自主電力線巡檢機器人的發展概況及關鍵技術

摘 要：電力線巡檢首先在直升機巡檢領域得到自動化，近年來又在飛行機器人和爬行機器人領域得到飛速發展。不同類型的機器人在設計需求、巡檢質量、自主性和通用性等方面各有利弊，在應用領域呈互補關系。文章闡述自動直升機巡檢、飛行機器人巡檢、爬行機器人巡檢技術的發展概況，目的是展示電力線巡檢機器人領域的重要成就，并對存在的問題進行總結，對電力線巡檢機器人的發展前景做出展望。

關鍵詞：移動機器人；電力線巡檢；飛行機器人；爬行機器人

供配電中斷將導致電力生產者、銷售者及消費者的巨大損失，最小化電力線故障具有重要意義。為了盡早檢出缺陷并高效維護，配電網絡需要定期巡檢。在過去二十年中，電力線自主巡檢領域開展了大量卓有成效的研究。本文闡述了直升機輔助巡檢、飛行機器人巡檢、爬行機器人巡檢等電力線巡檢技術的發展概況及關鍵技術，對需要解決的問題做了總結，并對巡檢機器人的發展前景做出展望。

1 電力線缺陷

電力線缺陷發生在導線、絕緣子、電線塔桿及其它電力線設備中。鋼芯鋁制電纜上的兩種常見缺陷是鋁線腐蝕和機械損傷。導線表面鋁線斷裂可由視覺檢出，腐蝕問題只能用特殊設備檢測或通過測量導線升溫而得知。導線的機械損傷通常是由風致振動，斷線靠近夾子及其它配件。由于斷線鋒利，斷線表面的電場強度很高，觸發了電暈效應，這種效應可通過紫外（ultraviolet，UV）相機有效檢測。

絕緣子缺陷根據絕緣子類型有所不同。玻璃絕緣子缺陷通常可通過視覺檢測。陶瓷絕緣子缺陷大多是因為腐蝕，相對較難檢測。檢測有缺陷的復合絕緣子也具挑戰性。視覺檢測是最常用的檢測技術，其它檢測方法是熱成像儀、UV相機。

塔桿、塔線設備（隔離器、夾具、阻尼器、滅弧角等）及周圍植被都需要定期檢查。塔桿和塔線設備會老化或被人為破壞，植被也可能成為大問題，因為通常樹木每年長高約50cm，有些樹甚至每年可長高400cm。因此，植被與輸電線之間的距離需要定期檢查。

2 自動直升機輔助巡檢

直升機巡檢采用陀螺穩定吊艙、紅外熱成像儀和可見光成像儀等先進設備進行超高壓輸電線路的巡檢操作，具有巡檢靈活機動的特點，能在第一時間為電網調度和開展設備狀態檢修提供真實全面的現場資料，大大提高了巡檢效率。

直升機輔助巡檢須實現自主電力線追蹤、針對電力線的視覺缺陷檢測和測量的安全距離。該距離及直升機振動和運動都會對高質量圖像的獲取產生影響。巡檢中更常用到小型直升機，因為它更敏捷、能耗更少、可實現空中懸停。若要執行長距離巡檢，直升機必須有足夠高的能效。直升機輔助巡檢的關鍵技術是位置控制、電力線自動跟蹤、避障、通信、圖像采集、自動故障檢測、測量安全距離、充電續航。

3 無人機巡檢

無人機巡檢和自動直升機巡檢在一些方面有相似之處，這兩種方法都有一些共同的問題，包括相機穩定性、線桿追蹤和自主檢測故障等。無人機巡檢的評估報告顯示，無人機巡檢比徒步巡檢更快，又與昂貴的直升機巡檢精確度相同甚至比直升機巡檢更精確。無人機巡檢在技術上是可行的。

由D.I.Jones領導的研究小組開發了一種視覺導航的配電網絡巡檢無人機。該無人機轉子葉片不暴露，懸停和低速飛行非常有效。無人機裝配陀螺穩定相機、導航和定位系統、處理圖像和其它傳感器數據的計算機、通信系統和充電系統。主要研究目標是無人機位置和姿態控制、協助無人機飛越障礙物和飛近電力線的導航系統設計、以及充電系統設計。

4 爬行機器人巡檢

電力線巡檢的另一種方法是沿導線爬行、可跨越各種障礙物的爬行機器人。該方法的主要優勢是可實現近距離全線高精度巡檢，巡檢不受天氣及空域管制等影響，巡檢成本低。近距離檢測和低振動水平大大提高了圖像采集的質量。爬行機器人懸掛在導線上前進，并可沿輸電線路跨越障礙，因此需要較復雜的機器人機構。機器人功能主要包括沿導線自主運動、自動視覺巡檢、至少半自主的障礙穿越（也即自主跨越已知或可預測的障礙）。

4.1 機器人機構和越障

武漢大學的吳功平教授團隊提出了由2個小臂操作手機構、1個公共的變長大臂機構、2個小臂與變長大臂間各分別有1個繞鉛垂軸和水平軸旋轉的關節組成的雙臂協調移動的機器人機構模型。實現了機器人在一根相線全程線路上的自主行駛運動（滾動、爬行和跨越/避讓障礙物）。該機器人目前已在湖南、吉林等省示范運行。

4.2 機器人控制系統

機器人控制系統的主要目標是在機器人越障時提供導航。根據有關障礙物的傳感數據，控制系統應能引導機器人跨越障礙。另一個重要問題是消除機器人振動。在風和其它擾動的影響下，電力線和爬行機器人都必然發生振動。振動引起圖像及機器人手臂的運動模糊，這些都會減小導線定位精度。

4.3 機器人傳感器

爬行機器人所用傳感器主要用于機器人控制、電力線巡檢和重要參數的監測（供電電壓、機器人內部溫度等）。最重要的一個傳感器問題是導線上的障礙物檢測和位置估計，這通常由距離傳感器完成。該方法雖易實現，但通常不能提供足夠信息以實現障礙物跨越。為自主跨越障礙，障礙物類型必須已知。

4.4 供電

電力線有望為巡檢機器人運動供電。有文獻提出經由電力線磁場提取能量，具體方法是將磁性鐵芯安置在導線周圍，電力線中電流越大，轉移到次級線圈中的電能越多。

5 結束語

不同類型的巡檢機器人各有利弊，在關鍵技術難點上有一些共通之處，在應用領域呈互補關系。將來我們可能會看到集多種功能為一體的自主電力線巡檢機器人。

參考文獻

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作者簡介：王麗楊（1980-），女，四川廣安人，副教授，研究方向：智能機器人，信息與系統科學相關工程與技術。