輸電線路智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

莊勝

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司連云港運(yùn)維站 江蘇連云港 222023

1 總體設(shè)計

線路智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、越障橋、駐留巢穴和遠(yuǎn)程集控中心4部分組成（見圖1）。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)組成

（1）機(jī)器人本體通過架設(shè)越障橋跨越線路桿塔以及地線上的防震錘或其他障礙物，實(shí)現(xiàn)全線路無障礙行走。機(jī)器人本體帶有高清攝像頭，可以360°實(shí)時對導(dǎo)線和地線進(jìn)行拍照或錄像，一方面可以傳輸?shù)奖镜氐孛娑耍┭矙z人員現(xiàn)場實(shí)時查看線路是否存在故障或者隱患；另一方面通過4G無線路由器將采集到的數(shù)據(jù)傳回遠(yuǎn)程集控中心[1]。

（2）駐留巢穴一方面負(fù)責(zé)監(jiān)測線路周圍的氣象數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程集控中心；另一方面利用太陽能電池板對蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池與駐留巢穴前端無線充電模塊發(fā)射端相連接，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)駐留巢穴時，機(jī)器人利用自身傳感器檢測到?jīng)]有短路且發(fā)射端電壓正常時，開啟充電模式，對機(jī)器人電池進(jìn)行充電，否則關(guān)閉充電。當(dāng)檢測到電池電壓達(dá)到設(shè)定值時，則關(guān)閉充電。駐留巢穴采用無線充電技術(shù)給機(jī)器人電池充電，大大延長了機(jī)器人的操作巡檢半徑，解決了傳統(tǒng)有線充電易短路、接觸節(jié)點(diǎn)磨損、產(chǎn)生火花等缺點(diǎn)。

（3）遠(yuǎn)程集控中心一方面接收機(jī)器人本體狀態(tài)數(shù)據(jù)以及駐留巢穴監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而下達(dá)機(jī)器人的控制巡檢指令；另一方面對機(jī)器人本體采集回來的照片利用人工智能技術(shù)TensorFlow，進(jìn)行故障識別，自動判斷輸電線路是否存在故障或隱患。

2 巡檢模式設(shè)計

通過越障橋和駐留巢穴的輔助，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)沿地線行走、跨越桿塔和長期駐留桿塔。該機(jī)器人可以自動定期、全局巡檢，又可隨時在人工遙控下實(shí)時、定點(diǎn)巡視。由于機(jī)器人在地線上運(yùn)行，視角較高，可以通過攝像機(jī)云臺設(shè)定多個預(yù)置位以實(shí)現(xiàn)對線路、金具、絕緣子、桿塔和線路走廊的巡檢[2]。

機(jī)器人采用自動巡檢和手動巡檢2種作業(yè)模式進(jìn)行日常作業(yè)。在自動巡檢模式下，機(jī)器人在設(shè)定時間內(nèi)自動從休眠狀態(tài)喚醒，從巡檢線路一端的駐留巢穴出發(fā)，自動沿地線行走、過橋和巡檢，到達(dá)另外一端的駐留巢穴后，駐塔停留，同時完成機(jī)器人電池充電。巡檢結(jié)束后進(jìn)入駐留巢穴，機(jī)器人進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待接受下一次巡檢任務(wù)。工作人員在遠(yuǎn)程集控中心定期查看巡檢結(jié)果。在人工遙操作巡檢模式下，工作人員現(xiàn)場手動操作或集控中心遠(yuǎn)程操作，通過無線通信系統(tǒng)向機(jī)器人發(fā)送指令，機(jī)器人從巢穴中駛出，按指令完成巡檢任務(wù)。巡檢工作結(jié)束后，機(jī)器人進(jìn)入自動巡檢模式或返回巢穴，操作人員可實(shí)時查看巡檢結(jié)果。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

3.1 跨越越障橋過程控制

線路智能巡檢機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜場景下的無障礙行走。

（1）機(jī)器人運(yùn)行到越障橋時，機(jī)載紅外傳感器識別到越障橋，將信息返回給控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人越障裝置夾緊越障橋，根據(jù)橋型結(jié)構(gòu)、所處位置通過內(nèi)置算法實(shí)時控制開合大小調(diào)節(jié)夾緊力大小，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)上橋。

（2）機(jī)器人在橋上行走時，根據(jù)橋的結(jié)構(gòu)、風(fēng)向及風(fēng)力大小實(shí)時調(diào)節(jié)夾緊力大小。

（3）控制機(jī)器人平穩(wěn)行走，重回地線上完成越障工作。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）智能巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)[12]采用了雙控制系統(tǒng)設(shè)計，STM32芯片上采用UCOS系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集以及云臺控制。

（2）為防止機(jī)器人出現(xiàn)故障，STM32芯片與ARM芯片通過串口實(shí)現(xiàn)通信，頻率為0．1s。當(dāng)STM32芯片故障時，ARM芯片可以重啟STM32芯片；反之，當(dāng)ARM芯片故障時，STM32芯片也可以重啟ARM芯片。此方案設(shè)計有效提高了機(jī)器人的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

（3）電源管理模塊利用無線充電模組對機(jī)器人電池充電，利用相關(guān)算法可對機(jī)器人各部分器件實(shí)行有效的電源管理，提高電池的壽命以及延長機(jī)器人的作業(yè)半徑。

4 結(jié)語

本文研制了一款由機(jī)器人本體、越障橋、駐留巢穴和遠(yuǎn)程集控中心4部分組成的輸電線路智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計了一種新型越障橋可使機(jī)器人跨越桿塔以及防震錘等線路金具，實(shí)現(xiàn)全線路無障礙自動巡檢，有效延長了機(jī)器人的工作半徑。駐留巢穴采用無線充電模式對機(jī)器人進(jìn)行充電，解決了傳統(tǒng)有線充電易短路、接觸節(jié)點(diǎn)磨損、產(chǎn)生火花等缺點(diǎn)。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用雙系統(tǒng)設(shè)計，當(dāng)STM32和ARM中的一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一系統(tǒng)可以重啟故障系統(tǒng)。采用三軸維穩(wěn)云臺，降低地線、桿塔振動對機(jī)器人本體的影響，提高了機(jī)器人云臺的穩(wěn)定性和采集圖片、視頻的質(zhì)量。