大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)的設(shè)計

蔡光柱 楊 振 鄭鵬超

大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)的設(shè)計

蔡光柱 楊 振 鄭鵬超

（北京國網(wǎng)富達科技發(fā)展有限責任公司，北京 100071）

大跨越輸電線路往往地處臺風多發(fā)、振動強烈、鹽漬嚴重等惡劣自然環(huán)境中，為解決大跨越輸電線路日常無法人工巡檢的難題，本文設(shè)計一款大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)。該巡檢機器人本體通過越障裝置可從塔頭跨越到地線，進而沿地線開展巡檢工作；兩端塔頭上安裝有智能充電巢，可對機器人電池進行無線充電，解決機器人野外充電問題；RTK差分定位系統(tǒng)配合高精度行走碼盤，可實現(xiàn)機器人厘米級別精確定位，提高了機器人圖片、視頻采集的準確率；通過4G模塊，機器人可將自身狀態(tài)、輸電通道運行信息、圖片、視頻等傳輸?shù)椒?wù)器遠程監(jiān)測平臺，便于巡檢人員遠程實時查看線路運行是否正常。該機器人有效降低了輸電線路巡檢人員的勞動強度和工作危險性，實現(xiàn)了大跨越輸電線路的高精度自動化巡檢。

輸電線路；大跨越；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；無線充電；差分定位系統(tǒng)；遠程監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

為實現(xiàn)遠距離大功率的電能輸送，近年來國家電網(wǎng)公司大規(guī)模建設(shè)特高壓輸電網(wǎng)，輸電線路經(jīng)過的地理環(huán)境越來越復雜，往往地處臺風多發(fā)、振動強烈、鹽漬嚴重等惡劣自然環(huán)境中，輸電線路日常巡檢面臨巨大難度，有些大跨越線路甚至無法巡檢。

受自然條件限制，往往無法巡檢大跨越輸電線路，即使采用人工巡檢，受視角影響，也無法檢查高層設(shè)備；同時受巡視人員人數(shù)、技術(shù)水平及其他因素影響，巡視質(zhì)量參差不齊，對線路的巡視存在一定的局限性，無法實現(xiàn)全天候?qū)崟r監(jiān)測。在臺風、雨雪等特殊天氣條件下，人工巡檢存在較大安全風險，甚至無法開展人工巡檢；而且人工巡檢存在工作效率低、監(jiān)測質(zhì)量分散、手段單一等不足，檢測的數(shù)據(jù)也無法準確、及時地接入信息管理系統(tǒng)。目前各檢修公司面臨工作人員老齡化、新進員工少、巡檢人員嚴重不足的窘境，人工巡檢數(shù)據(jù)無法數(shù)字化，不利于后期處理。

為解決上述諸多問題，歐、美、日等眾多國外研究機構(gòu)和國內(nèi)一系列廠家均對輸電線路機器人進行了研究，20世紀90年代，加拿大魁北克研究人員提出“電力巡檢機器人”的構(gòu)想，日本東芝等公司和歐美科研院所也開始相關(guān)的科技研發(fā)工作。同時，我國科研人員也對此做了一系列研發(fā)工作。劉貞瑤等設(shè)計了一種新型越障裝置，解決了輸電線路機器人無法越障、無法實現(xiàn)全線路巡檢的問題，采用無線充電的方式，實現(xiàn)了鋰電池的野外無接觸式充電，提高了巡檢機器人的巡檢范圍[1]。多年來，吳功平團隊對輸電線路巡檢機器人進行系統(tǒng)性研究，對機器人的控制系統(tǒng)、越障方法、定位系統(tǒng)等進行了大量研究，提出一系列解決方案[2]。彭向陽等研發(fā)了穿越式、跨越式兩類巡檢機器人，提出機器人行走路徑改造方法，首次設(shè)計了機器人自動上下線裝置，并完成了機器人全自主巡檢系統(tǒng)的研 制[3]。李睿等引入基于物聯(lián)網(wǎng)框架的多傳感器融合算法，提出基于自抗擾控制技術(shù)的多機協(xié)調(diào)控制策略，并驗證了其可行性[4]。

受常規(guī)人工巡視和視頻監(jiān)控的限制，無法發(fā)現(xiàn)大跨越輸電線路導線上部和桿塔頂部的缺陷，難以實現(xiàn)精益化巡視，有必要采用巡檢機器人代替人工登塔巡檢?，F(xiàn)有的輸電線路巡檢機器人沒有針對大跨越線路進行設(shè)計，無法適應(yīng)大跨越輸電線路；且普遍存在功耗大、野外無法充電、定位不準確、檢測方式單一等缺點。綜合以上研究，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)低功耗技術(shù)，本文設(shè)計一種功耗低、能夠野外充電且定位精度高的大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)[5]，該機器人可實時采集大跨越輸電通道中金具、絕緣子、桿塔和線路走廊等信息，及時發(fā)現(xiàn)早期缺陷，從而實現(xiàn)大跨越輸電線路自動化巡檢，降低巡檢人員高空作業(yè)的危險性，可以有效解決現(xiàn)有大跨越輸電線路人工巡檢存在的問題，實現(xiàn)大跨越輸電線路數(shù)字化管理。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括RTK（real-time kinematic）差分定位[6]系統(tǒng)、充電駐留巢穴[7]、越障橋和機器人本體四部分。RTK差分定位系統(tǒng)安裝在塔頭最高處，用于接收GPS信號，機器人輪子上安裝有Sick高精度碼盤，與RTK差分定位系統(tǒng)結(jié)合，可以實現(xiàn)厘米級別的精確定位，便于實現(xiàn)機器人自動巡檢時的預(yù)置位設(shè)置；充電駐留巢穴前端裝有無線充電發(fā)射端，機器人利用碼盤和紅外裝置到達駐留巢穴，實現(xiàn)無線充電的精確對準，當發(fā)射端電壓符合設(shè)定值時，開啟平衡充電模式，對機器人電池過程進行智能化管理，解決電池組和電池相關(guān)的故障，如過電壓、欠電壓、過電流、短路電流、過載等。采用無線充電方式對機器人電池充電，解決了傳統(tǒng)有線充電方式易短路、接觸節(jié)點易磨損、易產(chǎn)生火花等問題。

圖1 機器人系統(tǒng)組成

巡檢機器人本體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，通過安裝在塔頭的越障裝置可以跨越地線上的防震錘行走到地線上，在大跨越鐵塔檔距之間行走[8]；為解決大跨越線路爬坡角度大的問題，選用Maxon高功率電機，配合Escon50/5驅(qū)動器，電機效率高于90%，最高功率可達170W；主動輪內(nèi)側(cè)裝有高摩擦系數(shù)的橡膠，從動輪和主動輪上下夾緊地線可以增大主動輪與地線之間的摩擦力，增強機器人的爬坡能力。為降低地線、桿塔振動帶來的不利影響，提高圖片、視頻的采集質(zhì)量，采用雙光三軸維穩(wěn)云臺。該維穩(wěn)云臺[9]帶有紅外雙光攝像頭，對導線和地線進行拍照，可以實時監(jiān)測線路溫度變化；所采集圖片通過圖傳模塊保存到地面手持端，巡檢人員可及時查看大跨越線路運行是否正常，另外，通過4G模塊可將機器人自身狀態(tài)和線路運行數(shù)據(jù)傳回電力公司集控中心，便于巡檢人員遠程監(jiān)測。

圖2中從動輪位于地線下方，在從動輪電機的驅(qū)動下可以上下運動，與主動輪一起構(gòu)成一個封閉框，保證機器人在任何時候不脫線，避免發(fā)生墜落事故；輔助攝像頭具有固定的向上視角，用于觀察地線及機器人主、從動輪的運行情況；機器人的外形采用圓弧形設(shè)計，有效降低了風阻。

圖2 巡檢機器人本體結(jié)構(gòu)示意圖

2 超低功耗模式設(shè)計

為有效延長鋰電池的使用壽命和工作時間，大跨越輸電線路巡檢機器人本體采用低功耗設(shè)計[10]。硬件采用最新STM32L5超低功耗MCU芯片，其專有的超低功耗技術(shù)可在性能和功耗之間實現(xiàn)最優(yōu)平衡，是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能設(shè)計中一款應(yīng)用廣泛的微控制器。

該機器人控制系統(tǒng)在軟件方面使用雙系統(tǒng)設(shè)計，在STM32L5芯片上移植物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT- Thread對巡檢機器人本體的本地通信、運動控制、傳感器采集及云臺控制等任務(wù)進行合理有效分配與管理，盡量降低系統(tǒng)功耗；ARM芯片上移植使用Linux系統(tǒng)，對巡檢機器人的自動巡檢、4G通信、圖片采集、發(fā)送及自動充電等任務(wù)進行管理；當巡檢任務(wù)結(jié)束或者機器人運動到充電巢穴時，進入非工作狀態(tài)關(guān)閉各傳感器、本地通信、圖像傳輸、電機、云臺等模塊的電源，僅保留與Linux系統(tǒng)及后臺服務(wù)器的通信模塊，使機器人系統(tǒng)進入低功耗休眠狀態(tài)，從而最大程度上降低機器人的功耗，有效延長電池工作時間，擴大機器人的巡檢半徑[11]。當機器人接收到巡檢指令或者滿足巡檢任務(wù)開啟條件時，機器人打開各傳感器、本地通信、圖像傳輸、電機、云臺等模塊的電源，進入自動巡檢狀態(tài)。相比于傳統(tǒng)巡檢機器人，本文采用低功耗模式設(shè)計，機器人系統(tǒng)功耗大大降低，延長了巡檢機器人電池使用壽命，巡檢半徑擴大三倍以上，可以達到大跨越輸電線路自動巡檢的要求。功耗對比見表1。

表1 功耗對比 單位：W

3 控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

3.1 機器人本體硬件設(shè)計

該機器人的控制系統(tǒng)采用嵌入式雙控制系統(tǒng)設(shè)計[12-13]，巡檢機器人本體能夠利用越障橋行走到地線上，進而在大跨越輸電線路檔距之間無障礙行走。當巡檢機器人本體行走到越障橋時，巡檢機器人本體攜帶的紅外開關(guān)能識別越障橋，將信號傳給STM32控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)壓力傳感器夾緊力，根據(jù)越障橋機械結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場風速、風力大小，調(diào)整過橋控制算法參數(shù)，實時調(diào)節(jié)電機輸出功率和壓力傳感器夾緊力大小，控制機器人主動輪電機運行方向和速度，順利平穩(wěn)行走到地線上；在地線上行走時，根據(jù)地線爬坡角度，實時調(diào)節(jié)電機輸出功率和速度，最大爬坡角度可達50°，滿足大跨越線路的要求?？紤]到大跨越輸電線路巡檢機器人的工作場景，無線通信必須確保其具有低功耗、高可靠性，綜合以上考慮，選用SX1262 LoRa芯片，用于巡檢機器人本體與地面手持端進行無線通信，其發(fā)射功率可調(diào)，傳輸距離長達十幾公里。該巡檢機器人本體可以跨越線路桿塔、防震錘等設(shè)備，采用機器人過橋控制算法，巡檢機器人本體能平穩(wěn)跨越越障橋，可在地線上實現(xiàn)上坡、下坡、越障等功能，進而實現(xiàn)大跨越線路內(nèi)自動化巡檢，如采集線路運行信息、定點采集圖片、視頻等。大跨越輸電線路巡檢機器人本體硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 大跨越輸電線路巡檢機器人本體硬件設(shè)計

3.2 無線充電管理

目前，機器人自動充電存在以下不足：①受到自動定位精度的限制，不易對準充電觸點；②有線充電要求充電觸點對接精確性高，增加了設(shè)計的復雜性；③充電觸點多次插拔，會引起機械磨損，導致接觸松動；④長期處于室外環(huán)境，充電觸點容易附著污物，導致接觸不良，也極易引起電路短路，嚴重影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性。鋰電池使用過程中最重要的就是充電，充電性能的好壞直接影響著鋰電池的使用壽命和電池性能，采用平衡充電模式可以有效提高電池充電效率，進而延長鋰電池的使用壽命[14]。

為解決以上問題，本文設(shè)計無線充電系統(tǒng)[15]，在塔頭安裝無線充電發(fā)射裝置，機器人上端安裝無線充電接收裝置和紅外定位裝置。為實現(xiàn)充電位置的精確定位，采用紅外開關(guān)和Sick高精度防水碼盤，利用Z相零位脈沖消除測量時的累計誤差。為實現(xiàn)鋰電池的自動平衡充電功能，本文基于TI公司生產(chǎn)的電量監(jiān)測計芯片組BQ40Z80，針對過電壓、欠電壓、過電流、短路電流、過載和過熱條件，以及其他與電池組和電池相關(guān)的故障，設(shè)計了鋰電池自動充電模塊，提供安全保護功能，可準確預(yù)計電池組的運行時間，最大限度延長電池運行時間和提高有效電池容量。鋰電池平衡充電過程如圖4所示。

圖4 鋰電池平衡充電過程

3.3 定位系統(tǒng)

GPS的定位精度受地球電離層、衛(wèi)星軌道誤差等因素影響，導致民用GPS的定位精度很差，其定位誤差達到幾米，巡檢機器人在進行大跨越輸電線路自動巡檢時，需要實現(xiàn)厘米級別定位，才能準確檢測電力設(shè)備運行狀況、采集到輸電走廊及其設(shè)備的清晰圖片、視頻，采用GPS定位無法滿足巡檢機器人自動巡檢定位的要求。因此，需要在塔頭安裝差分定位系統(tǒng)基準站，其采用雙頻載波相位差分技術(shù)[16]，即RTK，用于實現(xiàn)機器人自動巡檢時的厘米級別定位。首先塔頭基準站將觀測到的載波相位測量值和自身的坐標信息一起發(fā)送給機器人，機器人接收GPS模塊的載波相位和來自基準站的載波相位測量值，通過差分的方式，逐步消除機器人定位測量數(shù)據(jù)中的誤差，Linux系統(tǒng)實時處理相位差分觀測值，解算出巡檢機器人的行走坐標。其應(yīng)用依賴基準站的差分信號，利用差分定位把GPS模塊的各種誤差計算出來，將其與GPS對基準站的定位結(jié)果作比較，就可以得到定位信號的偏差，再將這個偏差發(fā)送給需要定位的巡檢機器人，就可以使巡檢機器人獲得相對精準的位置信號。

本文基于嵌入式Linux平臺設(shè)計了一種實用的載波相位差分技術(shù)，有效提高了巡檢機器人定位的準確性和精度。在大跨越輸電線路環(huán)境下進行測試，結(jié)果表明RTK定位系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，定位精度能夠達到厘米級別，滿足巡檢機器人預(yù)置位巡檢、拍照等實際要求，便于準確檢測電力設(shè)備運行狀況。RTK定位系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 RTK定位系統(tǒng)流程

3.4 遠程監(jiān)測平臺

為了減輕工作量，便于巡檢人員遠程實時監(jiān)測大跨越輸電線路運行狀況[17-18]，機器人通過4G無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器遠程監(jiān)測平臺進行通信，巡檢人員通過瀏覽器可以執(zhí)行以下命令：下發(fā)巡檢任務(wù)，查看機器人自身情況，查看輸電通道當前運行狀態(tài)，查看現(xiàn)場視頻圖片；實時展示線路、桿塔、機器人和機器人的位置等信息；查看最新的缺陷識別結(jié)果，導出缺陷報告。遠程監(jiān)測平臺如圖6所示。

4 模擬環(huán)境測試

輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)在大跨越輸電線路模擬環(huán)境下進行性能測試，巡檢機器人本體通過越障橋行走到大跨越檔距之間，其行走流暢，實時檢測電力設(shè)備運行狀況，雙光紅外攝像機可實時采集輸電走廊及電力設(shè)備的圖片，可對輸電線路下過往船只實現(xiàn)準確識別[19-20]，巡檢機器人系統(tǒng)模擬環(huán)境測試和性能測試分別如圖7和圖8所示。模擬測試數(shù)據(jù)見表2。目前大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)運行平穩(wěn)，充電流暢，定位準確，視頻傳輸實時性好，達到了項目研發(fā)設(shè)計的預(yù)期目標。

圖6 遠程監(jiān)測平臺

圖7 巡檢機器人系統(tǒng)模擬環(huán)境測試

圖8 巡檢機器人系統(tǒng)性能測試

表2 模擬測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一款大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)，其由駐留充電巢穴、越障裝置、差分定位系統(tǒng)、機器人本體和遠程監(jiān)測平臺五部分組成，具有如下 特點：

1）機器人電池采用無線模式進行充電，具有無金屬觸點、無需精確對準等特點，解決了室外有線充電接觸節(jié)點易磨損、易產(chǎn)生火花、充電對準困難等難點。

2）基于TI公司的電量監(jiān)測計芯片組，設(shè)計了鋰電池平衡充電模塊，實現(xiàn)了鋰電池平衡充電功能，有效延長了鋰電池的使用壽命。

3）利用RTK定位系統(tǒng)配合機器人行走碼盤，實現(xiàn)了巡檢機器人系統(tǒng)厘米級別定位，實現(xiàn)了大跨越輸電線路高精度全自動化智能巡檢。

4）搭載三軸維穩(wěn)云臺相機，提高了采集圖片的清晰度和穩(wěn)定性，利用其光學變焦功能可在空中看清地面物體的細節(jié)。

5）熱成像紅外吊艙可以實現(xiàn)雙光畫中畫顯示、測溫、可見光變焦、移動跟蹤等功能。

大跨越輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)在模擬線路運行測試，現(xiàn)場證明機器人行走平穩(wěn)，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了大跨越輸電線路的遠程監(jiān)測和自動化巡檢，提高了巡檢人員的工作效率和大跨越線路巡檢的智能化水平。

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Design of inspection robot system for large span transmission line

CAI Guangzhu YANG Zhen ZHENG Pengchao

(Beijing State Grid Fidelity Technology Development Co., Ltd, Beijing 100071)

Large span transmission lines are often located in the harsh natural environment, such as typhoon, strong vibration, serious salinity and so on. In order to solve the problem that large span transmission lines cannot be inspected manually, this paper designs a transmission line inspection robot system. The inspection robot can cross from the tower head to the ground wire through the obstacle device, and then carry out inspection work along the ground wire. Intelligent charging nests are installed on the tower heads at both ends of the long span, which can charge the robot battery wirelessly, and effectively solve the problem of robot charging in the field. RTK differential positioning system with high-precision walking code disk can achieve centimeter level accurate positioning of robot, and improve the accuracy of image and video acquisition of robot. Through the 4G module, the robot can transmit its own state, transmission channel operation information, pictures, videos, etc. to the server background, which is convenient for inspectors to check whether the line is running normally in real time. The robot effectively reduces the labor intensity and working danger of the inspectors of transmission lines, and realizes the high precision automatic inspection of large span transmission lines.

transmission line; large span; Internet of Things; wireless charging; differential positioning system; remote monitoring system

浙江省電力公司重點科技項目（5211NB1800LG）

2021-11-03

2021-11-22

蔡光柱（1988—），男，山東省禹城市人，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、線路巡檢機器人的設(shè)計開發(fā)工作。