架空输电线路自动巡线机器人

　　 架空输电线路自动巡线机器人该文针对架空输电线路具有防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、转弯等诸多障碍，线路与障碍物的相对位置和形态不固定的特点，介绍了一种运行于输电线路上的巡线机器人。文中首先对机器人机械结构和控制系统进行了简单介绍，然后对机器人的功能及达到的性能指标进行了说明。 　　电能传输必须依靠高压输电线路。由于输电线路分布点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，电力线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，必须及时修复或更换。所以，必须对输电线路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的运行情况，线路周围环境和线路保护区的变化情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡检，存在很大的困难，甚至有一些巡检项目靠常规方法难以完成，因此，利用机器人进行自动巡线成为保障线路安全运行的一种必要手段。
　　
　　 国外在巡线机器人领域的研究起步较早，从20世纪80年代末开始，日本东京电力公司、美国TRC公司等先后开展了巡线机器人的研究工作。但他们研制的巡线机器人一般需要人工参与，或只能完成两线塔之间电力线路的检查，作业范围小，自治程度低。国内关于输电线路巡线机器人研究起步较晚，2002年开始，针对110kV、220/330kV和500kV输电线路，国家863计划支持了3个巡线机器人方面的项目研究，到目前已取得了较大进展。本文针对110kV架空输电线路巡线机器人的设计开发进行了阐述。
　　
　　 1巡线机器人的机械结构
　　
　　 巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源技术等多个领域。它沿高压输电线路自动完成线路的巡检任务，巡线机器人系统运行示意图如图1所示。
　　
　　 图1巡检机器人系统运行示意图
　　
　　 机器人不仅能沿相线快速行走，而且还要跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、转弯、弓子线等诸多障碍，并且线路与障碍物的相对位置和形态还具有不固定的特点，故要求机器人必须具有灵巧的机械结构，否则不可能完成巡线任务。具体地说，巡线机器人对机械结构的要求有以下5个方面：能在高压输电线路上以要求的速度平稳运行，具有一定的爬坡能力；能够灵活地跨越高压线路上的防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等障碍；能够跨越弓子线和转弯；体积小、重量轻，但必须提供足够的空间安装携带电源和仪器；在故障情况，能可靠自锁，防止机器人摔落。
　　
　　 其中越障能力又是巡线机器人结构设计的关键。由于机器人悬挂在架空线上，越障时既要保证机器人姿态平稳，又要保证与其它导线和杆塔金属部件及拉线的安全间距，并且还要容易控制，因此设计难度非常大。国外的几种巡线机器人未能实用的最根本的原因就在于没有解决好这个问题。
　　
　　 针对国内110kV输电线路的实际情况，笔者参与设计开发的巡线机器人本体结构如图2所示。机器人本体呈对称结构，中间是控制箱，控制箱上方是一只具有伸缩功能的手臂，前后各有一只相同结构的柔性臂，分别通过涡轮蜗杆减速器连接在控制箱上；每只手由两个手掌构成，手掌开合装置安装在手腕处，机器人的驱动装置和刹车制动装置安装在手掌上。为实现灵活越障，机器人本体共设计了16个驱动关节，每只手臂上都装有CCD摄像机、超声传感器、接近传感器和碰撞传感器等。
　　
　　 注：1驱动装置；2柔性臂；3制动装置；4控制箱；5手掌开合装置
　　
　　 图2巡线机器人本体结构 2巡线机器人的控制系统
　　
　　 自动巡线机器人是一种运行于高压架空输电线路上，具有一定智能的机器。对于这种特殊的工作环境，要求巡线机器人必须具备自动控制和主从遥控操作控制两种工作方式，并具有在恶劣环境中可靠工作的能力。
　　
　　 巡线机器人控制系统的组成如图3所示，由两大部分组成：地面遥控/数据接收移动基站和本体控制单元，其中机器人本体控制单元采用由规划层和执行层组成的两层分布式计算机控制结构。
　　
　　 图3控制系统框图规划层由工控计算机系统（PC104主板）、控制输入装置（检修、调试用控制面板）、图像采集卡、I/O板卡及无线收发装置等组成。巡线机器人沿输电线路爬行，要跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等各种障碍。由于线路情况复杂，因此规划层的运动轨迹规划主要是局部越障规划，它可以通过接收来自控制面板的控制命令（检修和调试时），或地面基站工作人员通过无线通信发过来的遥控命令（遥控操作），或利用传感器提供的机器人周围的局部环境信息，自动生成下一步的控制策略（自动控制方式），确保机器人可靠、快速的越过障碍。由于巡线机器人在高空作业，会受到刮风及弓子线（跳线）部分导线不规则形状的影响，并且环境中障碍物的形状各异，尺寸较小，因此使用了超声传感器、激光测距仪、CCD等多种传感器，并采用多传感器的信息融合技术，成功地解决了机器人的避障问题。
　　
　　 规划级通过RS-232与直接控制级进行通信，指示控制级完成指令规定的运动轨迹。而无线数据收发模块用于接收地面遥控指令，并向地面发送机器人一系列的重要状态信息，以便于地面手动干预，避免事故发生，优先级高于自动控制。
　　
　　 执行层是直接面向被控对象的，用来完成对各自由度的运动控制。它主要由以下3个部分组成：
　　
　　 ?电机伺服控制单元。由电机驱动器、直流电机，位置传感器和ATMega128AU单片机系统组成位置闭环控制系统；另外它还与视觉传感器和电磁传感器等构成机器人姿态伺服环。
　　
　　 ?开关量单元。由I/O板卡，限位开关等组成，执行对执行机构的限位和电源系统的操作。
　　
　　 ?红外成像仪和可见光摄像仪，用于对线路的检测。
　　
　　 另外，执行层的任务还包括收集各关节位置传感器的信息并进行预处理，然后传送给规划级，以便规划级进行下一轮的运动轨迹规划，完成对控制器、功率放大器的故障诊断，并把诊断结果送到规划级。
　　
　　 3机器人自主运行试验
　　
　　 对所研制的机器人在试验线路上进行了运行试验。运行实验表明，110kV巡线机器人样机已实现了如下功能：
　　
　　 能自主运行，自动避让或跨越防振锤、悬垂线夹、压接管等组合型障碍物；可携带红外热成像仪、可见光摄像机及其云台，分别拍摄线路运行故障的红外热图像、线路及其通道的可见光图像。
　　
　　 4结束语
　　
　　 本文介绍的110kV输电线路巡线机器人机械结构上采用了三手臂结构，使控制更容易，可靠性更高；运行实验表明，该机器人基本解决了常规线路的自主越障问题，但复杂线路部分有时还需要人工辅助。由于巡线机器人是一个复杂的系统，其作业环境为相当恶劣的高空、强电磁场且有多种障碍的导线，加以风荷、野外光线强弱变化和复杂背景的影响，要达到实用化所要求的完全自动巡线，还有待开展进一步的工作。随着机器人各种性能的不断完善和人们对输电可靠性越来越高的要求，其发展前景将是非常广阔的。