技术文章
机器人技术在架空电力线路检测中的应用
日期：2014-07-08
来源：九游会J9
随着我国经济快速发展，对能源的需求越来越大，超高压大容量电力线路大幅扩建。线路走廊需要穿越各种复杂的地理环境，如经过大面积达水库、湖泊和崇山峻岭等，这些都给电力线路的检测带来了很多困难。特别是对于电力线路穿越原始森林边缘地区、高海拔、冰雪覆盖区以及沿线存在频繁多滑坡、泥石流等地质灾害，大部分地区山高坡陡，交通和通讯极不发达时，如何解决电力线路的日常检测成为困扰电力行业的一个重大难题。 传统的输电线路的巡检主要采用两种方法，即地面人工目测法和直升飞机航测法。前者的巡检精度低，劳动强度大，且存在巡检盲区；后者则存在飞行安全隐患且巡线费用昂贵。随着机器人技术的发展，巡线机器人可以克服上述缺陷，因此，巡线机器人已成为特种机器领域的一个研究热点。
移动巡线机器人
目前国内外研究的巡线机器人有两种类型，一种是移动巡线机器人，可以沿电力电线自主行走、跨越障碍并进行线路巡检。巡线机器人能够带电工作，以一定的速度沿输电线爬行，并能跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、杆塔等障碍，利用携带的传感仪器对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测。 国外巡线机器人的研究始于20世纪80年代末，日本、美国、加拿大、泰国的一些研究机构先后开展了巡线机器人的研究。他们研制的巡线机器人可以分为两类：一类是具有跨越障碍物功能，但结构尺寸大、质量大，因而实用性差，并大多仍处在实验室研制阶段；另一类则只能在两杆塔间的直线段巡线，不具备跨越障碍物功能，因而其巡线作业范围受到极大限制。 东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线（OPGW）巡检移动机器人。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线（OPGW）爬行，能跨越地线上防震锤、螺旋减震器等障碍物。遇到线塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式，粗略控制是把线塔和地线的资料数据（线塔的高度、位置，地线长度，线路上附件数量等）预先编制好程序输入机器人，据此控制机器人的行走和越障；精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制。机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。 国内巡线机器人的研究始于20世纪90年代末，中国科学院、武汉大学等单位在该领域进行了研究，并申请了相关专利： 中国科学院沈阳自动化研究所申请的发明专利200410020490.8（申请日：2004.04.30）涉及一种超高压输电线巡检机器人机构。它由移动车体、后手臂、前手臂组成，其中：移动车体由本体和行走轮组成，行走轮通过水平转动副和移动副安装在本体上，并与线相抓持，本体通过转动副分别与前、后手臂相连，手臂末端为手爪；所述前手臂、后手臂结构相同，其中每一手臂由上臂、下臂两部分组成，上臂为连杆及滚珠丝杠与滑块组合结构，通过水平转动副与下臂相连接，下臂为大行程伸缩机构。该发明工作空间大、重量轻、能耗低且越障能力强。 中国科学院自动化研究所申请的发明专利200310118302.0（申请日：2003.11.18）涉及机器人技术领域，是110kv高压输电线路自动巡检机器人的一个单体。该发明高压输电线路自动巡检机器人单体，由防护罩、驱动臂、驱动臂升降电机、小臂、小臂升降电机组成，其驱动臂包括驱动轮、驱动轮轴、同步带、同步带轮、主电机、主电机输出轴、开合电机、开合螺杆等，其中，主电机带动驱动轮，使巡检机器人单体在输电线上行走，开合电机控制开合机构，决定驱动轮与输电线之间的挂靠或撤离；其小臂中设有支撑轮和关节轴承，支撑轮槽曲率较大，与输电线保持点接触，有利于关节轴承对支撑轮姿态的自调节。该发明自动巡检机器人单体，可实现在输电线上稳定行走、跨越障碍物、紧急刹车等功能，取代了人工巡检高压输电线路。 武汉大学申请的发明专利200510019930.2（申请日：2005.12.01）公开了一种高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，其特征在于：将一系列相同参数的电磁传感器分别布置在机器人的手臂上，各组传感器分别同轴线布置，让机器人的各待调控部位的空间位姿状态能通过各该部位的传感器阵列组相对高压输电导线的距离表征。本发明的优点是：实现简单，结构小巧，成本低廉；可避免强电场、强磁场的干扰，实用性强；控制算法简单，操作方便。如配备相应的机器人设备，可以用来辅助完成高压巡线机器人沿架空高压输电线路进行全自动化的巡检作业。 山东大学申请的专利200510042569.5（申请日：2005.03.18）为沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，由机器人本体、控制装置、传感器、检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测距传感器和检测障碍用的视觉传感器CCD安装在每只手的前方，检测装置包括高速球摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。能够在110kV输电线路上平稳行走，自主地跨越输电线上的各种障碍，代替人进行输电线路的巡线工作，减轻输电线路巡线的工作量，提高工作效率和检测的精度，达到确保输电线路安全运行的突出特点。
巡检飞行机器人
另一种是线路巡检飞行机器人，采用小型无人飞行器，安装CCD摄像机，可以超视距测控飞行和低空飞行，具有智能化程度高的特点。 如国外EA Technology公司研制的电线巡检机器人Sprite是一种小型对称旋翼飞行器，机身设计特别考虑到了空气紊流的低影响，安装了增稳控制系统，可以在阵风扰动中平稳飞行。飞行器安装有一个高精度CCD摄像机，有一个变焦镜头安装在主动平衡系统上，平衡系统可以保证飞行器飞行时图像的平稳。 国内华北电力大学申请的发明专利200410098960.2（申请日：2004.12.17）提供了一种电力线路巡检机器人飞机及其控制系统，飞机结构采用共轴双螺旋桨反向驱动结构，采用两个发动机分别驱动两个螺旋桨反向旋转，通过控制两个发动机的转速比控制飞机机身的稳定；使用GPS系统与GIS系统确定飞机的飞行轨迹，使用基于32位的精简指令集计算机处理器ARM的嵌入式系统进行飞行姿态调整，使用蓄电池为发动机电机、检测传感器以及数据链路系统提供电源。控制系统由电力线路巡检机器人飞机导航系统、飞行路径自主规划系统、数据链路系统、基于多传感器融合的在线检测系统构成。其优点在于：有效的改善电力线路的监控质量，保障输电网络的安全平稳运行，并且安全、可靠、适应性好，监测速度快，机器人飞机智能化程度高、可实现超视距测控飞行、程控自主飞行及自动返航等多种功能。 电力线路巡线机器人是现代机器人技术的应用之一，今后各种机器人将在各个领域内发挥更大的作用，特别是在工业、危险操作等领域替代人类，完成重要的工作，改善人们的工作生活。
移动巡线机器人
目前国内外研究的巡线机器人有两种类型，一种是移动巡线机器人，可以沿电力电线自主行走、跨越障碍并进行线路巡检。巡线机器人能够带电工作，以一定的速度沿输电线爬行，并能跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、杆塔等障碍，利用携带的传感仪器对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测。 国外巡线机器人的研究始于20世纪80年代末，日本、美国、加拿大、泰国的一些研究机构先后开展了巡线机器人的研究。他们研制的巡线机器人可以分为两类：一类是具有跨越障碍物功能，但结构尺寸大、质量大，因而实用性差，并大多仍处在实验室研制阶段；另一类则只能在两杆塔间的直线段巡线，不具备跨越障碍物功能，因而其巡线作业范围受到极大限制。 东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线（OPGW）巡检移动机器人。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线（OPGW）爬行，能跨越地线上防震锤、螺旋减震器等障碍物。遇到线塔时，机器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式，粗略控制是把线塔和地线的资料数据（线塔的高度、位置，地线长度，线路上附件数量等）预先编制好程序输入机器人，据此控制机器人的行走和越障；精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制。机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。 国内巡线机器人的研究始于20世纪90年代末，中国科学院、武汉大学等单位在该领域进行了研究，并申请了相关专利： 中国科学院沈阳自动化研究所申请的发明专利200410020490.8（申请日：2004.04.30）涉及一种超高压输电线巡检机器人机构。它由移动车体、后手臂、前手臂组成，其中：移动车体由本体和行走轮组成，行走轮通过水平转动副和移动副安装在本体上，并与线相抓持，本体通过转动副分别与前、后手臂相连，手臂末端为手爪；所述前手臂、后手臂结构相同，其中每一手臂由上臂、下臂两部分组成，上臂为连杆及滚珠丝杠与滑块组合结构，通过水平转动副与下臂相连接，下臂为大行程伸缩机构。该发明工作空间大、重量轻、能耗低且越障能力强。 中国科学院自动化研究所申请的发明专利200310118302.0（申请日：2003.11.18）涉及机器人技术领域，是110kv高压输电线路自动巡检机器人的一个单体。该发明高压输电线路自动巡检机器人单体，由防护罩、驱动臂、驱动臂升降电机、小臂、小臂升降电机组成，其驱动臂包括驱动轮、驱动轮轴、同步带、同步带轮、主电机、主电机输出轴、开合电机、开合螺杆等，其中，主电机带动驱动轮，使巡检机器人单体在输电线上行走，开合电机控制开合机构，决定驱动轮与输电线之间的挂靠或撤离；其小臂中设有支撑轮和关节轴承，支撑轮槽曲率较大，与输电线保持点接触，有利于关节轴承对支撑轮姿态的自调节。该发明自动巡检机器人单体，可实现在输电线上稳定行走、跨越障碍物、紧急刹车等功能，取代了人工巡检高压输电线路。 武汉大学申请的发明专利200510019930.2（申请日：2005.12.01）公开了一种高压巡线机器人沿输电线路进行导航的方法，其特征在于：将一系列相同参数的电磁传感器分别布置在机器人的手臂上，各组传感器分别同轴线布置，让机器人的各待调控部位的空间位姿状态能通过各该部位的传感器阵列组相对高压输电导线的距离表征。本发明的优点是：实现简单，结构小巧，成本低廉；可避免强电场、强磁场的干扰，实用性强；控制算法简单，操作方便。如配备相应的机器人设备，可以用来辅助完成高压巡线机器人沿架空高压输电线路进行全自动化的巡检作业。 山东大学申请的专利200510042569.5（申请日：2005.03.18）为沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，由机器人本体、控制装置、传感器、检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测距传感器和检测障碍用的视觉传感器CCD安装在每只手的前方，检测装置包括高速球摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。能够在110kV输电线路上平稳行走，自主地跨越输电线上的各种障碍，代替人进行输电线路的巡线工作，减轻输电线路巡线的工作量，提高工作效率和检测的精度，达到确保输电线路安全运行的突出特点。
巡检飞行机器人
另一种是线路巡检飞行机器人，采用小型无人飞行器，安装CCD摄像机，可以超视距测控飞行和低空飞行，具有智能化程度高的特点。 如国外EA Technology公司研制的电线巡检机器人Sprite是一种小型对称旋翼飞行器，机身设计特别考虑到了空气紊流的低影响，安装了增稳控制系统，可以在阵风扰动中平稳飞行。飞行器安装有一个高精度CCD摄像机，有一个变焦镜头安装在主动平衡系统上，平衡系统可以保证飞行器飞行时图像的平稳。 国内华北电力大学申请的发明专利200410098960.2（申请日：2004.12.17）提供了一种电力线路巡检机器人飞机及其控制系统，飞机结构采用共轴双螺旋桨反向驱动结构，采用两个发动机分别驱动两个螺旋桨反向旋转，通过控制两个发动机的转速比控制飞机机身的稳定；使用GPS系统与GIS系统确定飞机的飞行轨迹，使用基于32位的精简指令集计算机处理器ARM的嵌入式系统进行飞行姿态调整，使用蓄电池为发动机电机、检测传感器以及数据链路系统提供电源。控制系统由电力线路巡检机器人飞机导航系统、飞行路径自主规划系统、数据链路系统、基于多传感器融合的在线检测系统构成。其优点在于：有效的改善电力线路的监控质量，保障输电网络的安全平稳运行，并且安全、可靠、适应性好，监测速度快，机器人飞机智能化程度高、可实现超视距测控飞行、程控自主飞行及自动返航等多种功能。 电力线路巡线机器人是现代机器人技术的应用之一，今后各种机器人将在各个领域内发挥更大的作用，特别是在工业、危险操作等领域替代人类，完成重要的工作，改善人们的工作生活。
