輸電線路的巡檢工作關(guān)乎整個電力系統(tǒng)的運行效率，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、高端制造等技術(shù)，在輸變電設(shè)備運維領(lǐng)域開展智能作業(yè)可以有效提升勞動生產(chǎn)率，降低人員勞動強(qiáng)度。

輸電線路具有跨度大、中間障礙物多等特點，國內(nèi)外的科研工作者做了大量研究，設(shè)計了很多電力線路巡檢機(jī)器人，并進(jìn)行了試驗。

有科研人員研制的巡檢機(jī)器人應(yīng)用于220kV單相線路巡檢，具有越障、圖像識別、自主行走、遠(yuǎn)程通信、自主上下塔桿等功能，制作的樣機(jī)運行效果良好，對后續(xù)的研究具有很高的參考價值。

有科研人員針對500kV線路設(shè)計可自主行走的巡檢機(jī)器人，具有跨越障礙物的功能，機(jī)械部分包含紅外相機(jī)和機(jī)器視覺檢測的安裝裝置，通過采集圖像數(shù)據(jù)檢測輸電線路、絕緣子、抗震錘及其他輸電設(shè)備的損壞情況，地面基站通過遠(yuǎn)程通信控制巡檢機(jī)器人。

有科研人員創(chuàng)新性地設(shè)計出具有除冰、在線充電等功能的巡檢機(jī)器人，同時，融合了多種傳感器對輸電線路、絕緣子、線路接頭、桿塔等進(jìn)行檢測，可實時進(jìn)行除冰工作，具有很高的參考意義。

有科研人員根據(jù)現(xiàn)場工作條件，提出巡檢機(jī)器人應(yīng)該具有自主行走、電池電量監(jiān)控、越障等功能，結(jié)合實際工況設(shè)計的巡檢機(jī)器人能同時滿足輸電線路異物檢查、線路斷股等缺陷檢測要求。

由上述研究可知，巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)點包括以下幾個方面：①具有越障爬坡功能、輕量化的巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計；②采用合適的傳感器，能快速檢測到故障點的檢測方式及控制算法；③環(huán)境信息量大，需要融合各個傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析判斷。

本文提出的電力線路巡檢機(jī)器人采用輕量化設(shè)計方案，具有自主越障功能，并通過多傳感器集成標(biāo)定與多通道融合技術(shù)，為電力線路巡檢提供豐富的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為電力大數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能電力線路巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括爬塔機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)及任務(wù)吊艙三個模塊。行走機(jī)構(gòu)及任務(wù)吊艙組成機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體，爬塔機(jī)構(gòu)與機(jī)器人本體是可分離的。爬塔機(jī)構(gòu)采用仿生式蠕動爬行方式，可跨越電塔橫梁，可將巡檢機(jī)器人本體從地面送到電塔上部順利實現(xiàn)掛載。爬塔機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖1 巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

圖2 爬塔機(jī)構(gòu)

任務(wù)吊艙內(nèi)部主要用于固定電氣控制部件，包括三維機(jī)載激光雷達(dá)miniVUX—1UAV、樹莓派控制板、數(shù)碼相機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、鋰電池、導(dǎo)航單元、電源轉(zhuǎn)換模塊、定位天線等，如圖3所示。

激光雷達(dá)的下端安裝面固定在定制的光滑安裝板上，機(jī)械開口，保證三維激光雷達(dá)的探頭裸露在外部，可以檢測到外部信息，通過合理布局，慣性導(dǎo)航單元與數(shù)碼相機(jī)的安裝面也固定在安裝板上。為了減少通信干擾，定位天線通過額外加工的支桿固定在方形外殼的上表面，電源開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)接口、接插件等分布在后端蓋的內(nèi)表面及線槽周邊。

圖3 電氣部件安裝示意圖

以架空電力線路巡檢機(jī)器人為主打產(chǎn)品的公司主要有廣東科凱達(dá)和國電南瑞公司。目前，兩公司的架空線路巡檢機(jī)器人在行走機(jī)構(gòu)方面主要采用兩臂式機(jī)構(gòu)，越障性能有限，且沒有配備相應(yīng)的上下塔機(jī)構(gòu)，機(jī)器人還需要采用人工吊裝的方式進(jìn)行掛載，機(jī)器人過于笨重，質(zhì)量達(dá)到50kg，對線路磨損較大。

本文設(shè)計的巡檢機(jī)器人，相較于上述兩公司產(chǎn)品，具有自主上下塔功能，真正實現(xiàn)了自主巡檢，機(jī)器人總體質(zhì)量可控制在30kg以內(nèi)，大大減少了行走輪對電線的磨損。

2 基于機(jī)器人操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system, ROS）軟件平臺的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)，連接電機(jī)驅(qū)動、電源管理部分，融合視覺、雷達(dá)等傳感器，構(gòu)建軟件框架，具有可操作性強(qiáng)、代碼靈活、數(shù)據(jù)傳輸效率高等優(yōu)點。任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)控制站上傳的任務(wù)文件或?qū)崟r指令執(zhí)行三維激光點云、定位定姿系統(tǒng)（position orientation system, POS）數(shù)據(jù)記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)獲取與同步采集，電氣控制框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制框圖

地面站可以分析巡檢日志，對巡檢的結(jié)果進(jìn)行回放，方便及時總結(jié)。地面站支持軟件模擬巡檢，以最小的代價，達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)控制站上傳的任務(wù)文件或?qū)崟r指令執(zhí)行三維激光點云、POS數(shù)據(jù)記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)獲取與同步采集。任務(wù)完成后地面站可通過有線或無線方式快速下載巡檢數(shù)據(jù)，包括原始點云數(shù)據(jù)、POS航跡數(shù)據(jù)、可見光照片、曝光同步數(shù)據(jù)及巡檢任務(wù)執(zhí)行日志文件等。

3 數(shù)據(jù)采集與融合

數(shù)據(jù)采集由傳感器集成部件完成，主要包括激光雷達(dá)、POS及正射數(shù)碼相機(jī)等部分，主要執(zhí)行三維激光點云、位姿數(shù)據(jù)、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)同步獲取。

三維激光雷達(dá)選用美國Riegl公司提供的三維機(jī)載激光雷達(dá)miniVUX—1UAV，具有小型化、精度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點，適合移動機(jī)器人、無人機(jī)等搭載。激光雷達(dá)通過多回波檢測、數(shù)字化回波信號、在線波形處理等技術(shù)，生成電力線路設(shè)備的高精度三維點云數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部控制器的自動分類和濾波，快速生成高程模型和數(shù)字表面模型，支撐后續(xù)的交叉跨越障礙物檢測、電力線路走廊三維可視化、電力線弧垂信息提取等研究。

定位定姿系統(tǒng)作為激光掃描空間位置姿態(tài)元素測量的基準(zhǔn)，對三維激光點云坐標(biāo)的計算起著非常重要的作用，其測量誤差直接影響電力線路及相關(guān)設(shè)備點云數(shù)據(jù)的精度。

本文綜合考慮精度、體積、質(zhì)量、成本等因素，采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS）的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，將具有高精度定位功能的GNSS接收機(jī)與穩(wěn)定的慣性測量單元（inertial measurement units, IMUs）進(jìn)行組合，可實時提供可靠、高精度的位置、速度、姿態(tài)等信息。在短期時間內(nèi)，即使導(dǎo)航衛(wèi)星信號受遮擋或因故障不可用時，組合導(dǎo)航系統(tǒng)仍可提供連續(xù)可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。組合導(dǎo)航精度見表1。

表1 組合導(dǎo)航精度

正射數(shù)碼相機(jī)主要實現(xiàn)正射影像采集，為輔助點進(jìn)行電力線故障信息提取和定位提供高分辨率的基礎(chǔ)影像資料。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程如圖5所示，三維激光雷達(dá)的點云數(shù)據(jù)、數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字影像數(shù)據(jù)、定位模塊的位姿數(shù)據(jù)實時同步采集，保存到樹莓派控制器中，通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴挠嬎闫脚_，實現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的融合計算處理，并實時構(gòu)建傳輸線路電氣設(shè)備的三維模型。

在三維模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力線、走廊地物、電塔及其他設(shè)備的特點，分析提取故障點的特征，并建立故障模型數(shù)據(jù)庫，為進(jìn)一步的電力線路數(shù)據(jù)分析及深化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。后續(xù)，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)電力線路及相關(guān)設(shè)備的可視化及危險點、故障點等檢測。

圖5 數(shù)據(jù)處理過程

4 樣機(jī)與測試

本項目設(shè)計制作的巡檢機(jī)器人尺寸為1923mm× 720mm×968mm，總質(zhì)量≤30kg；定位精度：平面及高程＜10cm；運動速度精度：0.04m/s；掃描視場角為330°；遙控距離≥350m；相機(jī)像素：全畫幅5 060萬。目前，已制作出實驗樣機(jī)，如圖6所示。傳感器與控制系統(tǒng)的精度滿足測試的需求。后續(xù)，將與當(dāng)?shù)氐碾娍圃郝?lián)合測試巡檢機(jī)器人，并在實際測試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計、控制算法等。

圖6 實驗樣機(jī)

5 結(jié)論

本文分析了電力線路巡檢機(jī)器人的功能需求，設(shè)計并制作了實驗樣機(jī)，具有如下優(yōu)勢：

1）采用輕量化的巡檢機(jī)器人設(shè)計方案，具有自主爬塔功能，替代了現(xiàn)存的人工吊裝上下塔的方式，真正實現(xiàn)機(jī)器人自動巡檢功能。

2）基于ROS的電氣控制系統(tǒng)，開放性好，功能擴(kuò)展方便。

3）引入多源數(shù)據(jù)的自動自標(biāo)定融合，極大地簡化了后續(xù)數(shù)據(jù)處理流程，為電力線路準(zhǔn)實時全景重構(gòu)和動態(tài)數(shù)據(jù)管理提供技術(shù)支撐。

本文編自2022年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“智能電力線路巡檢機(jī)器人的設(shè)計與實施”，作者為錢丹楊、周衛(wèi)華 等，本課題得到2021年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃和臺州市科技計劃項目的支持。