输电线路智能巡检机器人系统的研发及应用

刘姜钧泰 秦丞

（昆明供电局信息中心 云南省昆明市 650011）

随着时代的进步和发展，对于电力能源需求量在不断增加，特高压电网建设规模在逐渐扩大，与此同时，输电网络变得越来越复杂，这在一定程度上促使人工地面故障巡查难度系数大大提升。采用地上人工巡检方式常常会由于遮挡、距离等因素干扰，难以有效确定绝缘子和相关的电气设备是否处于良好的工作状态。如果在一些特殊的气象环境中，通常难以正常实施人工登塔巡检，另外，通常在一些人员活动密集区域输电线路常常会受到外力破坏，采用人工巡检方式根本无法及时发现输电线路故障问题，而且不能及时制止输电线路外力破坏问题。由此可见，输电线路智能巡检机器人代替人工巡检方式的应用有着重要的意义。

1 输电线路巡检机器人发展现状

随着电网工程建设规模的不断扩大，输电线路巡检工作量和难度系数在不断提升，然而，现阶段对于巡检人员出现了供不应求的现象，另外，采用人工巡检方式无论是在质量方面还是在效率方面与巡检机器人的应用相差甚远。输电线路机器人的开发研究已经成为现阶段的重要课题，得到了国内外许多研究机构的高度关注。

这种机器人在实际输电线路巡检应用过程中有着良好的应用优势，但是同样存在着一些缺陷问题，通常主要表现在实用性相对较低，整体质量相对较大，而且难以有效实现越障，无法长时间投入运行。基于此，在本文研究和设计的主要是微小型智能巡检机器人系统，而且整体质量和体积相对比较小，能够实现长时间在杆塔上工作，可高效完成相关的在线巡检工作，能够达到全新的可视化自动巡检效果，有效突破了现阶段智能巡检机器人的瓶颈问题。

2 总体设计

输电线路巡检机器人在实际应用过程中有着良好应用效果，其系统通常由4 部分构成，主要分别为本体、远程集控中心、越障桥以及驻留巢穴。首先，在机器人本体上搭载了无线路由器和高清摄像头，通过无线路由器在一定程度上能够促使输电线路巡检机器人所获取的巡检信息传输到远程集控中心，通过对高清摄像头的搭载应用在一定程度上能够实现对导线和地线整体情况的拍摄，巡检人员可通过所拍摄的内容判断输电线路故障和隐患问题，以便及时解决。而且还能够达到全线路无障碍行走，这主要是基于对架设越障桥方式的有效应用；其次，远程集控中心主要是对机器人的控制和故障隐患识别并判断，通常需要对所获取的本体状态数据以及所获取的气象数据展开深入的分析，与此同时，并依据其发出相应的控制巡检指令。通过对TensorFlow 技术对采集图片的处理，在一定程度上能够达到输电线路故障及隐患问题的识别和判断；驻留巢穴的作用主要是气象数据监测和机器人充电。驻留巢穴通常会将所监测的数据传输到远程集控中心，从而保证远程集控中心机器人命令下达的科学性。主要是凭借太阳能充电的方式和对无线充电模块的有效应用，在处于驻留巢穴位置时，通过对传感器检测的有效应用能够实现短路故障以及发射端电压状态的准确判断，如果判断正处于正常状态，那么将会自动启动充电模式，从而实现自动充电的目的，在电池电压达到一定的值时会自动关闭充电。在此环节主要是基于对无线充电技术的有效应用，这在一定程度上促使其操作巡检半径更加广泛，有效突破了火花、接触节点磨损、充电短路等技术瓶颈问题。

表1：机器人状态说明与切换条件

3 巡检模式设计

机器人在输电线路巡检方面有着重要应用意义，这种机器人在实际应用过程中可以长时间驻留塔杆，在运行工作过程中能够跨越杆塔和沿地线行走。而且在实际应用过程中能够实现自动控制或者是手动控制，能够高效完成相关的自动定期、全局巡检工作，如果在人工控制的条件下，能够高效完成实时、定点巡视，具有良好的应用便利性。该机器人在实际工作过程中具有良好的视角，能够高效完成对线路走廊、绝缘子、线路等全面的巡查，这主要是基于对摄像机云台预留位置的有效设置。

该机器人在实际运行过程中通常主要有两种运行模式，分别为自动巡检模式、人工操作巡检模式。首先，在前者的应用环节通常需要对其休眠状态唤醒时间段进行科学的设置，巡检路线主要是从一端的驻留巢穴到达另一端驻留巢穴，自动完成驻留巢穴之间线路的巡检工作，在到达另一端驻留巢穴时，巡检机器人则会自动进入充电状态，在巡检完成时自动进行休眠，直到下一次巡检任务的下达。机器人所采集的相关巡检信息会传输到远程操控中心，巡检人员则可以定期对其进行查看。在后者应用过程中可以采用两种方式对机器人进行控制，通常主要有现场控制、远程控制，这主要是基于对无线通信系统的有效应用，能够实现巡检任务指令的发送。

该项机器人在实际应用过程中通常主要包括返回充电状态、空闲状态、自动巡检状态以及手动控制状态，在状态切换过程中通常需要满足表1 中的内容。

4 控制系统设计与研究

4.1 跨越越障桥

巡检机器人在实际工作过程中无障碍行走则是最为基础的要求，是保证巡检工作有效开展和进行的关键，在该项机器人应用的主要是嵌入式运动控制系统。在该机器人进行巡检工作过程中遇到越障桥时，那么在这台机器人中所搭载的红外传感器就会发挥作用，能够准确识别到越障桥信息，然后再将其反馈到控制系统，然后发出相应指令促使越障装置夹紧越障桥，然后在充分结合该机器人所处于的位置以及桥型结构信息，通过相关的计算和分析对越障装置夹紧程度进行有效控制，通过这种方式能够达到精准上桥的效果；在桥上运行环节，通常会结合机器人所受到风的影响计算以及桥的结构信息，从而实现对越障装置夹紧程度进行有效的控制；运动控制系统通常会对机器人运行的平稳性进行有效的控制，这主要是为了确保机器人可以安全越障重回地线。机器人在实际运行的过程中常常会遇到防震锤、杆塔等障碍物，然而通过对越障系统的有效应用，都可以轻松地跨越障碍物，控制机器人高效完成相应的爬坡、下坡环节。基于对控制算法的科学使用，大大提高了机器人过桥的流畅度。

4.2 控制系统硬件设计

该机器人功能性的实现主要是基于对相关系统硬件的有效使用，在机器人中所使用的系统硬件设施相对较多，主要应用的是双系统设计，并且不同系统所发挥的作用也存在较大差异。在stm32芯片上主要应用的是ucos 系统，其作用主要是实现云台控制、运动控制以及传感器数据采集等；其次，在arm 芯片上主要应用的是Linux 系统，其功能主要是信息采集、信息传输、远程控制功能，这主要是基于与无线路由器通信技术的融合应用；另外，如果发生故障问题，那么就可能导致机器人无法正常运行，为可以有效避免故障问题的产生，arm 芯片和stm32 芯片建立起良好的通信关系，主要是基于串口方式的有效应用，其频率为0.1s，如果在运行的过程中arm 芯片无法正常运作，那么stm32 芯片则会重启arm 芯片，反之，如果在运行的过程中stm32 芯片无法正常运作，那么arm 芯片则会重启stm32 芯片，通过这种方式大大强化了机器人运行的可靠性和稳定性；电源管理模块的作用主要是实现电池充电，在此方面主要是基于对无线充电技术的有效应用，相关电源管理工作的实施主要是基于对相关算法的有效应用，在扩展作业半径和延长电池使用时间方面发挥着不可替代的作用。运动控制单元的作用主要是对机器人的位置以及主动轮速度进行有效调节，以保障机器人运行的稳定性；三轴高清维稳云台的作用主要是降低外界因素所产生的振动影响，以保证数据采集的准确性和质量。

4.3 上位机控制系统软件

通过对上位机软件的有效应用促使机器人具有状态显示、图片采集等功能，而且还能够实现对其有效的遥控操作，控制内容主要有前进、后退、停止，通常和机器人有着良好的通信关系，这主要是基于对无线串口的有效应用。通过对上位机软件的应用能够实现对机器人的有效控制，而且还能够将高清云台吊舱所获取的相关重要信息存储在手持终端位置，这在一定程度上为巡检人员提供了有力的帮助，除此之外，还可以实现对机器人电池电量、传感器状态、运行速度等具体信息的实时查看。

5 模拟环境测试

模拟环境测试环节非常关键，为了能够保证输电线路智能巡检机器人在实际应用过程中可以稳定运行，那么则必须要对其进行模拟环境测试。该机器人的测试场所在室内，将模拟地线设置在了室内，与此同时，还将双轨越障桥安装在模拟地线上方，在跨越越障桥测试方面取得良好成效，整体运行效果始终处于平稳状态，而且视频传输具有良好的实时性，与预期目标相符合。另外，还对其进行了室外地线上的实验。其运行性能始终保持稳定的状态，能够顺利稳定通过越障桥。

6 结束语

输电线路智能巡检机器人系统的有效应用为输电线路巡检工作创造了许多便利条件，本文所研制的巡检机器人主要是由本体、远程集控中心、越障桥、驻留巢穴等部分构成，在实际应用过程中能够达到全线路无障碍自动巡检的效果，进一步扩大了其工作半径。基于对stm32 和arm 系统的双系统设计，在一定程度上大大提高了机器人运行的稳定性，能够达到故障系统重启的效果。通过对无线充电模式的有效应用，有效避免了火花、充电电路短路问题的产生。这种机器人在实际应用过程中操作便捷，促使人工巡检和智能巡检有机地结合在一起，从而为巡检工作创造了许多便利条件