架空输电线路巡检机器人

徐东亮

【摘要】 随着社会经济的发展，电力系统规模不断扩大，对输电线路安全运行和供电的可靠性要求不断提高。架空输电线路作为电力系统中的重要环节，其安全稳定运行对保证电网结构和电力系统良好运行有着决定性的作用。本文重点分析架空输电线路巡检机器人，从其结构、功能、路径规划、障碍物识别等方面进行阐述，挖掘其发展历程。

【关键字】 架空 输电线路 巡检 机器人 障碍 路径规划

一、引言

随着全球经济高速全面发展，对能源的需求越来越大，超高压大容量电力线路大幅扩建，能源覆盖面越来越广。架空电力线路是将输电导线用绝缘子和金具架设在杆塔上，使得导线对地面和建筑物保持一定的距离，从而实现远距离的供电。基于该特点，对于远距离输电大多都会采用架空输电线路。

然而，虽然架空输电线路具有投资小、建设速度快、施工简单方便，但是当其线路输送中容量越大，输送距离就越长，要求线路的电压也就越高，而此时输电线路的阻抗能力逐步成反比，其存在的缺陷也越来越明显，比如易受到风雪和雷击等自然因素的影响，从而容易引发各种安全事故。因此，随着高压甚至是超高压输电线路的发展，输电线路安全保障性也得到越来越多的关注，输电线路的巡检工作也就越发重要。

目前，架空电力线路的巡检主要分为三类，人工巡检、飞行器巡检以及智能机器人巡检。随着机器人技术的发展，采用智能化机器人进行电力线路的巡检也逐渐引起关注。

二、电力巡线机器人

2.1电力巡线机器人发展

在2002年以前，架空输电线路早已出现，架空电力线路的主要巡检方式还是依靠传统的人工巡检和直升机巡检，基于这两种巡检方式，输电线路的安全性能基本能够得到保证。20世纪80年代末，日本、美国和加拿大等国相继开发了不同用途的巡线机器人，如1988年东京电力公司的Sawada等人研制了具有初步自主越障能力的架空地线巡检移动机器人；1989年美国TRC公司研制了一台悬臂自治巡检机器人，能沿架空线路较长距离地爬行，进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉巡检任务，但其不具有越障功能；2004年后，随着发展和需求，线路巡检机器人进行了越障结构、检测以及导航等方面的技术改进。

2.2 电力巡线机器人系统

线路巡检机器人是一套复杂的机电一体化系统，主要由机械结构、控制系统、导航与定位、巡视扫描装置、电源与屏蔽封闭机箱和通信系统等几部分组成。在整个巡检机器人的发展历程中，研究者也主要针对这些组成部分进行了改进。

2.2.1机械机构

早在1989年左右，国外就开始了对线路巡检机器人的研制，并由无跨越功能的巡检机器人发展到具有跨越障碍物功能，从驱动方式上由轮式巡检机器人历经仿生手臂机器人到轮臂复合式机器人再到多关节—轮臂复合式机器人。

典型的轮式机器人为在移动体的两端安装有滑动轮，中间形成沟槽，以嵌合电缆，实现在电缆上行走。此类机器人只能在一档线上工作，不具越障功能，而实际上输电线杆塔上存在防振锤、绝缘子、悬垂金具、压接管等设备，这些都成为机器人在行驶过程中的障碍物，为了完成整个线路的巡检，就需要由人工带电作业将其从障碍物的一侧搬运到另一侧，这不仅影响了工作效率，而且也不安全。

關节机器人，通过多个关节点和多个连接棒连接组成，在夹着电线的左右两端是电磁铁，其在移动时，通过电磁铁吸引力夹紧电线并移动，当检测到障碍物时，从碰触到障碍物最前端的节点开始，依次切断电磁铁的电源开关，这样，触碰到障碍物的电磁铁关节就可以打开，穿过障碍物，穿越过障碍物的电磁铁再闭合开关，再次通过磁铁吸引力夹紧电线前行。由于结构的限制，其可以跨越一些简单的障碍物。当遇到杆塔时，则仍需人工进行辅助搬运，因此，并没有彻底解决跨越障碍的功能。

手臂升降式巡检机器人，本体上左右两端分别具有一个仿生手臂，仿生手臂的顶端是夹爪，用来夹住电缆并行走，在遇到障碍物时，通过依次释放左右两端的夹爪以及配合升降装置，使巡检机器人逐步跨越障碍物，并再次依次夹紧电缆。该巡检机器人由于夹爪的适应性比较强，可以实现各种障碍物的跨越。但是仿生手臂夹爪一方面紧固性不够，容易产生松动；另一方面，对电缆的损害也比较大。

轮臂复合驱动巡检机器人，在移动体两侧带有两个长条形的臂膀，在正常移动式，两个臂膀不工作，仅仅由移动体上的滑轮夹紧电缆进行移动，当遇到障碍物时，两个臂膀顶端的夹爪机构分别勾住障碍物两端的电缆，释放夹紧电缆的驱动轮，使移动体脱离电缆，移动体顺着臂膀形成的弧形轨道从一端滑行到另一端，实现移动体障碍物跨越，然后将移动体的驱动轮再次夹紧电缆，释放臂膀两顶端的夹爪装置。轮臂复合式巡检机器人结合了轮式机器人和仿生手臂机器人各自的优点，既能实现轮式巡检机器人蠕动行走功能又能实现仿生手臂式移动机器人爬行的优点，因此，在巡检机器人领域应用最为广泛。

2.2.2 电源技术

电源作为巡检机器人的供电设备，是巡检机器人不可或缺的一部分。要保证巡线机器人在野外大范围长时间工作，必须提供持续可靠的电源。然而由于架空输电线路巡检机器人工作环境的特殊性，除了使用常规的蓄电池之外，只能依靠机器人本体或者借助线路本身进行充电，并且由于承重限制，对充电装置的改进点很少。现有技术中巡检机器人的供电装置大致分为：蓄电池、电流互感充电、燃油发电机充电和太阳能充电。

独立的蓄电池供电装置由于受到体积和重量的限制，不能满足长时间供电要求。因此，在电池电力不够时，需要进行电池更换。除了使用人工辅助从高压输电线上取下机器人更换电池，还可以通过使用电池箱空中对接装置，取下旧电池，并安装新电池。然而，电池的更换并不能彻底解决供电问题。

针对蓄电池的缺陷，部分研究者尝试采用燃油发电机为机器人供电，但燃油发电机需携带油箱，工作时受环境影响大，可靠性差，重量大，因此，实际使用起来并不是很方便。

由于巡线机器人一般沿大工作电流的电力线爬行，因此，就产生了直接从电力线上获取能源的耦合供电方式，采用电流互感器从爬行的输电线路上获取感应电流作为机器人的工作电源，从而解决了巡线机器人长时间驱动的动力问题。

随着太阳能充电技术的发展，使巡线机器人的供电装置使用太阳能充电也成为了可能。

2.2.3检测技术

巡检机器人主要目的是对线路中存在的损坏和断线问题进行检测，根据检测手段可以分为接触式检测和非接触式检测。

传统的线路检测比如断线问题等，都是通过人工上线检查或者使用望远镜进行视察，这些方法给人身安全带来重大威胁，也容易造成检查不准确。为了解决人工检测的安全性问题，引入机器人巡检，早在1988年，日本就已经研制出通过在巡检移动体上设置投影检测传感器或缕检测传感器检测电缆，使用照相机对故障电缆拍照并发送给地面基地，实现损伤巡检。这类检测只能检测电缆表面故障，针对该缺陷，研发了可对电缆深入检测的巡检机器人，典型的有两类。第一类利用声音判断故障，该类机器人沿电线移动时，使用敲动锤不断敲击电线，从而通过麦克风产生声音，将该声音信号与原设置的声音信号进行比较，如果声音频率有偏差则判定该线缆有损伤，该方法能够检测到肉眼看不到的电线损伤。另一类机器人使用红外技术检测，该类机器人本体上设置微型红外光成像传感器，用于确定机器人所在位置，观察变压器的局部放电、火花放电、及观测部位的绕组变形；同时设置高指向红外温度传感器检测变压器铁轭、分接开关及套管的可观测部位的局部温升，而微型摄像头，用于采集变压器内部绕组、变压器铁轭、分接开关和套管的可观测部位的图像，采集的图像信息直接送给无线传输模块。

由于电缆损伤包括表面损伤以及内部损伤，因此，为了全面检测电缆故障，单一的检测技术并不能完全满足需求，因此，需要融合多种技术手段同时检测。针对该需求，融合多种故障检测装置的巡检机器人应运而生，其通过超声传感器、高速球摄像机、CCD照相机及红外热成像仪等多种技术手段共同检测电缆故障。

2.2.4导航与定位

巡线机器人的导航与定位，方式比较多样化，大体上分可以分为全局导航和局部导航；单一技术导航和多技術融合导航。具体来讲有以下几种：

射频标签导航通过在电缆上部分位置设置RFID标签，巡检机器人上相应设置标签读写器，读取标签及相应的编码，根据编码得到巡检机器人所处的地理坐标，调整巡检机器人移动路线和空间姿态。

视觉导航根据图像获取装置如照相机、摄像机的个数分为单目视觉导航、双目视觉导航以及多目视觉导航，其原理都是通过实时获取图像，并将其发送给控制站，由控制站判断之后进行避障等路径规划。

除此之外，还有常用的GPS导航、惯性导航以及磁导航等等。

虽然巡检机器人的导航技术有很多，但是其都存在各自的缺陷，因此，可以通过融合多种导航技术提高准确度。比如可以组合使用DGPS和惯性导航技术，当DGPS卫星信号被干扰时，则采用惯性导航，对DGPS的缺陷通过惯性导航来加以补充和改进；又比如通过GIS-GPS模块以及电磁传感器阵列共同配合进行导航，能够实现全局导航和局部自主越障功能等等。

三、结束语

架空输电线路巡检机器人由于其安全性、工作效率等优点在架空输电线路中得到了广泛的应用，并且在整个历程发展中，随着机械避障机构、电源装置、检测技术以及导航与定位技术的不断发展，巡检机器人整体也得到改进。现有的巡检机器人已经能够实现在电缆上的自由行走、精度地提高故障检测，并与地面控制站实时通讯，具有很大的应用空间。

参 考 文 献

[1] 张运楚，梁自泽，谭民.架空电力线路巡线机器人的研究综述[J].机器人，2004，26（5）：467-473

[2] 周风余，李贻斌，吴爱国等.高压巡线机器人的设计与实现[J].机械科学与技术，2006，25（5）：623-626