淺談輸電線路巡檢中智能機器人的應(yīng)用

陳文棟，劉興華，牛丙震，張曉，劉宏光，段立進

（國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255200）

在行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的今天，輸電線路巡檢不能再局限在傳統(tǒng)的工作模式下，而應(yīng)該積極將嶄新的技術(shù)應(yīng)用起來，如智能機器人，通過智能機器人的使用，可實現(xiàn)巡檢的自動化、智能化。很多地區(qū)的輸電線路巡檢中，智能機器人的應(yīng)用取得了顯著的成效，隨著機器人研究的增多，智能機器人的功能越發(fā)完善，在未來必將在輸電線路巡檢中得到更廣泛的使用。

1 當前電網(wǎng)巡檢方式

在電力工程領(lǐng)域，輸電線路巡檢是重點性的工作，就現(xiàn)階段的巡線方式來看，包含地面目測法、航測法和機器人巡檢法幾種，但這幾種方式相比較，地面目測法和航測法因為固有的工作模式限制，在具體的應(yīng)用過程中還存在著一定的問題。首先，以地面目測法為例，在這種方式下，需利用人的肉眼對轄區(qū)內(nèi)的輸電線路實施觀測，由于輸電線路的分布復(fù)雜，面臨的環(huán)境條件惡劣，巡檢工作量大，需投入大量的巡檢人員，才能夠完成巡檢工作，且耗時長，一些巡檢工人還需翻山越嶺、涉水過河，工作效率低且可靠性不足。其次，以無人機航測法為例，在這種方式下，包含有直升機、無人機巡檢的方式，如果在輸電線路巡檢的過程中采用的是無人機巡檢的方法，無人機一般會與線路保持一定的距離，而這大大降低了巡檢精度，總體來看，無人機巡檢時有安全距離要求且巡航時間短，直升機巡檢同樣有距離要求，且在巡檢時往往會受到天氣因素的干擾，如果天氣條件相對惡劣，將無法開展巡檢工作，且利用航測法開展的巡檢工作，成本消耗較高。最后，機器人巡檢方式可克服前兩種巡檢方式的弊端，通過智能機器人的配置，可精準識別故障。

2 智能機器人特點及構(gòu)成

信息時代到來后，關(guān)于機器人領(lǐng)域的研究越來越多，各種智能化技術(shù)為機器人提供了技術(shù)支持。就現(xiàn)階段市場上的智能機器人來看，在物聯(lián)網(wǎng)條件下可達到遠程控制的目標，在大數(shù)據(jù)支持下，機器人中包含有智能自學(xué)習(xí)系統(tǒng)、任務(wù)模塊和智慧電源系統(tǒng)，在利用這一機器人開展輸電線路巡檢時，可直接將其懸掛在線路上實施巡檢，巡檢的過程中可在物聯(lián)網(wǎng)條件下將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)中心，而數(shù)據(jù)中心接收到了數(shù)據(jù)后，可開展對應(yīng)的處理，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)條件，有關(guān)人員可利用電腦終端，對智能機器人開展實時監(jiān)測與遠程控制。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)下的高效遠程控制

智能機器人獨有的功能特點和技術(shù)優(yōu)勢，決定了其在輸電線路巡檢方面具有極高的便捷性，利用智能機器人可由機器人自動巡檢，巡檢的過程同步采集了信息，在移動網(wǎng)絡(luò)條件下，這些信息可實時上傳到后臺數(shù)據(jù)中心，在此中心自動存儲。由于智能機器人在巡檢時承擔了大部分的任務(wù)，機器人的運行情況關(guān)乎巡檢工作能否順利開展，就需總控中心實時監(jiān)控機器人的運行狀態(tài)。但利用智能機器人所巡檢到的故障，一些可利用智能機器人自動完成處理，但部分問題卻需專業(yè)的維修人員深入現(xiàn)場加以處理，維修人員要掌握相應(yīng)的信息，需利用PC端或者APP來實現(xiàn)。

2.2 靈活多變的任務(wù)模塊

智能機器人系統(tǒng)內(nèi)，包含有多個任務(wù)模塊，各個任務(wù)模塊在機器人的巡檢中，承擔著各自的職責，既存在一定的工作獨立性，不同任務(wù)模塊之間又保持著工作的協(xié)調(diào)性。根據(jù)實際經(jīng)驗，一般需包含更換金具維修、除冰、額外探測等多個模塊，在具體巡檢時，不同模塊可發(fā)揮各自的作用。

2.3 智慧電源系統(tǒng)

智能機器人在工作時的動力由電池來完成，在機器人系統(tǒng)內(nèi)，智慧電源系統(tǒng)為不可或缺的部分，可設(shè)計為雙供電形式，在為帶電線路運行條件時，為動線供電，并同步向鋰電池充電，充電任務(wù)完成后才可停止充電；一旦系統(tǒng)運行到帶故障線路時，由鋰電池供電，這種電源系統(tǒng)的設(shè)計，可在智能機器人的運行需求，對供電加以調(diào)節(jié)，保障電池處于最佳的條件。

2.4 智能自學(xué)習(xí)系統(tǒng)

在利用智能機器人開展巡檢任務(wù)時，機器人中的數(shù)據(jù)采集模塊不僅可自動采集信息，更可保障這些數(shù)據(jù)的傳輸實時性，確保數(shù)據(jù)中心可接收到完整且準確的信息，由數(shù)據(jù)中心完成備份并開展相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，依據(jù)對數(shù)據(jù)分析結(jié)果的掌握，在原有基礎(chǔ)上調(diào)整機器程序，因為有通信系統(tǒng)的保障，即使機器人不返回總控中心，也可將這些程序指令發(fā)送給其他機器人，讓他們在程序指令下安排工作。

2.5 動力部分和電氣系統(tǒng)

在智能機器人中，動力部分和電氣系統(tǒng)必不可少，在此部分包含有兩個機械臂、V型輪軸承和驅(qū)動電機，機器人所采集的圖像，可在高清廣角攝像頭支持下傳輸，即使為長距離傳輸，同樣可高質(zhì)量傳輸。在機器人的電氣系統(tǒng)中，通信、傳感、電磁屏蔽和缺陷檢測是關(guān)鍵性的構(gòu)成部分，對通信子系統(tǒng)來說，在有4G或者5G信號的情況下，可直接使用4G或者5G網(wǎng)絡(luò)，對于一些偏遠地方來說，可能面臨信號缺失的問題，即使在一些特殊地段的信號較差或者完全無信號，也可利用沿線所架設(shè)的700MHz無線網(wǎng)絡(luò)，滿足機器人巡檢時的通信條件要求。因為信息時代的到來，計算機信息技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，原有的通信條件暴露了諸多的弊端，可在通信系統(tǒng)內(nèi)添加動線載波通信，構(gòu)建更為完善且先進的通信網(wǎng)絡(luò)。在傳感子系統(tǒng)內(nèi)，配備的現(xiàn)代化設(shè)備較多，如超高清4K可見光攝像機、紅外攝像機、紫外攝像機、fpv圖傳系統(tǒng)，這些設(shè)備的配置，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準采集。而電氣系統(tǒng)中的電磁防護子系統(tǒng)，則是為了減弱電磁干擾，使機器人在運行時可免受電磁干擾，為提高抗干擾能力，可使用屏蔽雙絞線、瞬變二極管。缺陷檢測子系統(tǒng)的配置，可在智能機器人的巡檢工作中，實現(xiàn)對輸電線路中銹蝕、缺失、移位、缺損問題的識別。

3 輸電線路巡檢中智能機器人的應(yīng)用

3.1 自主越障

（1）自主越障需求分析。對于智能機器人來說，越障是一個難點，在當前的輸電線路巡檢中，機器人巡檢路徑為架空地線，通過對地線的改造和調(diào)整，智能機器人能夠在線路上自由穿越和行駛。機器人在巡檢中的運動包含2種路徑：直線段和越障。越障就是機器人要通過桿塔，機器人自主爬坡和越障原理如圖1所示。在爬坡過程中，重點要開展機器人的滾動打滑檢測、控制，以通過對狀態(tài)與環(huán)境的感知，選擇最合適的爬坡策略，以達到機器人自適應(yīng)爬坡的要求；在越障過程中，系統(tǒng)可自動對障礙物加以識別，根據(jù)識別結(jié)果來進行越障規(guī)劃，確保在機器人越障的過程中，機器人的狀態(tài)可得到有效的控制。

圖1 自主爬坡及越障原理圖

智能機器人在輸電線路巡線中應(yīng)用時，越障是機器人運行過程中需克服的一大難點，結(jié)合實際的巡檢工作標準，防振錘、懸垂線夾、耐張桿塔塔頭，是較為常見的障礙物，對于不同類型的障礙物來說，機器人內(nèi)都應(yīng)該有一套相對完整的越障動作，如果將各種障礙物組合起來，在機器人的越障設(shè)計中，嚴禁直接進行單一障礙物越障動作的疊加與串聯(lián)，主要是因為機器人的運行是一個復(fù)雜且動態(tài)化的過程，隨著運行狀態(tài)的變化，越障動作序列也將同步發(fā)生一定的調(diào)整，在越障動作設(shè)計時，需開展對應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化。

在自主越障設(shè)計過程中，可將桿塔和防振錘組合起來，開展越障設(shè)計，在這種統(tǒng)一的越障設(shè)計下，當機器人處于運行狀態(tài)時，所面臨的障礙物也就僅僅包含直線段和桿塔。

（2）面向?qū)ο蟮目刂葡到y(tǒng)設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計是智能機器人方面需關(guān)注的一個重點方面，為使機器人可以在運行和使用的過程中達到自主越障的目標，一般應(yīng)有相對簡化的架構(gòu)，否則，一旦直接采用原先面向過程的架構(gòu)方法，很難達到理想的設(shè)計效果。在面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方式下，設(shè)計流程更為簡單，且后續(xù)的維修和操作都相對便捷，設(shè)計人員將機器人作為整體要素，在該對象內(nèi)配備有機構(gòu)、云臺攝像機、電機、傳感器、通信部分，這些構(gòu)成部分又由具有共同屬性的部件抽象為同一類對象。機器人的運動過程中，各個機構(gòu)對象之間的運動、消息之間存在著交互關(guān)系，有關(guān)人員在編程時，不需考慮底層的邏輯關(guān)系。在越障過程中，機構(gòu)對象會依次根據(jù)自身的運動狀態(tài)和結(jié)果，通知其他對象是否需要活動、什么時間活動，而對應(yīng)的對象在接收了這些信息以后，可自動對機器人開展姿態(tài)檢測，進而進行相應(yīng)的動作。

3.2 自主定位

智能機器人在輸電線路巡檢中的應(yīng)用，同樣需具備自主定位的功能，在機器人中配備有云臺設(shè)備，該設(shè)備的存在可輔助巡檢任務(wù)的完成，此設(shè)備不具備自主識別和定位的作用。在機器人的自主定位過程中，需由機器人中的編碼器、霍爾計數(shù)器、傾角傳感器的相互配合來負責，在不同設(shè)備的相互協(xié)調(diào)下，可得到線路信息，算法支持下也就可掌握桿塔的具體位置信息，此信息為空間方面的信息，通過信息處理與轉(zhuǎn)化，能得到高精度的坐標信息。

（1）桿塔定位。輸電線路巡檢中的智能機器人應(yīng)用時，桿塔定位是重點性的工作，機器人在運行時，往往存在多個越障動作，在這些動作中，行走路徑的坡度并非一成不變，通過坡度變化趨勢的分析，也就可完成定位，原理如圖2所示。以直線塔為研究對象，在智能機器人巡檢的過程中，一旦機器人碰檢防振錘，也就進入了桿塔的穿越環(huán)節(jié)。對于電力網(wǎng)絡(luò)來說，架空線多為懸鏈線，機器人穿越時表現(xiàn)為上坡或者下坡兩種狀態(tài)。當碰檢防振錘以后，自動完成坡度值的檢測，在得到了坡度值的變化信息后，傾角傳感器將返回，呈現(xiàn)正值向負值的變化狀態(tài)，而在此過程中，中間過渡過程就是直線塔的原點，此點就是地線懸掛點。耐張桿塔與直線桿塔的定位方式一樣，定位的適用性強，精度高。

圖2 桿塔定位原理

（2）地線定位。桿塔定位結(jié)束后需開展地線定位，在機器人的運行過程中，沿線豎直平面上，行走過程包含水平和豎直兩個方向，此坐標系為機器人坐標系相對于桿塔坐標系的定位，技術(shù)思路與慣導(dǎo)系統(tǒng)相一致，機器人中的傳感器，可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并同步實施專業(yè)化處理，在不同方向上積分后，也就可得到二維方向上的數(shù)據(jù)。

（3）機器人坐標變換。機器人坐標變換，是將桿塔上巡檢點的坐標標注在機器人坐標系、云臺坐標系上的過程，當機器人處于定點巡檢狀態(tài)時，機器人的雙臂鎖緊固于線上，經(jīng)由定位過程，也就可得到機器人相對巡檢目標點的空間位置信息，與此同時，也可得到自身傾角、擺角的信息，經(jīng)由對這些信息的掌握，也就可確定在該時刻的位置信息，最后經(jīng)由空間坐標變換轉(zhuǎn)換到云臺坐標系中。桿塔上目標點的信息將直接存儲在機器人數(shù)據(jù)庫中，在智能機器人對輸電線路開展巡檢時，可依據(jù)桿塔信息調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從而將目標點信息轉(zhuǎn)換到云臺坐標系中。在云臺得到了巡檢目標點的信息后，機器人可更具運動本身的運動規(guī)則實施對應(yīng)的變換，在此變換中，云臺視場角中心應(yīng)處于巡檢目標點，也就可實現(xiàn)定點巡檢。

3.3 自主故障診斷與復(fù)位

（1）機器人故障分類。智能機器人在用于輸電線路巡檢時，一旦機器人發(fā)生了故障，必然導(dǎo)致巡檢工作無法正常開展。因此，對智能機器人來說，自主故障診斷和復(fù)位應(yīng)該是關(guān)鍵的功能，依據(jù)對故障處理方法的區(qū)別，主要以自恢復(fù)故障、可替換故障、需修復(fù)故障為主。當出現(xiàn)了可自恢復(fù)故障時，機器人中的有關(guān)模塊可自動排查故障；而可替換故障主要是機器人在出現(xiàn)了故障以后，能夠自動采取替換方案，來減小故障所造成的危害；當機器人出現(xiàn)了需修復(fù)故障后，機器人一般無法正常使用，需停止巡檢工作由人工處理機器人的故障。

（2）機械故障診斷與修復(fù)。在智能機器人使用中，機械故障相對常見，這類型故障多表現(xiàn)為機械傳動部件之間的約束，這種約束下，機構(gòu)無法正常使用。當驅(qū)動單元驅(qū)動展臂機構(gòu)運動時，智能機器人檢測到的驅(qū)動器反饋計數(shù)，不呈線性變化關(guān)系，未產(chǎn)生傳感器限位信號，當出現(xiàn)了這一方面的表現(xiàn)后，意味著機器人展臂機構(gòu)被鎖死，在檢測到了這一方面的故障后，控制系統(tǒng)停止運行，應(yīng)由專人來處理。

4 結(jié)語

智能機器人在輸電線路巡檢中有著多方面的優(yōu)勢，為保障巡檢工作的高效開展，在實際的巡檢中，需配備智能機器人，用智能化巡檢取代人工巡檢。未來的工作中，需加大對智能巡檢機器人的研究，保障智能巡檢機器人的性能和功能。