徐東亮

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

【關(guān)鍵字】 架空 輸電線(xiàn)路 巡檢 機(jī)器人 障礙 路徑規(guī)劃

一、引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)高速全面發(fā)展，對(duì)能源的需求越來(lái)越大，超高壓大容量電力線(xiàn)路大幅擴(kuò)建，能源覆蓋面越來(lái)越廣。架空電力線(xiàn)路是將輸電導(dǎo)線(xiàn)用絕緣子和金具架設(shè)在桿塔上，使得導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地面和建筑物保持一定的距離，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的供電?；谠撎攸c(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電大多都會(huì)采用架空輸電線(xiàn)路。

然而，雖然架空輸電線(xiàn)路具有投資小、建設(shè)速度快、施工簡(jiǎn)單方便，但是當(dāng)其線(xiàn)路輸送中容量越大，輸送距離就越長(zhǎng)，要求線(xiàn)路的電壓也就越高，而此時(shí)輸電線(xiàn)路的阻抗能力逐步成反比，其存在的缺陷也越來(lái)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(xiàn)路的發(fā)展，輸電線(xiàn)路安全保障性也得到越來(lái)越多的關(guān)注，輸電線(xiàn)路的巡檢工作也就越發(fā)重要。

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

二、電力巡線(xiàn)機(jī)器人

2.1電力巡線(xiàn)機(jī)器人發(fā)展

在2002年以前，架空輸電線(xiàn)路早已出現(xiàn)，架空電力線(xiàn)路的主要巡檢方式還是依靠傳統(tǒng)的人工巡檢和直升機(jī)巡檢，基于這兩種巡檢方式，輸電線(xiàn)路的安全性能基本能夠得到保證。20世紀(jì)80年代末，日本、美國(guó)和加拿大等國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了不同用途的巡線(xiàn)機(jī)器人，如1988年?yáng)|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(xiàn)巡檢移動(dòng)機(jī)器人；1989年美國(guó)TRC公司研制了一臺(tái)懸臂自治巡檢機(jī)器人，能沿架空線(xiàn)路較長(zhǎng)距離地爬行，進(jìn)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺(jué)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(xiàn)路巡檢機(jī)器人進(jìn)行了越障結(jié)構(gòu)、檢測(cè)以及導(dǎo)航等方面的技術(shù)改進(jìn)。

2.2 電力巡線(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)

線(xiàn)路巡檢機(jī)器人是一套復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由機(jī)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(jī)箱和通信系統(tǒng)等幾部分組成。在整個(gè)巡檢機(jī)器人的發(fā)展歷程中，研究者也主要針對(duì)這些組成部分進(jìn)行了改進(jìn)。

2.2.1機(jī)械機(jī)構(gòu)

早在1989年左右，國(guó)外就開(kāi)始了對(duì)線(xiàn)路巡檢機(jī)器人的研制，并由無(wú)跨越功能的巡檢機(jī)器人發(fā)展到具有跨越障礙物功能，從驅(qū)動(dòng)方式上由輪式巡檢機(jī)器人歷經(jīng)仿生手臂機(jī)器人到輪臂復(fù)合式機(jī)器人再到多關(guān)節(jié)—輪臂復(fù)合式機(jī)器人。

典型的輪式機(jī)器人為在移動(dòng)體的兩端安裝有滑動(dòng)輪，中間形成溝槽，以嵌合電纜，實(shí)現(xiàn)在電纜上行走。此類(lèi)機(jī)器人只能在一檔線(xiàn)上工作，不具越障功能，而實(shí)際上輸電線(xiàn)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(jī)器人在行駛過(guò)程中的障礙物，為了完成整個(gè)線(xiàn)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(yùn)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(jī)器人，通過(guò)多個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)連接棒連接組成，在夾著電線(xiàn)的左右兩端是電磁鐵，其在移動(dòng)時(shí)，通過(guò)電磁鐵吸引力夾緊電線(xiàn)并移動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，從碰觸到障礙物最前端的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，依次切斷電磁鐵的電源開(kāi)關(guān)，這樣，觸碰到障礙物的電磁鐵關(guān)節(jié)就可以打開(kāi)，穿過(guò)障礙物，穿越過(guò)障礙物的電磁鐵再閉合開(kāi)關(guān)，再次通過(guò)磁鐵吸引力夾緊電線(xiàn)前行。由于結(jié)構(gòu)的限制，其可以跨越一些簡(jiǎn)單的障礙物。當(dāng)遇到桿塔時(shí)，則仍需人工進(jìn)行輔助搬運(yùn)，因此，并沒(méi)有徹底解決跨越障礙的功能。

手臂升降式巡檢機(jī)器人，本體上左右兩端分別具有一個(gè)仿生手臂，仿生手臂的頂端是夾爪，用來(lái)夾住電纜并行走，在遇到障礙物時(shí)，通過(guò)依次釋放左右兩端的夾爪以及配合升降裝置，使巡檢機(jī)器人逐步跨越障礙物，并再次依次夾緊電纜。該巡檢機(jī)器人由于夾爪的適應(yīng)性比較強(qiáng)，可以實(shí)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(dòng)；另一方面，對(duì)電纜的損害也比較大。

輪臂復(fù)合驅(qū)動(dòng)巡檢機(jī)器人，在移動(dòng)體兩側(cè)帶有兩個(gè)長(zhǎng)條形的臂膀，在正常移動(dòng)式，兩個(gè)臂膀不工作，僅僅由移動(dòng)體上的滑輪夾緊電纜進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，兩個(gè)臂膀頂端的夾爪機(jī)構(gòu)分別勾住障礙物兩端的電纜，釋放夾緊電纜的驅(qū)動(dòng)輪，使移動(dòng)體脫離電纜，移動(dòng)體順著臂膀形成的弧形軌道從一端滑行到另一端，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)體障礙物跨越，然后將移動(dòng)體的驅(qū)動(dòng)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(jī)器人結(jié)合了輪式機(jī)器人和仿生手臂機(jī)器人各自的優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)輪式巡檢機(jī)器人蠕動(dòng)行走功能又能實(shí)現(xiàn)仿生手臂式移動(dòng)機(jī)器人爬行的優(yōu)點(diǎn)，因此，在巡檢機(jī)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(jī)器人的供電設(shè)備，是巡檢機(jī)器人不可或缺的一部分。要保證巡線(xiàn)機(jī)器人在野外大范圍長(zhǎng)時(shí)間工作，必須提供持續(xù)可靠的電源。然而由于架空輸電線(xiàn)路巡檢機(jī)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(jī)器人本體或者借助線(xiàn)路本身進(jìn)行充電，并且由于承重限制，對(duì)充電裝置的改進(jìn)點(diǎn)很少。現(xiàn)有技術(shù)中巡檢機(jī)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(jī)充電和太陽(yáng)能充電。

獨(dú)立的蓄電池供電裝置由于受到體積和重量的限制，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間供電要求。因此，在電池電力不夠時(shí)，需要進(jìn)行電池更換。除了使用人工輔助從高壓輸電線(xiàn)上取下機(jī)器人更換電池，還可以通過(guò)使用電池箱空中對(duì)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(wèn)題。

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

由于巡線(xiàn)機(jī)器人一般沿大工作電流的電力線(xiàn)爬行，因此，就產(chǎn)生了直接從電力線(xiàn)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(xiàn)路上獲取感應(yīng)電流作為機(jī)器人的工作電源，從而解決了巡線(xiàn)機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力問(wèn)題。

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

2.2.3檢測(cè)技術(shù)

巡檢機(jī)器人主要目的是對(duì)線(xiàn)路中存在的損壞和斷線(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)手段可以分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。

傳統(tǒng)的線(xiàn)路檢測(cè)比如斷線(xiàn)問(wèn)題等，都是通過(guò)人工上線(xiàn)檢查或者使用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行視察，這些方法給人身安全帶來(lái)重大威脅，也容易造成檢查不準(zhǔn)確。為了解決人工檢測(cè)的安全性問(wèn)題，引入機(jī)器人巡檢，早在1988年，日本就已經(jīng)研制出通過(guò)在巡檢移動(dòng)體上設(shè)置投影檢測(cè)傳感器或縷檢測(cè)傳感器檢測(cè)電纜，使用照相機(jī)對(duì)故障電纜拍照并發(fā)送給地面基地，實(shí)現(xiàn)損傷巡檢。這類(lèi)檢測(cè)只能檢測(cè)電纜表面故障，針對(duì)該缺陷，研發(fā)了可對(duì)電纜深入檢測(cè)的巡檢機(jī)器人，典型的有兩類(lèi)。第一類(lèi)利用聲音判斷故障，該類(lèi)機(jī)器人沿電線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，使用敲動(dòng)錘不斷敲擊電線(xiàn)，從而通過(guò)麥克風(fēng)產(chǎn)生聲音，將該聲音信號(hào)與原設(shè)置的聲音信號(hào)進(jìn)行比較，如果聲音頻率有偏差則判定該線(xiàn)纜有損傷，該方法能夠檢測(cè)到肉眼看不到的電線(xiàn)損傷。另一類(lèi)機(jī)器人使用紅外技術(shù)檢測(cè)，該類(lèi)機(jī)器人本體上設(shè)置微型紅外光成像傳感器，用于確定機(jī)器人所在位置，觀察變壓器的局部放電、火花放電、及觀測(cè)部位的繞組變形；同時(shí)設(shè)置高指向紅外溫度傳感器檢測(cè)變壓器鐵軛、分接開(kāi)關(guān)及套管的可觀測(cè)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(kāi)關(guān)和套管的可觀測(cè)部位的圖像，采集的圖像信息直接送給無(wú)線(xiàn)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(cè)電纜故障，單一的檢測(cè)技術(shù)并不能完全滿(mǎn)足需求，因此，需要融合多種技術(shù)手段同時(shí)檢測(cè)。針對(duì)該需求，融合多種故障檢測(cè)裝置的巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，其通過(guò)超聲傳感器、高速球攝像機(jī)、CCD照相機(jī)及紅外熱成像儀等多種技術(shù)手段共同檢測(cè)電纜故障。

2.2.4導(dǎo)航與定位

巡線(xiàn)機(jī)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(lái)講有以下幾種：

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

視覺(jué)導(dǎo)航根據(jù)圖像獲取裝置如照相機(jī)、攝像機(jī)的個(gè)數(shù)分為單目視覺(jué)導(dǎo)航、雙目視覺(jué)導(dǎo)航以及多目視覺(jué)導(dǎo)航，其原理都是通過(guò)實(shí)時(shí)獲取圖像，并將其發(fā)送給控制站，由控制站判斷之后進(jìn)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(jī)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(guò)融合多種導(dǎo)航技術(shù)提高準(zhǔn)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(hào)被干擾時(shí)，則采用慣性導(dǎo)航，對(duì)DGPS的缺陷通過(guò)慣性導(dǎo)航來(lái)加以補(bǔ)充和改進(jìn)；又比如通過(guò)GIS-GPS模塊以及電磁傳感器陣列共同配合進(jìn)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(yǔ)

架空輸電線(xiàn)路巡檢機(jī)器人由于其安全性、工作效率等優(yōu)點(diǎn)在架空輸電線(xiàn)路中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在整個(gè)歷程發(fā)展中，隨著機(jī)械避障機(jī)構(gòu)、電源裝置、檢測(cè)技術(shù)以及導(dǎo)航與定位技術(shù)的不斷發(fā)展，巡檢機(jī)器人整體也得到改進(jìn)。現(xiàn)有的巡檢機(jī)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(cè)，并與地面控制站實(shí)時(shí)通訊，具有很大的應(yīng)用空間。

參 考 文 獻(xiàn)

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