢方式常常會(huì)由于遮擋、距離等因素干擾，難以有效確定絕緣子和相關(guān)的電氣設(shè)備是否處于良好的工作狀態(tài)。如果在一些特殊的氣象環(huán)境中，通常難以正常實(shí)施人工登塔巡檢，另外，通常在一些人員活動(dòng)密集區(qū)域輸電線路常常會(huì)受到外力破壞，采用人工巡檢方式根本無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路故障問題，而且不能及時(shí)制止輸電線路外力破壞問題。由此可見，輸電線路智能巡檢機(jī)器人代替人工巡檢方式的應(yīng)用有著重要的意義。

1 輸電線路巡檢機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電網(wǎng)工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，輸電線路巡檢工作量和難度系數(shù)在不斷提升，然而，現(xiàn)階段對(duì)于巡檢人員出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象，另外，采用人工巡檢方式無論是在質(zhì)量方面還是在效率方面與巡檢機(jī)器人的應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)。輸電線路機(jī)器人的開發(fā)研究已經(jīng)成為現(xiàn)階段的重要課題，得到了國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。

這種機(jī)器人在實(shí)際輸電線路巡檢應(yīng)用過程中有著良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是同樣存在著一些缺陷問題，通常主要表現(xiàn)在實(shí)用性相對(duì)較低，整體質(zhì)量相對(duì)較大，而且難以有效實(shí)現(xiàn)越障，無法長(zhǎng)時(shí)間投入運(yùn)行?；诖耍诒疚难芯亢驮O(shè)計(jì)的主要是微小型智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，而且整體質(zhì)量和體積相對(duì)比較小，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間在桿塔上工作，可高效完成相關(guān)的在線巡檢工作，能夠達(dá)到全新的可視化自動(dòng)巡檢效果，有效突破了現(xiàn)階段智能巡檢機(jī)器人的瓶頸問題。

2 總體設(shè)計(jì)

輸電線路巡檢機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中有著良好應(yīng)用效果，其系統(tǒng)通常由4 部分構(gòu)成，主要分別為本體、遠(yuǎn)程集控中心、越障橋以及駐留巢穴。首先，在機(jī)器人本體上搭載了無線路由器和高清攝像頭，通過無線路由器在一定程度上能夠促使輸電線路巡檢機(jī)器人所獲取的巡檢信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程集控中心，通過對(duì)高清攝像頭的搭載應(yīng)用在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)線和地線整體情況的拍攝，巡檢人員可通過所拍攝的內(nèi)容判斷輸電線路故障和隱患問題，以便及時(shí)解決。而且還能夠達(dá)到全線路無障礙行走，這主要是基于對(duì)架設(shè)越障橋方式的有效應(yīng)用；其次，遠(yuǎn)程集控中心主要是對(duì)機(jī)器人的控制和故障隱患識(shí)別并判斷，通常需要對(duì)所獲取的本體狀態(tài)數(shù)據(jù)以及所獲取的氣象數(shù)據(jù)展開深入的分析，與此同時(shí)，并依據(jù)其發(fā)出相應(yīng)的控制巡檢指令。通過對(duì)TensorFlow 技術(shù)對(duì)采集圖片的處理，在一定程度上能夠達(dá)到輸電線路故障及隱患問題的識(shí)別和判斷；駐留巢穴的作用主要是氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和機(jī)器人充電。駐留巢穴通常會(huì)將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程集控中心，從而保證遠(yuǎn)程集控中心機(jī)器人命令下達(dá)的科學(xué)性。主要是憑借太陽能充電的方式和對(duì)無線充電模塊的有效應(yīng)用，在處于駐留巢穴位置時(shí)，通過對(duì)傳感器檢測(cè)的有效應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)短路故障以及發(fā)射端電壓狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，如果判斷正處于正常狀態(tài)，那么將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)充電模式，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電的目的，在電池電壓達(dá)到一定的值時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉充電。在此環(huán)節(jié)主要是基于對(duì)無線充電技術(shù)的有效應(yīng)用，這在一定程度上促使其操作巡檢半徑更加廣泛，有效突破了火花、接觸節(jié)點(diǎn)磨損、充電短路等技術(shù)瓶頸問題。

表1：機(jī)器人狀態(tài)說明與切換條件

3 巡檢模式設(shè)計(jì)

機(jī)器人在輸電線路巡檢方面有著重要應(yīng)用意義，這種機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中可以長(zhǎng)時(shí)間駐留塔桿，在運(yùn)行工作過程中能夠跨越桿塔和沿地線行走。而且在實(shí)際應(yīng)用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制或者是手動(dòng)控制，能夠高效完成相關(guān)的自動(dòng)定期、全局巡檢工作，如果在人工控制的條件下，能夠高效完成實(shí)時(shí)、定點(diǎn)巡視，具有良好的應(yīng)用便利性。該機(jī)器人在實(shí)際工作過程中具有良好的視角，能夠高效完成對(duì)線路走廊、絕緣子、線路等全面的巡查，這主要是基于對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)預(yù)留位置的有效設(shè)置。

該機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行過程中通常主要有兩種運(yùn)行模式，分別為自動(dòng)巡檢模式、人工操作巡檢模式。首先，在前者的應(yīng)用環(huán)節(jié)通常需要對(duì)其休眠狀態(tài)喚醒時(shí)間段進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置，巡檢路線主要是從一端的駐留巢穴到達(dá)另一端駐留巢穴，自動(dòng)完成駐留巢穴之間線路的巡檢工作，在到達(dá)另一端駐留巢穴時(shí)，巡檢機(jī)器人則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入充電狀態(tài)，在巡檢完成時(shí)自動(dòng)進(jìn)行休眠，直到下一次巡檢任務(wù)的下達(dá)。機(jī)器人所采集的相關(guān)巡檢信息會(huì)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程操控中心，巡檢人員則可以定期對(duì)其進(jìn)行查看。在后者應(yīng)用過程中可以采用兩種方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，通常主要有現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程控制，這主要是基于對(duì)無線通信系統(tǒng)的有效應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)巡檢任務(wù)指令的發(fā)送。

該項(xiàng)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中通常主要包括返回充電狀態(tài)、空閑狀態(tài)、自動(dòng)巡檢狀態(tài)以及手動(dòng)控制狀態(tài)，在狀態(tài)切換過程中通常需要滿足表1 中的內(nèi)容。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

4.1 跨越越障橋

巡檢機(jī)器人在實(shí)際工作過程中無障礙行走則是最為基礎(chǔ)的要求，是保證巡檢工作有效開展和進(jìn)行的關(guān)鍵，在該項(xiàng)機(jī)器人應(yīng)用的主要是嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在該機(jī)器人進(jìn)行巡檢工作過程中遇到越障橋時(shí)，那么在這臺(tái)機(jī)器人中所搭載的紅外傳感器就會(huì)發(fā)揮作用，能夠準(zhǔn)確識(shí)別到越障橋信息，然后再將其反饋到控制系統(tǒng)，然后發(fā)出相應(yīng)指令促使越障裝置夾緊越障橋，然后在充分結(jié)合該機(jī)器人所處于的位置以及橋型結(jié)構(gòu)信息，通過相關(guān)的計(jì)算和分析對(duì)越障裝置夾緊程度進(jìn)行有效控制，通過這種方式能夠達(dá)到精準(zhǔn)上橋的效果；在橋上運(yùn)行環(huán)節(jié)，通常會(huì)結(jié)合機(jī)器人所受到風(fēng)的影響計(jì)算以及橋的結(jié)構(gòu)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)越障裝置夾緊程度進(jìn)行有效的控制；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通常會(huì)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性進(jìn)行有效的控制，這主要是為了確保機(jī)器人可以安全越障重回地線。機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行的過程中常常會(huì)遇到防震錘、桿塔等障礙物，然而通過對(duì)越障系統(tǒng)的有效應(yīng)用，都可以輕松地跨越障礙物，控制機(jī)器人高效完成相應(yīng)的爬坡、下坡環(huán)節(jié)?；趯?duì)控制算法的科學(xué)使用，大大提高了機(jī)器人過橋的流暢度。

4.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該機(jī)器人功能性的實(shí)現(xiàn)主要是基于對(duì)相關(guān)系統(tǒng)硬件的有效使用，在機(jī)器人中所使用的系統(tǒng)硬件設(shè)施相對(duì)較多，主要應(yīng)用的是雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且不同系統(tǒng)所發(fā)揮的作用也存在較大差異。在stm32芯片上主要應(yīng)用的是ucos 系統(tǒng)，其作用主要是實(shí)現(xiàn)云臺(tái)控制、運(yùn)動(dòng)控制以及傳感器數(shù)據(jù)采集等；其次，在arm 芯片上主要應(yīng)用的是Linux 系統(tǒng)，其功能主要是信息采集、信息傳輸、遠(yuǎn)程控制功能，這主要是基于與無線路由器通信技術(shù)的融合應(yīng)用；另外，如果發(fā)生故障問題，那么就可能導(dǎo)致機(jī)器人無法正常運(yùn)行，為可以有效避免故障問題的產(chǎn)生，arm 芯片和stm32 芯片建立起良好的通信關(guān)系，主要是基于串口方式的有效應(yīng)用，其頻率為0.1s，如果在運(yùn)行的過程中arm 芯片無法正常運(yùn)作，那么stm32 芯片則會(huì)重啟arm 芯片，反之，如果在運(yùn)行的過程中stm32 芯片無法正常運(yùn)作，那么arm 芯片則會(huì)重啟stm32 芯片，通過這種方式大大強(qiáng)化了機(jī)器人運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性；電源管理模塊的作用主要是實(shí)現(xiàn)電池充電，在此方面主要是基于對(duì)無線充電技術(shù)的有效應(yīng)用，相關(guān)電源管理工作的實(shí)施主要是基于對(duì)相關(guān)算法的有效應(yīng)用，在擴(kuò)展作業(yè)半徑和延長(zhǎng)電池使用時(shí)間方面發(fā)揮著不可替代的作用。運(yùn)動(dòng)控制單元的作用主要是對(duì)機(jī)器人的位置以及主動(dòng)輪速度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，以保障機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性；三軸高清維穩(wěn)云臺(tái)的作用主要是降低外界因素所產(chǎn)生的振動(dòng)影響，以保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。

4.3 上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件

通過對(duì)上位機(jī)軟件的有效應(yīng)用促使機(jī)器人具有狀態(tài)顯示、圖片采集等功能，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其有效的遙控操作，控制內(nèi)容主要有前進(jìn)、后退、停止，通常和機(jī)器人有著良好的通信關(guān)系，這主要是基于對(duì)無線串口的有效應(yīng)用。通過對(duì)上位機(jī)軟件的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人的有效控制，而且還能夠?qū)⒏咔逶婆_(tái)吊艙所獲取的相關(guān)重要信息存儲(chǔ)在手持終端位置，這在一定程度上為巡檢人員提供了有力的幫助，除此之外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人電池電量、傳感器狀態(tài)、運(yùn)行速度等具體信息的實(shí)時(shí)查看。

5 模擬環(huán)境測(cè)試

模擬環(huán)境測(cè)試環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，為了能夠保證輸電線路智能巡檢機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中可以穩(wěn)定運(yùn)行，那么則必須要對(duì)其進(jìn)行模擬環(huán)境測(cè)試。該機(jī)器人的測(cè)試場(chǎng)所在室內(nèi)，將模擬地線設(shè)置在了室內(nèi)，與此同時(shí)，還將雙軌越障橋安裝在模擬地線上方，在跨越越障橋測(cè)試方面取得良好成效，整體運(yùn)行效果始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，而且視頻傳輸具有良好的實(shí)時(shí)性，與預(yù)期目標(biāo)相符合。另外，還對(duì)其進(jìn)行了室外地線上的實(shí)驗(yàn)。其運(yùn)行性能始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，能夠順利穩(wěn)定通過越障橋。

6 結(jié)束語

輸電線路智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的有效應(yīng)用為輸電線路巡檢工作創(chuàng)造了許多便利條件，本文所研制的巡檢機(jī)器人主要是由本體、遠(yuǎn)程集控中心、越障橋、駐留巢穴等部分構(gòu)成，在實(shí)際應(yīng)用過程中能夠達(dá)到全線路無障礙自動(dòng)巡檢的效果，進(jìn)一步擴(kuò)大了其工作半徑。基于對(duì)stm32 和arm 系統(tǒng)的雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在一定程度上大大提高了機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，能夠達(dá)到故障系統(tǒng)重啟的效果。通過對(duì)無線充電模式的有效應(yīng)用，有效避免了火花、充電電路短路問題的產(chǎn)生。這種機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過程中操作便捷，促使人工巡檢和智能巡檢有機(jī)地結(jié)合在一起，從而為巡檢工作創(chuàng)造了許多便利條件