徐東亮

【摘要】 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，對輸電線路安全運行和供電的可靠性要求不斷提高。架空輸電線路作為電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其安全穩(wěn)定運行對保證電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)良好運行有著決定性的作用。本文重點分析架空輸電線路巡檢機器人，從其結(jié)構(gòu)、功能、路徑規(guī)劃、障礙物識別等方面進行闡述，挖掘其發(fā)展歷程。

【關(guān)鍵字】 架空 輸電線路 巡檢 機器人 障礙 路徑規(guī)劃

一、引言

隨著全球經(jīng)濟高速全面發(fā)展，對能源的需求越來越大，超高壓大容量電力線路大幅擴建，能源覆蓋面越來越廣。架空電力線路是將輸電導(dǎo)線用絕緣子和金具架設(shè)在桿塔上，使得導(dǎo)線對地面和建筑物保持一定的距離，從而實現(xiàn)遠距離的供電?；谠撎攸c，對于遠距離輸電大多都會采用架空輸電線路。

然而，雖然架空輸電線路具有投資小、建設(shè)速度快、施工簡單方便，但是當(dāng)其線路輸送中容量越大，輸送距離就越長，要求線路的電壓也就越高，而此時輸電線路的阻抗能力逐步成反比，其存在的缺陷也越來越明顯，比如易受到風(fēng)雪和雷擊等自然因素的影響，從而容易引發(fā)各種安全事故。因此，隨著高壓甚至是超高壓輸電線路的發(fā)展，輸電線路安全保障性也得到越來越多的關(guān)注，輸電線路的巡檢工作也就越發(fā)重要。

目前，架空電力線路的巡檢主要分為三類，人工巡檢、飛行器巡檢以及智能機器人巡檢。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，采用智能化機器人進行電力線路的巡檢也逐漸引起關(guān)注。

二、電力巡線機器人

2.1電力巡線機器人發(fā)展

在2002年以前，架空輸電線路早已出現(xiàn)，架空電力線路的主要巡檢方式還是依靠傳統(tǒng)的人工巡檢和直升機巡檢，基于這兩種巡檢方式，輸電線路的安全性能基本能夠得到保證。20世紀80年代末，日本、美國和加拿大等國相繼開發(fā)了不同用途的巡線機器人，如1988年東京電力公司的Sawada等人研制了具有初步自主越障能力的架空地線巡檢移動機器人；1989年美國TRC公司研制了一臺懸臂自治巡檢機器人，能沿架空線路較長距離地爬行，進行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點、壓接頭等視覺巡檢任務(wù)，但其不具有越障功能；2004年后，隨著發(fā)展和需求，線路巡檢機器人進行了越障結(jié)構(gòu)、檢測以及導(dǎo)航等方面的技術(shù)改進。

2.2 電力巡線機器人系統(tǒng)

線路巡檢機器人是一套復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，主要由機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航與定位、巡視掃描裝置、電源與屏蔽封閉機箱和通信系統(tǒng)等幾部分組成。在整個巡檢機器人的發(fā)展歷程中，研究者也主要針對這些組成部分進行了改進。

2.2.1機械機構(gòu)

早在1989年左右，國外就開始了對線路巡檢機器人的研制，并由無跨越功能的巡檢機器人發(fā)展到具有跨越障礙物功能，從驅(qū)動方式上由輪式巡檢機器人歷經(jīng)仿生手臂機器人到輪臂復(fù)合式機器人再到多關(guān)節(jié)—輪臂復(fù)合式機器人。

典型的輪式機器人為在移動體的兩端安裝有滑動輪，中間形成溝槽，以嵌合電纜，實現(xiàn)在電纜上行走。此類機器人只能在一檔線上工作，不具越障功能，而實際上輸電線桿塔上存在防振錘、絕緣子、懸垂金具、壓接管等設(shè)備，這些都成為機器人在行駛過程中的障礙物，為了完成整個線路的巡檢，就需要由人工帶電作業(yè)將其從障礙物的一側(cè)搬運到另一側(cè)，這不僅影響了工作效率，而且也不安全。

關(guān)節(jié)機器人，通過多個關(guān)節(jié)點和多個連接棒連接組成，在夾著電線的左右兩端是電磁鐵，其在移動時，通過電磁鐵吸引力夾緊電線并移動，當(dāng)檢測到障礙物時，從碰觸到障礙物最前端的節(jié)點開始，依次切斷電磁鐵的電源開關(guān)，這樣，觸碰到障礙物的電磁鐵關(guān)節(jié)就可以打開，穿過障礙物，穿越過障礙物的電磁鐵再閉合開關(guān)，再次通過磁鐵吸引力夾緊電線前行。由于結(jié)構(gòu)的限制，其可以跨越一些簡單的障礙物。當(dāng)遇到桿塔時，則仍需人工進行輔助搬運，因此，并沒有徹底解決跨越障礙的功能。

手臂升降式巡檢機器人，本體上左右兩端分別具有一個仿生手臂，仿生手臂的頂端是夾爪，用來夾住電纜并行走，在遇到障礙物時，通過依次釋放左右兩端的夾爪以及配合升降裝置，使巡檢機器人逐步跨越障礙物，并再次依次夾緊電纜。該巡檢機器人由于夾爪的適應(yīng)性比較強，可以實現(xiàn)各種障礙物的跨越。但是仿生手臂夾爪一方面緊固性不夠，容易產(chǎn)生松動；另一方面，對電纜的損害也比較大。

輪臂復(fù)合驅(qū)動巡檢機器人，在移動體兩側(cè)帶有兩個長條形的臂膀，在正常移動式，兩個臂膀不工作，僅僅由移動體上的滑輪夾緊電纜進行移動，當(dāng)遇到障礙物時，兩個臂膀頂端的夾爪機構(gòu)分別勾住障礙物兩端的電纜，釋放夾緊電纜的驅(qū)動輪，使移動體脫離電纜，移動體順著臂膀形成的弧形軌道從一端滑行到另一端，實現(xiàn)移動體障礙物跨越，然后將移動體的驅(qū)動輪再次夾緊電纜，釋放臂膀兩頂端的夾爪裝置。輪臂復(fù)合式巡檢機器人結(jié)合了輪式機器人和仿生手臂機器人各自的優(yōu)點，既能實現(xiàn)輪式巡檢機器人蠕動行走功能又能實現(xiàn)仿生手臂式移動機器人爬行的優(yōu)點，因此，在巡檢機器人領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

2.2.2 電源技術(shù)

電源作為巡檢機器人的供電設(shè)備，是巡檢機器人不可或缺的一部分。要保證巡線機器人在野外大范圍長時間工作，必須提供持續(xù)可靠的電源。然而由于架空輸電線路巡檢機器人工作環(huán)境的特殊性，除了使用常規(guī)的蓄電池之外，只能依靠機器人本體或者借助線路本身進行充電，并且由于承重限制，對充電裝置的改進點很少?，F(xiàn)有技術(shù)中巡檢機器人的供電裝置大致分為：蓄電池、電流互感充電、燃油發(fā)電機充電和太陽能充電。

獨立的蓄電池供電裝置由于受到體積和重量的限制，不能滿足長時間供電要求。因此，在電池電力不夠時，需要進行電池更換。除了使用人工輔助從高壓輸電線上取下機器人更換電池，還可以通過使用電池箱空中對接裝置，取下舊電池，并安裝新電池。然而，電池的更換并不能徹底解決供電問題。

針對蓄電池的缺陷，部分研究者嘗試采用燃油發(fā)電機為機器人供電，但燃油發(fā)電機需攜帶油箱，工作時受環(huán)境影響大，可靠性差，重量大，因此，實際使用起來并不是很方便。

由于巡線機器人一般沿大工作電流的電力線爬行，因此，就產(chǎn)生了直接從電力線上獲取能源的耦合供電方式，采用電流互感器從爬行的輸電線路上獲取感應(yīng)電流作為機器人的工作電源，從而解決了巡線機器人長時間驅(qū)動的動力問題。

隨著太陽能充電技術(shù)的發(fā)展，使巡線機器人的供電裝置使用太陽能充電也成為了可能。

2.2.3檢測技術(shù)

巡檢機器人主要目的是對線路中存在的損壞和斷線問題進行檢測，根據(jù)檢測手段可以分為接觸式檢測和非接觸式檢測。

傳統(tǒng)的線路檢測比如斷線問題等，都是通過人工上線檢查或者使用望遠鏡進行視察，這些方法給人身安全帶來重大威脅，也容易造成檢查不準確。為了解決人工檢測的安全性問題，引入機器人巡檢，早在1988年，日本就已經(jīng)研制出通過在巡檢移動體上設(shè)置投影檢測傳感器或縷檢測傳感器檢測電纜，使用照相機對故障電纜拍照并發(fā)送給地面基地，實現(xiàn)損傷巡檢。這類檢測只能檢測電纜表面故障，針對該缺陷，研發(fā)了可對電纜深入檢測的巡檢機器人，典型的有兩類。第一類利用聲音判斷故障，該類機器人沿電線移動時，使用敲動錘不斷敲擊電線，從而通過麥克風(fēng)產(chǎn)生聲音，將該聲音信號與原設(shè)置的聲音信號進行比較，如果聲音頻率有偏差則判定該線纜有損傷，該方法能夠檢測到肉眼看不到的電線損傷。另一類機器人使用紅外技術(shù)檢測，該類機器人本體上設(shè)置微型紅外光成像傳感器，用于確定機器人所在位置，觀察變壓器的局部放電、火花放電、及觀測部位的繞組變形；同時設(shè)置高指向紅外溫度傳感器檢測變壓器鐵軛、分接開關(guān)及套管的可觀測部位的局部溫升，而微型攝像頭，用于采集變壓器內(nèi)部繞組、變壓器鐵軛、分接開關(guān)和套管的可觀測部位的圖像，采集的圖像信息直接送給無線傳輸模塊。

由于電纜損傷包括表面損傷以及內(nèi)部損傷，因此，為了全面檢測電纜故障，單一的檢測技術(shù)并不能完全滿足需求，因此，需要融合多種技術(shù)手段同時檢測。針對該需求，融合多種故障檢測裝置的巡檢機器人應(yīng)運而生，其通過超聲傳感器、高速球攝像機、CCD照相機及紅外熱成像儀等多種技術(shù)手段共同檢測電纜故障。

2.2.4導(dǎo)航與定位

巡線機器人的導(dǎo)航與定位，方式比較多樣化，大體上分可以分為全局導(dǎo)航和局部導(dǎo)航；單一技術(shù)導(dǎo)航和多技術(shù)融合導(dǎo)航。具體來講有以下幾種：

射頻標簽導(dǎo)航通過在電纜上部分位置設(shè)置RFID標簽，巡檢機器人上相應(yīng)設(shè)置標簽讀寫器，讀取標簽及相應(yīng)的編碼，根據(jù)編碼得到巡檢機器人所處的地理坐標，調(diào)整巡檢機器人移動路線和空間姿態(tài)。

視覺導(dǎo)航根據(jù)圖像獲取裝置如照相機、攝像機的個數(shù)分為單目視覺導(dǎo)航、雙目視覺導(dǎo)航以及多目視覺導(dǎo)航，其原理都是通過實時獲取圖像，并將其發(fā)送給控制站，由控制站判斷之后進行避障等路徑規(guī)劃。

除此之外，還有常用的GPS導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航以及磁導(dǎo)航等等。

雖然巡檢機器人的導(dǎo)航技術(shù)有很多，但是其都存在各自的缺陷，因此，可以通過融合多種導(dǎo)航技術(shù)提高準確度。比如可以組合使用DGPS和慣性導(dǎo)航技術(shù)，當(dāng)DGPS衛(wèi)星信號被干擾時，則采用慣性導(dǎo)航，對DGPS的缺陷通過慣性導(dǎo)航來加以補充和改進；又比如通過GIS-GPS模塊以及電磁傳感器陣列共同配合進行導(dǎo)航，能夠?qū)崿F(xiàn)全局導(dǎo)航和局部自主越障功能等等。

三、結(jié)束語

架空輸電線路巡檢機器人由于其安全性、工作效率等優(yōu)點在架空輸電線路中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在整個歷程發(fā)展中，隨著機械避障機構(gòu)、電源裝置、檢測技術(shù)以及導(dǎo)航與定位技術(shù)的不斷發(fā)展，巡檢機器人整體也得到改進?，F(xiàn)有的巡檢機器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在電纜上的自由行走、精度地提高故障檢測，并與地面控制站實時通訊，具有很大的應(yīng)用空間。

參 考 文 獻

[1] 張運楚，梁自澤，譚民.架空電力線路巡線機器人的研究綜述[J].機器人，2004，26（5）：467-473

[2] 周風(fēng)余，李貽斌，吳愛國等.高壓巡線機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2006，25（5）：623-626