摘 要：電力線巡檢首先在直升機(jī)巡檢領(lǐng)域得到自動(dòng)化，近年來(lái)又在飛行機(jī)器人和爬行機(jī)器人領(lǐng)域得到飛速發(fā)展。不同類型的機(jī)器人在設(shè)計(jì)需求、巡檢質(zhì)量、自主性和通用性等方面各有利弊，在應(yīng)用領(lǐng)域呈互補(bǔ)關(guān)系。文章闡述自動(dòng)直升機(jī)巡檢、飛行機(jī)器人巡檢、爬行機(jī)器人巡檢技術(shù)的發(fā)展概況，目的是展示電力線巡檢機(jī)器人領(lǐng)域的重要成就，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，對(duì)電力線巡檢機(jī)器人的發(fā)展前景做出展望。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；電力線巡檢；飛行機(jī)器人；爬行機(jī)器人

供配電中斷將導(dǎo)致電力生產(chǎn)者、銷售者及消費(fèi)者的巨大損失，最小化電力線故障具有重要意義。為了盡早檢出缺陷并高效維護(hù)，配電網(wǎng)絡(luò)需要定期巡檢。在過(guò)去二十年中，電力線自主巡檢領(lǐng)域開展了大量卓有成效的研究。本文闡述了直升機(jī)輔助巡檢、飛行機(jī)器人巡檢、爬行機(jī)器人巡檢等電力線巡檢技術(shù)的發(fā)展概況及關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)需要解決的問(wèn)題做了總結(jié)，并對(duì)巡檢機(jī)器人的發(fā)展前景做出展望。

1 電力線缺陷

電力線缺陷發(fā)生在導(dǎo)線、絕緣子、電線塔桿及其它電力線設(shè)備中。鋼芯鋁制電纜上的兩種常見缺陷是鋁線腐蝕和機(jī)械損傷。導(dǎo)線表面鋁線斷裂可由視覺檢出，腐蝕問(wèn)題只能用特殊設(shè)備檢測(cè)或通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線升溫而得知。導(dǎo)線的機(jī)械損傷通常是由風(fēng)致振動(dòng)，斷線靠近夾子及其它配件。由于斷線鋒利，斷線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度很高，觸發(fā)了電暈效應(yīng)，這種效應(yīng)可通過(guò)紫外（ultraviolet，UV）相機(jī)有效檢測(cè)。

絕緣子缺陷根據(jù)絕緣子類型有所不同。玻璃絕緣子缺陷通?？赏ㄟ^(guò)視覺檢測(cè)。陶瓷絕緣子缺陷大多是因?yàn)楦g，相對(duì)較難檢測(cè)。檢測(cè)有缺陷的復(fù)合絕緣子也具挑戰(zhàn)性。視覺檢測(cè)是最常用的檢測(cè)技術(shù)，其它檢測(cè)方法是熱成像儀、UV相機(jī)。

塔桿、塔線設(shè)備（隔離器、夾具、阻尼器、滅弧角等）及周圍植被都需要定期檢查。塔桿和塔線設(shè)備會(huì)老化或被人為破壞，植被也可能成為大問(wèn)題，因?yàn)橥ǔ淠久磕觊L(zhǎng)高約50cm，有些樹甚至每年可長(zhǎng)高400cm。因此，植被與輸電線之間的距離需要定期檢查。

2 自動(dòng)直升機(jī)輔助巡檢

直升機(jī)巡檢采用陀螺穩(wěn)定吊艙、紅外熱成像儀和可見光成像儀等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行超高壓輸電線路的巡檢操作，具有巡檢靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，能在第一時(shí)間為電網(wǎng)調(diào)度和開展設(shè)備狀態(tài)檢修提供真實(shí)全面的現(xiàn)場(chǎng)資料，大大提高了巡檢效率。

直升機(jī)輔助巡檢須實(shí)現(xiàn)自主電力線追蹤、針對(duì)電力線的視覺缺陷檢測(cè)和測(cè)量的安全距離。該距離及直升機(jī)振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)高質(zhì)量圖像的獲取產(chǎn)生影響。巡檢中更常用到小型直升機(jī)，因?yàn)樗艚?、能耗更少、可?shí)現(xiàn)空中懸停。若要執(zhí)行長(zhǎng)距離巡檢，直升機(jī)必須有足夠高的能效。直升機(jī)輔助巡檢的關(guān)鍵技術(shù)是位置控制、電力線自動(dòng)跟蹤、避障、通信、圖像采集、自動(dòng)故障檢測(cè)、測(cè)量安全距離、充電續(xù)航。

3 無(wú)人機(jī)巡檢

無(wú)人機(jī)巡檢和自動(dòng)直升機(jī)巡檢在一些方面有相似之處，這兩種方法都有一些共同的問(wèn)題，包括相機(jī)穩(wěn)定性、線桿追蹤和自主檢測(cè)故障等。無(wú)人機(jī)巡檢的評(píng)估報(bào)告顯示，無(wú)人機(jī)巡檢比徒步巡檢更快，又與昂貴的直升機(jī)巡檢精確度相同甚至比直升機(jī)巡檢更精確。無(wú)人機(jī)巡檢在技術(shù)上是可行的。

由D.I.Jones領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種視覺導(dǎo)航的配電網(wǎng)絡(luò)巡檢無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)子葉片不暴露，懸停和低速飛行非常有效。無(wú)人機(jī)裝配陀螺穩(wěn)定相機(jī)、導(dǎo)航和定位系統(tǒng)、處理圖像和其它傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)和充電系統(tǒng)。主要研究目標(biāo)是無(wú)人機(jī)位置和姿態(tài)控制、協(xié)助無(wú)人機(jī)飛越障礙物和飛近電力線的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 爬行機(jī)器人巡檢

電力線巡檢的另一種方法是沿導(dǎo)線爬行、可跨越各種障礙物的爬行機(jī)器人。該方法的主要優(yōu)勢(shì)是可實(shí)現(xiàn)近距離全線高精度巡檢，巡檢不受天氣及空域管制等影響，巡檢成本低。近距離檢測(cè)和低振動(dòng)水平大大提高了圖像采集的質(zhì)量。爬行機(jī)器人懸掛在導(dǎo)線上前進(jìn)，并可沿輸電線路跨越障礙，因此需要較復(fù)雜的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。機(jī)器人功能主要包括沿導(dǎo)線自主運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)視覺巡檢、至少半自主的障礙穿越（也即自主跨越已知或可預(yù)測(cè)的障礙）。

4.1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)和越障

武漢大學(xué)的吳功平教授團(tuán)隊(duì)提出了由2個(gè)小臂操作手機(jī)構(gòu)、1個(gè)公共的變長(zhǎng)大臂機(jī)構(gòu)、2個(gè)小臂與變長(zhǎng)大臂間各分別有1個(gè)繞鉛垂軸和水平軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)組成的雙臂協(xié)調(diào)移動(dòng)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在一根相線全程線路上的自主行駛運(yùn)動(dòng)（滾動(dòng)、爬行和跨越/避讓障礙物）。該機(jī)器人目前已在湖南、吉林等省示范運(yùn)行。

4.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是在機(jī)器人越障時(shí)提供導(dǎo)航。根據(jù)有關(guān)障礙物的傳感數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)應(yīng)能引導(dǎo)機(jī)器人跨越障礙。另一個(gè)重要問(wèn)題是消除機(jī)器人振動(dòng)。在風(fēng)和其它擾動(dòng)的影響下，電力線和爬行機(jī)器人都必然發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)引起圖像及機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)模糊，這些都會(huì)減小導(dǎo)線定位精度。

4.3 機(jī)器人傳感器

爬行機(jī)器人所用傳感器主要用于機(jī)器人控制、電力線巡檢和重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)（供電電壓、機(jī)器人內(nèi)部溫度等）。最重要的一個(gè)傳感器問(wèn)題是導(dǎo)線上的障礙物檢測(cè)和位置估計(jì)，這通常由距離傳感器完成。該方法雖易實(shí)現(xiàn)，但通常不能提供足夠信息以實(shí)現(xiàn)障礙物跨越。為自主跨越障礙，障礙物類型必須已知。

4.4 供電

電力線有望為巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)供電。有文獻(xiàn)提出經(jīng)由電力線磁場(chǎng)提取能量，具體方法是將磁性鐵芯安置在導(dǎo)線周圍，電力線中電流越大，轉(zhuǎn)移到次級(jí)線圈中的電能越多。

5 結(jié)束語(yǔ)

不同類型的巡檢機(jī)器人各有利弊，在關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)上有一些共通之處，在應(yīng)用領(lǐng)域呈互補(bǔ)關(guān)系。將來(lái)我們可能會(huì)看到集多種功能為一體的自主電力線巡檢機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)

[1]徐顯金.高壓線路沿地線穿越越障巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究

[D].武漢：武漢大學(xué)，2011.

[2]吳功平，肖曉暉，肖華，等.架空高壓輸電線路巡線機(jī)器人樣機(jī)研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（13）：90-93+107.

[3]S. Peungsungwal，B. Pungsiri，K. Chamnongthai and M. Okuda.Autonomous robot for a power transmission line inspection[C].in Proc. 2001 IEEE Int. Symp. Circuits Syst. （ISCAS 2001），2001.

作者簡(jiǎn)介：王麗楊（1980-），女，四川廣安人，副教授，研究方向：智能機(jī)器人，信息與系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)工程與技術(shù)。