輸電線路的巡檢工作關乎整個電力系統(tǒng)的運行效率，隨著新一代信息技術的發(fā)展，應用物聯(lián)網、人工智能、高端制造等技術，在輸變電設備運維領域開展智能作業(yè)可以有效提升勞動生產率，降低人員勞動強度。

輸電線路具有跨度大、中間障礙物多等特點，國內外的科研工作者做了大量研究，設計了很多電力線路巡檢機器人，并進行了試驗。

有科研人員研制的巡檢機器人應用于220kV單相線路巡檢，具有越障、圖像識別、自主行走、遠程通信、自主上下塔桿等功能，制作的樣機運行效果良好，對后續(xù)的研究具有很高的參考價值。

有科研人員針對500kV線路設計可自主行走的巡檢機器人，具有跨越障礙物的功能，機械部分包含紅外相機和機器視覺檢測的安裝裝置，通過采集圖像數(shù)據檢測輸電線路、絕緣子、抗震錘及其他輸電設備的損壞情況，地面基站通過遠程通信控制巡檢機器人。

有科研人員創(chuàng)新性地設計出具有除冰、在線充電等功能的巡檢機器人，同時，融合了多種傳感器對輸電線路、絕緣子、線路接頭、桿塔等進行檢測，可實時進行除冰工作，具有很高的參考意義。

有科研人員根據現(xiàn)場工作條件，提出巡檢機器人應該具有自主行走、電池電量監(jiān)控、越障等功能，結合實際工況設計的巡檢機器人能同時滿足輸電線路異物檢查、線路斷股等缺陷檢測要求。

由上述研究可知，巡檢機器人的關鍵技術點包括以下幾個方面：①具有越障爬坡功能、輕量化的巡檢機器人機構本體設計；②采用合適的傳感器，能快速檢測到故障點的檢測方式及控制算法；③環(huán)境信息量大，需要融合各個傳感器的數(shù)據并進行分析判斷。

本文提出的電力線路巡檢機器人采用輕量化設計方案，具有自主越障功能，并通過多傳感器集成標定與多通道融合技術，為電力線路巡檢提供豐富的狀態(tài)數(shù)據，進而為電力大數(shù)據提供數(shù)據支撐。

1 巡檢機器人機械結構設計

智能電力線路巡檢機器人整體結構如圖1所示，主要包括爬塔機構、行走機構及任務吊艙三個模塊。行走機構及任務吊艙組成機器人結構本體，爬塔機構與機器人本體是可分離的。爬塔機構采用仿生式蠕動爬行方式，可跨越電塔橫梁，可將巡檢機器人本體從地面送到電塔上部順利實現(xiàn)掛載。爬塔機構如圖2所示。

圖1 巡檢機器人整體結構

圖2 爬塔機構

任務吊艙內部主要用于固定電氣控制部件，包括三維機載激光雷達miniVUX—1UAV、樹莓派控制板、數(shù)碼相機、電機驅動器、鋰電池、導航單元、電源轉換模塊、定位天線等，如圖3所示。

激光雷達的下端安裝面固定在定制的光滑安裝板上，機械開口，保證三維激光雷達的探頭裸露在外部，可以檢測到外部信息，通過合理布局，慣性導航單元與數(shù)碼相機的安裝面也固定在安裝板上。為了減少通信干擾，定位天線通過額外加工的支桿固定在方形外殼的上表面，電源開關、網絡接口、接插件等分布在后端蓋的內表面及線槽周邊。

圖3 電氣部件安裝示意圖

以架空電力線路巡檢機器人為主打產品的公司主要有廣東科凱達和國電南瑞公司。目前，兩公司的架空線路巡檢機器人在行走機構方面主要采用兩臂式機構，越障性能有限，且沒有配備相應的上下塔機構，機器人還需要采用人工吊裝的方式進行掛載，機器人過于笨重，質量達到50kg，對線路磨損較大。

本文設計的巡檢機器人，相較于上述兩公司產品，具有自主上下塔功能，真正實現(xiàn)了自主巡檢，機器人總體質量可控制在30kg以內，大大減少了行走輪對電線的磨損。

2 基于機器人操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

基于機器人操作系統(tǒng)（robot operating system, ROS）軟件平臺的移動機器人控制系統(tǒng)，連接電機驅動、電源管理部分，融合視覺、雷達等傳感器，構建軟件框架，具有可操作性強、代碼靈活、數(shù)據傳輸效率高等優(yōu)點。任務系統(tǒng)根據控制站上傳的任務文件或實時指令執(zhí)行三維激光點云、定位定姿系統(tǒng)（position orientation system, POS）數(shù)據記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據獲取與同步采集，電氣控制框圖如圖4所示。

圖4 電氣控制框圖

地面站可以分析巡檢日志，對巡檢的結果進行回放，方便及時總結。地面站支持軟件模擬巡檢，以最小的代價，達到最佳的學習效果。任務系統(tǒng)根據控制站上傳的任務文件或實時指令執(zhí)行三維激光點云、POS數(shù)據記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據獲取與同步采集。任務完成后地面站可通過有線或無線方式快速下載巡檢數(shù)據，包括原始點云數(shù)據、POS航跡數(shù)據、可見光照片、曝光同步數(shù)據及巡檢任務執(zhí)行日志文件等。

3 數(shù)據采集與融合

數(shù)據采集由傳感器集成部件完成，主要包括激光雷達、POS及正射數(shù)碼相機等部分，主要執(zhí)行三維激光點云、位姿數(shù)據、正射數(shù)字影像等數(shù)據同步獲取。

三維激光雷達選用美國Riegl公司提供的三維機載激光雷達miniVUX—1UAV，具有小型化、精度高、質量輕等優(yōu)點，適合移動機器人、無人機等搭載。激光雷達通過多回波檢測、數(shù)字化回波信號、在線波形處理等技術，生成電力線路設備的高精度三維點云數(shù)據，通過內部控制器的自動分類和濾波，快速生成高程模型和數(shù)字表面模型，支撐后續(xù)的交叉跨越障礙物檢測、電力線路走廊三維可視化、電力線弧垂信息提取等研究。

定位定姿系統(tǒng)作為激光掃描空間位置姿態(tài)元素測量的基準，對三維激光點云坐標的計算起著非常重要的作用，其測量誤差直接影響電力線路及相關設備點云數(shù)據的精度。

本文綜合考慮精度、體積、質量、成本等因素，采用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）+慣性導航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS）的組合導航系統(tǒng)，將具有高精度定位功能的GNSS接收機與穩(wěn)定的慣性測量單元（inertial measurement units, IMUs）進行組合，可實時提供可靠、高精度的位置、速度、姿態(tài)等信息。在短期時間內，即使導航衛(wèi)星信號受遮擋或因故障不可用時，組合導航系統(tǒng)仍可提供連續(xù)可靠的導航數(shù)據。組合導航精度見表1。

表1 組合導航精度

正射數(shù)碼相機主要實現(xiàn)正射影像采集，為輔助點進行電力線故障信息提取和定位提供高分辨率的基礎影像資料。

系統(tǒng)數(shù)據處理過程如圖5所示，三維激光雷達的點云數(shù)據、數(shù)碼相機的數(shù)字影像數(shù)據、定位模塊的位姿數(shù)據實時同步采集，保存到樹莓派控制器中，通過無線通信的方式將數(shù)據傳輸?shù)降孛娴挠嬎闫脚_，實現(xiàn)多種傳感器數(shù)據的融合計算處理，并實時構建傳輸線路電氣設備的三維模型。

在三維模型的基礎上，根據電力線、走廊地物、電塔及其他設備的特點，分析提取故障點的特征，并建立故障模型數(shù)據庫，為進一步的電力線路數(shù)據分析及深化應用奠定基礎。后續(xù)，根據處理后的數(shù)據庫數(shù)據，可實現(xiàn)電力線路及相關設備的可視化及危險點、故障點等檢測。

圖5 數(shù)據處理過程

4 樣機與測試

本項目設計制作的巡檢機器人尺寸為1923mm× 720mm×968mm，總質量≤30kg；定位精度：平面及高程＜10cm；運動速度精度：0.04m/s；掃描視場角為330°；遙控距離≥350m；相機像素：全畫幅5 060萬。目前，已制作出實驗樣機，如圖6所示。傳感器與控制系統(tǒng)的精度滿足測試的需求。后續(xù)，將與當?shù)氐碾娍圃郝?lián)合測試巡檢機器人，并在實際測試的基礎上，進一步完善巡檢機器人的機構設計、控制算法等。

圖6 實驗樣機

5 結論

本文分析了電力線路巡檢機器人的功能需求，設計并制作了實驗樣機，具有如下優(yōu)勢：

1）采用輕量化的巡檢機器人設計方案，具有自主爬塔功能，替代了現(xiàn)存的人工吊裝上下塔的方式，真正實現(xiàn)機器人自動巡檢功能。

2）基于ROS的電氣控制系統(tǒng)，開放性好，功能擴展方便。

3）引入多源數(shù)據的自動自標定融合，極大地簡化了后續(xù)數(shù)據處理流程，為電力線路準實時全景重構和動態(tài)數(shù)據管理提供技術支撐。

本文編自2022年第7期《電氣技術》，論文標題為“智能電力線路巡檢機器人的設計與實施”，作者為錢丹楊、周衛(wèi)華 等，本課題得到2021年浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃和臺州市科技計劃項目的支持。