浅谈输电线路巡检中智能机器人的应用

2023-02-13陈文栋刘兴华牛丙震张晓刘宏光段立进

中国设备工程 2023年2期

陈文栋，刘兴华，牛丙震，张晓，刘宏光，段立进

（国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博 255200）

在行业现代化发展的今天，输电线路巡检不能再局限在传统的工作模式下，而应该积极将崭新的技术应用起来，如智能机器人，通过智能机器人的使用，可实现巡检的自动化、智能化。很多地区的输电线路巡检中，智能机器人的应用取得了显著的成效，随着机器人研究的增多，智能机器人的功能越发完善，在未来必将在输电线路巡检中得到更广泛的使用。

1 当前电网巡检方式

在电力工程领域，输电线路巡检是重点性的工作，就现阶段的巡线方式来看，包含地面目测法、航测法和机器人巡检法几种，但这几种方式相比较，地面目测法和航测法因为固有的工作模式限制，在具体的应用过程中还存在着一定的问题。首先，以地面目测法为例，在这种方式下，需利用人的肉眼对辖区内的输电线路实施观测，由于输电线路的分布复杂，面临的环境条件恶劣，巡检工作量大，需投入大量的巡检人员，才能够完成巡检工作，且耗时长，一些巡检工人还需翻山越岭、涉水过河，工作效率低且可靠性不足。其次，以无人机航测法为例，在这种方式下，包含有直升机、无人机巡检的方式，如果在输电线路巡检的过程中采用的是无人机巡检的方法，无人机一般会与线路保持一定的距离，而这大大降低了巡检精度，总体来看，无人机巡检时有安全距离要求且巡航时间短，直升机巡检同样有距离要求，且在巡检时往往会受到天气因素的干扰，如果天气条件相对恶劣，将无法开展巡检工作，且利用航测法开展的巡检工作，成本消耗较高。最后，机器人巡检方式可克服前两种巡检方式的弊端，通过智能机器人的配置，可精准识别故障。

2 智能机器人特点及构成

信息时代到来后，关于机器人领域的研究越来越多，各种智能化技术为机器人提供了技术支持。就现阶段市场上的智能机器人来看，在物联网条件下可达到远程控制的目标，在大数据支持下，机器人中包含有智能自学习系统、任务模块和智慧电源系统，在利用这一机器人开展输电线路巡检时，可直接将其悬挂在线路上实施巡检，巡检的过程中可在物联网条件下将所采集的数据传输到大数据中心，而数据中心接收到了数据后，可开展对应的处理，经由网络条件，有关人员可利用电脑终端，对智能机器人开展实时监测与远程控制。

2.1 物联网下的高效远程控制

智能机器人独有的功能特点和技术优势，决定了其在输电线路巡检方面具有极高的便捷性，利用智能机器人可由机器人自动巡检，巡检的过程同步采集了信息，在移动网络条件下，这些信息可实时上传到后台数据中心，在此中心自动存储。由于智能机器人在巡检时承担了大部分的任务，机器人的运行情况关乎巡检工作能否顺利开展，就需总控中心实时监控机器人的运行状态。但利用智能机器人所巡检到的故障，一些可利用智能机器人自动完成处理，但部分问题却需专业的维修人员深入现场加以处理，维修人员要掌握相应的信息，需利用PC端或者APP来实现。

2.2 灵活多变的任务模块

智能机器人系统内，包含有多个任务模块，各个任务模块在机器人的巡检中，承担着各自的职责，既存在一定的工作独立性，不同任务模块之间又保持着工作的协调性。根据实际经验，一般需包含更换金具维修、除冰、额外探测等多个模块，在具体巡检时，不同模块可发挥各自的作用。

2.3 智慧电源系统

智能机器人在工作时的动力由电池来完成，在机器人系统内，智慧电源系统为不可或缺的部分，可设计为双供电形式，在为带电线路运行条件时，为动线供电，并同步向锂电池充电，充电任务完成后才可停止充电；一旦系统运行到带故障线路时，由锂电池供电，这种电源系统的设计，可在智能机器人的运行需求，对供电加以调节，保障电池处于最佳的条件。

2.4 智能自学习系统

在利用智能机器人开展巡检任务时，机器人中的数据采集模块不仅可自动采集信息，更可保障这些数据的传输实时性，确保数据中心可接收到完整且准确的信息，由数据中心完成备份并开展相应的数据分析，依据对数据分析结果的掌握，在原有基础上调整机器程序，因为有通信系统的保障，即使机器人不返回总控中心，也可将这些程序指令发送给其他机器人，让他们在程序指令下安排工作。

2.5 动力部分和电气系统

在智能机器人中，动力部分和电气系统必不可少，在此部分包含有两个机械臂、V型轮轴承和驱动电机，机器人所采集的图像，可在高清广角摄像头支持下传输，即使为长距离传输，同样可高质量传输。在机器人的电气系统中，通信、传感、电磁屏蔽和缺陷检测是关键性的构成部分，对通信子系统来说，在有4G或者5G信号的情况下，可直接使用4G或者5G网络，对于一些偏远地方来说，可能面临信号缺失的问题，即使在一些特殊地段的信号较差或者完全无信号，也可利用沿线所架设的700MHz无线网络，满足机器人巡检时的通信条件要求。因为信息时代的到来，计算机信息技术得到了迅猛的发展，原有的通信条件暴露了诸多的弊端，可在通信系统内添加动线载波通信，构建更为完善且先进的通信网络。在传感子系统内，配备的现代化设备较多，如超高清4K可见光摄像机、红外摄像机、紫外摄像机、fpv图传系统，这些设备的配置，可实现数据的精准采集。而电气系统中的电磁防护子系统，则是为了减弱电磁干扰，使机器人在运行时可免受电磁干扰，为提高抗干扰能力，可使用屏蔽双绞线、瞬变二极管。缺陷检测子系统的配置，可在智能机器人的巡检工作中，实现对输电线路中锈蚀、缺失、移位、缺损问题的识别。

3 输电线路巡检中智能机器人的应用

3.1 自主越障

（1）自主越障需求分析。对于智能机器人来说，越障是一个难点，在当前的输电线路巡检中，机器人巡检路径为架空地线，通过对地线的改造和调整，智能机器人能够在线路上自由穿越和行驶。机器人在巡检中的运动包含2种路径：直线段和越障。越障就是机器人要通过杆塔，机器人自主爬坡和越障原理如图1所示。在爬坡过程中，重点要开展机器人的滚动打滑检测、控制，以通过对状态与环境的感知，选择最合适的爬坡策略，以达到机器人自适应爬坡的要求；在越障过程中，系统可自动对障碍物加以识别，根据识别结果来进行越障规划，确保在机器人越障的过程中，机器人的状态可得到有效的控制。

图1 自主爬坡及越障原理图

智能机器人在输电线路巡线中应用时，越障是机器人运行过程中需克服的一大难点，结合实际的巡检工作标准，防振锤、悬垂线夹、耐张杆塔塔头，是较为常见的障碍物，对于不同类型的障碍物来说，机器人内都应该有一套相对完整的越障动作，如果将各种障碍物组合起来，在机器人的越障设计中，严禁直接进行单一障碍物越障动作的叠加与串联，主要是因为机器人的运行是一个复杂且动态化的过程，随着运行状态的变化，越障动作序列也将同步发生一定的调整，在越障动作设计时，需开展对应的设计优化。

在自主越障设计过程中，可将杆塔和防振锤组合起来，开展越障设计，在这种统一的越障设计下，当机器人处于运行状态时，所面临的障碍物也就仅仅包含直线段和杆塔。

（2）面向对象的控制系统设计。控制系统的设计是智能机器人方面需关注的一个重点方面，为使机器人可以在运行和使用的过程中达到自主越障的目标，一般应有相对简化的架构，否则，一旦直接采用原先面向过程的架构方法，很难达到理想的设计效果。在面向对象的设计方式下，设计流程更为简单，且后续的维修和操作都相对便捷，设计人员将机器人作为整体要素，在该对象内配备有机构、云台摄像机、电机、传感器、通信部分，这些构成部分又由具有共同属性的部件抽象为同一类对象。机器人的运动过程中，各个机构对象之间的运动、消息之间存在着交互关系，有关人员在编程时，不需考虑底层的逻辑关系。在越障过程中，机构对象会依次根据自身的运动状态和结果，通知其他对象是否需要活动、什么时间活动，而对应的对象在接收了这些信息以后，可自动对机器人开展姿态检测，进而进行相应的动作。

3.2 自主定位

智能机器人在输电线路巡检中的应用，同样需具备自主定位的功能，在机器人中配备有云台设备，该设备的存在可辅助巡检任务的完成，此设备不具备自主识别和定位的作用。在机器人的自主定位过程中，需由机器人中的编码器、霍尔计数器、倾角传感器的相互配合来负责，在不同设备的相互协调下，可得到线路信息，算法支持下也就可掌握杆塔的具体位置信息，此信息为空间方面的信息，通过信息处理与转化，能得到高精度的坐标信息。

（1）杆塔定位。输电线路巡检中的智能机器人应用时，杆塔定位是重点性的工作，机器人在运行时，往往存在多个越障动作，在这些动作中，行走路径的坡度并非一成不变，通过坡度变化趋势的分析，也就可完成定位，原理如图2所示。以直线塔为研究对象，在智能机器人巡检的过程中，一旦机器人碰检防振锤，也就进入了杆塔的穿越环节。对于电力网络来说，架空线多为悬链线，机器人穿越时表现为上坡或者下坡两种状态。当碰检防振锤以后，自动完成坡度值的检测，在得到了坡度值的变化信息后，倾角传感器将返回，呈现正值向负值的变化状态，而在此过程中，中间过渡过程就是直线塔的原点，此点就是地线悬挂点。耐张杆塔与直线杆塔的定位方式一样，定位的适用性强，精度高。

图2 杆塔定位原理

（2）地线定位。杆塔定位结束后需开展地线定位，在机器人的运行过程中，沿线竖直平面上，行走过程包含水平和竖直两个方向，此坐标系为机器人坐标系相对于杆塔坐标系的定位，技术思路与惯导系统相一致，机器人中的传感器，可获取相应的数据并同步实施专业化处理，在不同方向上积分后，也就可得到二维方向上的数据。

（3）机器人坐标变换。机器人坐标变换，是将杆塔上巡检点的坐标标注在机器人坐标系、云台坐标系上的过程，当机器人处于定点巡检状态时，机器人的双臂锁紧固于线上，经由定位过程，也就可得到机器人相对巡检目标点的空间位置信息，与此同时，也可得到自身倾角、摆角的信息，经由对这些信息的掌握，也就可确定在该时刻的位置信息，最后经由空间坐标变换转换到云台坐标系中。杆塔上目标点的信息将直接存储在机器人数据库中，在智能机器人对输电线路开展巡检时，可依据杆塔信息调用相应的数据库，从而将目标点信息转换到云台坐标系中。在云台得到了巡检目标点的信息后，机器人可更具运动本身的运动规则实施对应的变换，在此变换中，云台视场角中心应处于巡检目标点，也就可实现定点巡检。

3.3 自主故障诊断与复位

（1）机器人故障分类。智能机器人在用于输电线路巡检时，一旦机器人发生了故障，必然导致巡检工作无法正常开展。因此，对智能机器人来说，自主故障诊断和复位应该是关键的功能，依据对故障处理方法的区别，主要以自恢复故障、可替换故障、需修复故障为主。当出现了可自恢复故障时，机器人中的有关模块可自动排查故障；而可替换故障主要是机器人在出现了故障以后，能够自动采取替换方案，来减小故障所造成的危害；当机器人出现了需修复故障后，机器人一般无法正常使用，需停止巡检工作由人工处理机器人的故障。

（2）机械故障诊断与修复。在智能机器人使用中，机械故障相对常见，这类型故障多表现为机械传动部件之间的约束，这种约束下，机构无法正常使用。当驱动单元驱动展臂机构运动时，智能机器人检测到的驱动器反馈计数，不呈线性变化关系，未产生传感器限位信号，当出现了这一方面的表现后，意味着机器人展臂机构被锁死，在检测到了这一方面的故障后，控制系统停止运行，应由专人来处理。