大跨越輸電線路巡檢機器人系統的設計

蔡光柱 楊 振 鄭鵬超

大跨越輸電線路巡檢機器人系統的設計

蔡光柱 楊 振 鄭鵬超

（北京國網富達科技發展有限責任公司，北京 100071）

大跨越輸電線路往往地處臺風多發、振動強烈、鹽漬嚴重等惡劣自然環境中，為解決大跨越輸電線路日常無法人工巡檢的難題，本文設計一款大跨越輸電線路巡檢機器人系統。該巡檢機器人本體通過越障裝置可從塔頭跨越到地線，進而沿地線開展巡檢工作；兩端塔頭上安裝有智能充電巢，可對機器人電池進行無線充電，解決機器人野外充電問題；RTK差分定位系統配合高精度行走碼盤，可實現機器人厘米級別精確定位，提高了機器人圖片、視頻采集的準確率；通過4G模塊，機器人可將自身狀態、輸電通道運行信息、圖片、視頻等傳輸到服務器遠程監測平臺，便于巡檢人員遠程實時查看線路運行是否正常。該機器人有效降低了輸電線路巡檢人員的勞動強度和工作危險性，實現了大跨越輸電線路的高精度自動化巡檢。

輸電線路；大跨越；物聯網技術；無線充電；差分定位系統；遠程監測系統

0 引言

為實現遠距離大功率的電能輸送，近年來國家電網公司大規模建設特高壓輸電網，輸電線路經過的地理環境越來越復雜，往往地處臺風多發、振動強烈、鹽漬嚴重等惡劣自然環境中，輸電線路日常巡檢面臨巨大難度，有些大跨越線路甚至無法巡檢。

受自然條件限制，往往無法巡檢大跨越輸電線路，即使采用人工巡檢，受視角影響，也無法檢查高層設備；同時受巡視人員人數、技術水平及其他因素影響，巡視質量參差不齊，對線路的巡視存在一定的局限性，無法實現全天候實時監測。在臺風、雨雪等特殊天氣條件下，人工巡檢存在較大安全風險，甚至無法開展人工巡檢；而且人工巡檢存在工作效率低、監測質量分散、手段單一等不足，檢測的數據也無法準確、及時地接入信息管理系統。目前各檢修公司面臨工作人員老齡化、新進員工少、巡檢人員嚴重不足的窘境，人工巡檢數據無法數字化，不利于后期處理。

為解決上述諸多問題，歐、美、日等眾多國外研究機構和國內一系列廠家均對輸電線路機器人進行了研究，20世紀90年代，加拿大魁北克研究人員提出“電力巡檢機器人”的構想，日本東芝等公司和歐美科研院所也開始相關的科技研發工作。同時，我國科研人員也對此做了一系列研發工作。劉貞瑤等設計了一種新型越障裝置，解決了輸電線路機器人無法越障、無法實現全線路巡檢的問題，采用無線充電的方式，實現了鋰電池的野外無接觸式充電，提高了巡檢機器人的巡檢范圍[1]。多年來，吳功平團隊對輸電線路巡檢機器人進行系統性研究，對機器人的控制系統、越障方法、定位系統等進行了大量研究，提出一系列解決方案[2]。彭向陽等研發了穿越式、跨越式兩類巡檢機器人，提出機器人行走路徑改造方法，首次設計了機器人自動上下線裝置，并完成了機器人全自主巡檢系統的研 制[3]。李睿等引入基于物聯網框架的多傳感器融合算法，提出基于自抗擾控制技術的多機協調控制策略，并驗證了其可行性[4]。

受常規人工巡視和視頻監控的限制，無法發現大跨越輸電線路導線上部和桿塔頂部的缺陷，難以實現精益化巡視，有必要采用巡檢機器人代替人工登塔巡檢。現有的輸電線路巡檢機器人沒有針對大跨越線路進行設計，無法適應大跨越輸電線路；且普遍存在功耗大、野外無法充電、定位不準確、檢測方式單一等缺點。綜合以上研究，結合物聯網低功耗技術，本文設計一種功耗低、能夠野外充電且定位精度高的大跨越輸電線路巡檢機器人系統[5]，該機器人可實時采集大跨越輸電通道中金具、絕緣子、桿塔和線路走廊等信息，及時發現早期缺陷，從而實現大跨越輸電線路自動化巡檢，降低巡檢人員高空作業的危險性，可以有效解決現有大跨越輸電線路人工巡檢存在的問題，實現大跨越輸電線路數字化管理。

1 總體設計

本文設計的大跨越輸電線路巡檢機器人系統組成如圖1所示，主要包括RTK（real-time kinematic）差分定位[6]系統、充電駐留巢穴[7]、越障橋和機器人本體四部分。RTK差分定位系統安裝在塔頭最高處，用于接收GPS信號，機器人輪子上安裝有Sick高精度碼盤，與RTK差分定位系統結合，可以實現厘米級別的精確定位，便于實現機器人自動巡檢時的預置位設置；充電駐留巢穴前端裝有無線充電發射端，機器人利用碼盤和紅外裝置到達駐留巢穴，實現無線充電的精確對準，當發射端電壓符合設定值時，開啟平衡充電模式，對機器人電池過程進行智能化管理，解決電池組和電池相關的故障，如過電壓、欠電壓、過電流、短路電流、過載等。采用無線充電方式對機器人電池充電，解決了傳統有線充電方式易短路、接觸節點易磨損、易產生火花等問題。

圖1 機器人系統組成

巡檢機器人本體結構示意圖如圖2所示，通過安裝在塔頭的越障裝置可以跨越地線上的防震錘行走到地線上，在大跨越鐵塔檔距之間行走[8]；為解決大跨越線路爬坡角度大的問題，選用Maxon高功率電機，配合Escon50/5驅動器，電機效率高于90%，最高功率可達170W；主動輪內側裝有高摩擦系數的橡膠，從動輪和主動輪上下夾緊地線可以增大主動輪與地線之間的摩擦力，增強機器人的爬坡能力。為降低地線、桿塔振動帶來的不利影響，提高圖片、視頻的采集質量，采用雙光三軸維穩云臺。該維穩云臺[9]帶有紅外雙光攝像頭，對導線和地線進行拍照，可以實時監測線路溫度變化；所采集圖片通過圖傳模塊保存到地面手持端，巡檢人員可及時查看大跨越線路運行是否正常，另外，通過4G模塊可將機器人自身狀態和線路運行數據傳回電力公司集控中心，便于巡檢人員遠程監測。

圖2中從動輪位于地線下方，在從動輪電機的驅動下可以上下運動，與主動輪一起構成一個封閉框，保證機器人在任何時候不脫線，避免發生墜落事故；輔助攝像頭具有固定的向上視角，用于觀察地線及機器人主、從動輪的運行情況；機器人的外形采用圓弧形設計，有效降低了風阻。

圖2 巡檢機器人本體結構示意圖

2 超低功耗模式設計

為有效延長鋰電池的使用壽命和工作時間，大跨越輸電線路巡檢機器人本體采用低功耗設計[10]。硬件采用最新STM32L5超低功耗MCU芯片，其專有的超低功耗技術可在性能和功耗之間實現最優平衡，是物聯網節能設計中一款應用廣泛的微控制器。

該機器人控制系統在軟件方面使用雙系統設計，在STM32L5芯片上移植物聯網操作系統RT- Thread對巡檢機器人本體的本地通信、運動控制、傳感器采集及云臺控制等任務進行合理有效分配與管理，盡量降低系統功耗；ARM芯片上移植使用Linux系統，對巡檢機器人的自動巡檢、4G通信、圖片采集、發送及自動充電等任務進行管理；當巡檢任務結束或者機器人運動到充電巢穴時，進入非工作狀態關閉各傳感器、本地通信、圖像傳輸、電機、云臺等模塊的電源，僅保留與Linux系統及后臺服務器的通信模塊，使機器人系統進入低功耗休眠狀態，從而最大程度上降低機器人的功耗，有效延長電池工作時間，擴大機器人的巡檢半徑[11]。當機器人接收到巡檢指令或者滿足巡檢任務開啟條件時，機器人打開各傳感器、本地通信、圖像傳輸、電機、云臺等模塊的電源，進入自動巡檢狀態。相比于傳統巡檢機器人，本文采用低功耗模式設計，機器人系統功耗大大降低，延長了巡檢機器人電池使用壽命，巡檢半徑擴大三倍以上，可以達到大跨越輸電線路自動巡檢的要求。功耗對比見表1。

表1 功耗對比 單位：W

3 控制系統設計與研究

3.1 機器人本體硬件設計

該機器人的控制系統采用嵌入式雙控制系統設計[12-13]，巡檢機器人本體能夠利用越障橋行走到地線上，進而在大跨越輸電線路檔距之間無障礙行走。當巡檢機器人本體行走到越障橋時，巡檢機器人本體攜帶的紅外開關能識別越障橋，將信號傳給STM32控制系統，調節壓力傳感器夾緊力，根據越障橋機械結構、現場風速、風力大小，調整過橋控制算法參數，實時調節電機輸出功率和壓力傳感器夾緊力大小，控制機器人主動輪電機運行方向和速度，順利平穩行走到地線上；在地線上行走時，根據地線爬坡角度，實時調節電機輸出功率和速度，最大爬坡角度可達50°，滿足大跨越線路的要求。考慮到大跨越輸電線路巡檢機器人的工作場景，無線通信必須確保其具有低功耗、高可靠性，綜合以上考慮，選用SX1262 LoRa芯片，用于巡檢機器人本體與地面手持端進行無線通信，其發射功率可調，傳輸距離長達十幾公里。該巡檢機器人本體可以跨越線路桿塔、防震錘等設備，采用機器人過橋控制算法，巡檢機器人本體能平穩跨越越障橋，可在地線上實現上坡、下坡、越障等功能，進而實現大跨越線路內自動化巡檢，如采集線路運行信息、定點采集圖片、視頻等。大跨越輸電線路巡檢機器人本體硬件設計如圖3所示。

圖3 大跨越輸電線路巡檢機器人本體硬件設計

3.2 無線充電管理

目前，機器人自動充電存在以下不足：①受到自動定位精度的限制，不易對準充電觸點；②有線充電要求充電觸點對接精確性高，增加了設計的復雜性；③充電觸點多次插拔，會引起機械磨損，導致接觸松動；④長期處于室外環境，充電觸點容易附著污物，導致接觸不良，也極易引起電路短路，嚴重影響產品的穩定性、可靠性。鋰電池使用過程中最重要的就是充電，充電性能的好壞直接影響著鋰電池的使用壽命和電池性能，采用平衡充電模式可以有效提高電池充電效率，進而延長鋰電池的使用壽命[14]。

為解決以上問題，本文設計無線充電系統[15]，在塔頭安裝無線充電發射裝置，機器人上端安裝無線充電接收裝置和紅外定位裝置。為實現充電位置的精確定位，采用紅外開關和Sick高精度防水碼盤，利用Z相零位脈沖消除測量時的累計誤差。為實現鋰電池的自動平衡充電功能，本文基于TI公司生產的電量監測計芯片組BQ40Z80，針對過電壓、欠電壓、過電流、短路電流、過載和過熱條件，以及其他與電池組和電池相關的故障，設計了鋰電池自動充電模塊，提供安全保護功能，可準確預計電池組的運行時間，最大限度延長電池運行時間和提高有效電池容量。鋰電池平衡充電過程如圖4所示。

圖4 鋰電池平衡充電過程

3.3 定位系統

GPS的定位精度受地球電離層、衛星軌道誤差等因素影響，導致民用GPS的定位精度很差，其定位誤差達到幾米，巡檢機器人在進行大跨越輸電線路自動巡檢時，需要實現厘米級別定位，才能準確檢測電力設備運行狀況、采集到輸電走廊及其設備的清晰圖片、視頻，采用GPS定位無法滿足巡檢機器人自動巡檢定位的要求。因此，需要在塔頭安裝差分定位系統基準站，其采用雙頻載波相位差分技術[16]，即RTK，用于實現機器人自動巡檢時的厘米級別定位。首先塔頭基準站將觀測到的載波相位測量值和自身的坐標信息一起發送給機器人，機器人接收GPS模塊的載波相位和來自基準站的載波相位測量值，通過差分的方式，逐步消除機器人定位測量數據中的誤差，Linux系統實時處理相位差分觀測值，解算出巡檢機器人的行走坐標。其應用依賴基準站的差分信號，利用差分定位把GPS模塊的各種誤差計算出來，將其與GPS對基準站的定位結果作比較，就可以得到定位信號的偏差，再將這個偏差發送給需要定位的巡檢機器人，就可以使巡檢機器人獲得相對精準的位置信號。

本文基于嵌入式Linux平臺設計了一種實用的載波相位差分技術，有效提高了巡檢機器人定位的準確性和精度。在大跨越輸電線路環境下進行測試，結果表明RTK定位系統運行穩定可靠，定位精度能夠達到厘米級別，滿足巡檢機器人預置位巡檢、拍照等實際要求，便于準確檢測電力設備運行狀況。RTK定位系統流程如圖5所示。

圖5 RTK定位系統流程

3.4 遠程監測平臺

為了減輕工作量，便于巡檢人員遠程實時監測大跨越輸電線路運行狀況[17-18]，機器人通過4G無線網絡與服務器遠程監測平臺進行通信，巡檢人員通過瀏覽器可以執行以下命令：下發巡檢任務，查看機器人自身情況，查看輸電通道當前運行狀態，查看現場視頻圖片；實時展示線路、桿塔、機器人和機器人的位置等信息；查看最新的缺陷識別結果，導出缺陷報告。遠程監測平臺如圖6所示。

4 模擬環境測試

輸電線路巡檢機器人系統在大跨越輸電線路模擬環境下進行性能測試，巡檢機器人本體通過越障橋行走到大跨越檔距之間，其行走流暢，實時檢測電力設備運行狀況，雙光紅外攝像機可實時采集輸電走廊及電力設備的圖片，可對輸電線路下過往船只實現準確識別[19-20]，巡檢機器人系統模擬環境測試和性能測試分別如圖7和圖8所示。模擬測試數據見表2。目前大跨越輸電線路巡檢機器人系統運行平穩，充電流暢，定位準確，視頻傳輸實時性好，達到了項目研發設計的預期目標。

圖6 遠程監測平臺

圖7 巡檢機器人系統模擬環境測試

圖8 巡檢機器人系統性能測試

表2 模擬測試數據

5 結論

本文設計了一款大跨越輸電線路巡檢機器人系統，其由駐留充電巢穴、越障裝置、差分定位系統、機器人本體和遠程監測平臺五部分組成，具有如下 特點：

1）機器人電池采用無線模式進行充電，具有無金屬觸點、無需精確對準等特點，解決了室外有線充電接觸節點易磨損、易產生火花、充電對準困難等難點。

2）基于TI公司的電量監測計芯片組，設計了鋰電池平衡充電模塊，實現了鋰電池平衡充電功能，有效延長了鋰電池的使用壽命。

3）利用RTK定位系統配合機器人行走碼盤，實現了巡檢機器人系統厘米級別定位，實現了大跨越輸電線路高精度全自動化智能巡檢。

4）搭載三軸維穩云臺相機，提高了采集圖片的清晰度和穩定性，利用其光學變焦功能可在空中看清地面物體的細節。

5）熱成像紅外吊艙可以實現雙光畫中畫顯示、測溫、可見光變焦、移動跟蹤等功能。

大跨越輸電線路巡檢機器人系統在模擬線路運行測試，現場證明機器人行走平穩，運行穩定，實現了大跨越輸電線路的遠程監測和自動化巡檢，提高了巡檢人員的工作效率和大跨越線路巡檢的智能化水平。

[1] 劉貞瑤, 高方玉, 姜海波, 等. 輸電線路智能巡檢機器人系統的研制及應用[J]. 電力信息與通信技術, 2019, 17(8): 57-62.

[2] 吳功平, 肖曉暉, 肖華, 等. 架空高壓輸電線路巡線機器人樣機研制[J]. 電力系統自動化, 2006, 30(13): 90-93.

[3] 彭向陽, 錢金菊, 吳功平, 等. 架空輸電線路機器人全自主巡檢系統及示范應用[J]. 高電壓技術, 2017, 43(8): 2582-2591.

[4] 李睿. 基于物聯網的輸電線路巡檢機器人控制策略研究[J]. 計算機測量與控制, 2019, 27(11): 70-74.

[5] 何緣. 沿地線穿越越障的架空輸電線路巡檢機器人的研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2016.

[6] 魏葦. 基于差分GPS的變電站巡檢機器人定位導航系統的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2015.

[7] 牛玉潔, 冷建偉. 應用于智能機器人的無線充電技術研究[J]. 計算機仿真, 2017, 34(11): 348-352.

[8] 劉貞瑤, 高方玉, 高安潔, 等. 一種輸電線路智能巡檢機器人的仿真設計[J]. 電氣技術, 2019, 20(12): 41-45.

[9] 彭道剛, 關欣蕾, 戚爾江. 巡檢機器人云臺遠程控制系統的設計[J]. 電氣傳動, 2018, 48(11): 43-47.

[10] 李和平, 陳育新. 基于物聯網的礦井智能巡檢機器人控制系統設計[J]. 機床與液壓, 2015, 43(11): 119-122.

[11] 郭磊, 吳功平, 麥曉明, 等. 高壓輸電線路巡檢機器人續航里程的預測方法[J]. 武漢大學學報(工學版), 2018, 51(4): 347-355.

[12] 李祥, 崔昊楊, 皮凱云, 等. 基于STM32的變電站巡檢機器人系統設計[J]. 現代電子技術, 2017, 40(17): 150-153.

[13] 卿曉東, 蘇玉剛. 電場耦合無線電能傳輸技術綜述[J]. 電工技術學報, 2021, 36(17): 3649-3663.

[14] 葛學健, 孫躍, 唐春森, 等. 用于動態無線供電系統的雙輸出逆變器[J]. 電工技術學報, 2020, 35(4): 786-798.

[15] 許博. 高壓線巡檢機器人的設計與研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2017.

[16] 袁正午, 何格格. 一種高精度的GPS-RTK定位技術設計與實現[J]. 電子技術應用, 2018, 44(6): 63-67.

[17] 王波, 吳功平, 許鳴. 輸電線路巡檢機器人后臺管理及診斷系統[J]. 武漢大學學報(工學版), 2014, 47(1): 110-114.

[18] 陳振宇, 鄒德華, 彭沙沙, 等. 10kV配電網帶電作業機器人及其作業臂絕緣分析[J]. 電氣技術, 2021, 22(10): 65-70.

[19] 張峰, 郭銳, 盧士彬, 等. 高壓輸電線路巡檢機器人障礙物識別與定位[J]. 中國電力, 2019, 52(4): 111- 118.

[20] 張金貴, 李從飛. 基于無線技術的變電站自動巡檢機器人[J]. 電氣自動化, 2014, 36(2): 36-38.

Design of inspection robot system for large span transmission line

CAI Guangzhu YANG Zhen ZHENG Pengchao

(Beijing State Grid Fidelity Technology Development Co., Ltd, Beijing 100071)

Large span transmission lines are often located in the harsh natural environment, such as typhoon, strong vibration, serious salinity and so on. In order to solve the problem that large span transmission lines cannot be inspected manually, this paper designs a transmission line inspection robot system. The inspection robot can cross from the tower head to the ground wire through the obstacle device, and then carry out inspection work along the ground wire. Intelligent charging nests are installed on the tower heads at both ends of the long span, which can charge the robot battery wirelessly, and effectively solve the problem of robot charging in the field. RTK differential positioning system with high-precision walking code disk can achieve centimeter level accurate positioning of robot, and improve the accuracy of image and video acquisition of robot. Through the 4G module, the robot can transmit its own state, transmission channel operation information, pictures, videos, etc. to the server background, which is convenient for inspectors to check whether the line is running normally in real time. The robot effectively reduces the labor intensity and working danger of the inspectors of transmission lines, and realizes the high precision automatic inspection of large span transmission lines.

transmission line; large span; Internet of Things; wireless charging; differential positioning system; remote monitoring system

浙江省電力公司重點科技項目（5211NB1800LG）

2021-11-03

2021-11-22

蔡光柱（1988—），男，山東省禹城市人，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路物聯網設備、線路巡檢機器人的設計開發工作。