架空電力線路巡線機器人及運用分析

紀湛

廣東建能電力工程有限公司，廣東廣州，511400

0 引言

架空電路是我國電力體系中不可或缺的重要組成部分，但是常規的人工巡檢一直存在工作難度高、風險大的問題，導致電力企業無法有效獲得線路狀態信息，增加了輸電線路運行風險發生率。針對上述問題，越來越多的學者開始推廣巡線機器人技術，該機器人具有工作效率高、精度滿意等優點，成為未來智能化電網的重要組成部分，其發展前景廣闊，值得關注[1]。

1 巡線機器人技術分析

本次研究中所介紹的巡線機器人能夠用于高壓架空輸電線路的安全檢查，在多傳感器控制的基礎上，實現了自動化控制、機械學與傳感器技術于一身，能夠滿足惡劣氣候條件下的巡視要求。因此在本次設計中，巡線機器人應該具有以下功能：（1）機器人可以在架空電力線路上正常運行；（2）機器人可以識別不同工況，如障礙的影響；（3）可以在分辨障礙物的基礎上快速跨越；（4）可以經無線系統將線路的狀態信息反饋給指揮平臺。

2 巡線機器人的硬件構造

2.1 總體系統結構

本文所介紹的巡線機器人硬件結構如圖1所示。

圖1 巡線機器人的結構圖

從圖1所介紹的信息中可知，該機器人整體可以分為機器人主體、遠程監控系統、線路信號采樣以及執行機構四個方面，其中機器人主體部分是核心，可以經過對線路信號的實時采樣來判斷機器人當前架空線路的狀態情況。在機器人運行過程中，可經過CAN總線來實時監控、調整機器人的運行狀態并與地面控制系統之間完成信息交互。

2.2 主控制器的電路設計

（1）機器人的主控制器。在設計機器人主控制器系統中，該系統能夠完成對外信號的采集，所采集的數據包括機器人的姿態信息、架空線路的圖像信息、溫濕度信息等，并且在對上述信息資料進行處置的基礎上，由自動化系統操控機器人的運動過程（工作人員也可以根據巡檢要求提出不同的控制指令）。因此本文選擇NXP公司推出的MPC微處理器為主控制器，該微處理器的主頻高達200MHz，而因為該機器人的任務量巨大，該微處理器的主頻高則可以保證控制器的運行效率。同時該處理器內部提供延遲互鎖的校驗核，該裝置可以提高機器人運行的安全性，避免因為故障而影響正常功能。

（2）電機驅動設計。根據圖1介紹的機器人結構，電機驅動在整個機器人運行系統中占據著重要作用，因此在本次執行機構設計中使用直流無刷電機，經單獨的電機驅動單元來控制直流無刷電機，并且能夠輸出信號驅動電機的運作，與控制指令之間形成快速響應。在對上述系統功能進行考慮后，本次設計中選擇TMS系列為機器人驅動控制器的核心，作為一塊32位微控制器，該設備在驅動與傳感等幾方面均實現了優化改進，被廣泛應用在電機驅動等方面；該電機的外設資源豐富，能夠提供60MHz主頻，有良好的響應與處理機制，可以支持多種控制策略的實現。

（3）系統電路設計。本次設計方案中的電源電路采用了3.3V電壓供電的方法，在經過電容、電感來濾波處理電源電路之后，將輸出電源波紋控制在較低水平；同時為保障信號系統的抗干擾性，在本次研究中同時增設數字電源來滿足系統數字電路供電的要求，經零歐姆電阻模擬地連接之后，維持電位相等[2]。

（4）電源設計。考慮到該機器人需要長時間獨立運行在架空輸電線路上，所以只能使用移動電源的方法提供穩定動力，同時因為巡線機器人每個電子單元所能提供的電源電壓等級不同，其中主體部分機器人需要信號級電源，而信號采樣部分需要負極性電壓支持信號轉換過程，所以在對上述功能的考慮后本文提出了一種系統電源電路體系，具體如圖2所示。

圖2 機器人的電源電路結構圖

在圖2介紹的電源結構下，使用24V容量50000mAH鋰電池供電，經LDO轉化器可以將其轉換為＋12V、＋5V、＋3.3V、-12V等不同等級的電壓，確保能夠為機器人不同功能單元提供能源。

2.3 攝像頭及其系統設計

（1）攝像頭的選擇。巡線機器人應具有在架空線路上自主翻越障礙的功能，并且能夠記錄線路的狀態，所以攝像頭的成像質量對機器人性能有直接影響。所以在本次設計中本文選擇了ALENTEK推出的OV5640型號攝像頭，該攝像頭選擇了500W像素高清攝像頭集成模塊，該攝像頭采用了1.4×1.4um像素，并且具有自動圖像采集功能，也能提供自動白平衡與自動曝光等功能。最后該攝像頭可以提供嵌入式處理器，方便技術人員的后續功能開發。

（2）攝像頭應用電路的設計。因為該攝像頭內部已經設置了嵌入式處理器與操作線路，所以在應用電路設計中應將輸出信號端與巡線機器人主控器連接。因此在本次系統設計中，根據攝像頭的電源需求分別提供1.5V、2.8V與3.0V三種等級的電壓，經STROBE引腳自主控制。

2.4 姿態信號采樣

姿態信號采樣的主要功能是記錄、識別機器人在架空線路上的運行狀態情況，當不需要跨越障礙物的情況下，機器人行駛輪與架空線路嚙合，因此機器人可以維持平衡狀態；但是在跨越障礙物時，需要機器人將一條手臂駛出架空線路，這種情況會改變機器人的平衡狀態，所以在信號檢測中應該根據平衡狀況判斷障礙執行動作，最終來保障機器人的安全性。

本文使用了MPU6050姿態檢測裝置，該裝置集成了加速度計傳感器與陀螺儀，可以檢測空間不同維度的軸向運動姿態運動變化，再加之集成具有拓展功能的DMP運動處理器，聚集良好的抗干擾性，并且可以為后續功能開發提供必要的支持。

3 軟件設計方案

3.1 驅動電機控制器的設計

根據前文設計的內容，在本次設計中機器人電機控制器使用了電流、轉速雙閉環控制策略，其中在閉環調節器中采用了PI調節模式，該模式的主要優點就是可以監測直流無刷電機的相電流信號以及轉速信號。

在軟件設計中主要根據電機驅動控制器的不同狀態進行設定，目前其常見狀態主要分為故障、暫停以及運行三種狀態。其中在空閑狀態下，系統初始化后開始等待工作人員發送的運動指令，當系統接收運動指令后即可進入到運行狀態。在進入到運行狀態中內控制器解析控制指令并為驅動電機提供轉速給定值，并且開始記錄電機的轉速、電壓以及霍爾傳感器等關鍵數據，并根據數據庫資料執行系統控制算法，保障了整個線路檢測功能的實現。該系統提供電路信號故障檢測功能，當系統發生故障之后系統會識別機器人的異常電流信號并進入到故障狀態。在故障狀態下，驅動電機控制器開始控制PWM的輸出，電機運動過程停止，系統開始向上反饋控制器的運行數據信息[3]。

3.2 圖像解析軟件設計

攝像頭所采集的所有圖像數據會實時發送給對面控制站，在圖像數據傳輸過程中，每一個PCLK時鐘周期內會輸出8位/10位的數據。系統通訊為8位接口，所以系統每輸出一個字節都會記錄，且每兩個字節可以組成像素顏色。

攝像頭活動側的圖片按照最小編碼單元方式進行壓縮與存儲的，其中每個最小標碼單元均由8×8像素組成，并按照從左到右、從上到下的方式存儲。圖像信號的解碼過程主要可分為Huffman解碼、量化以及IDCT三個步驟組成，所有圖像可經過YUV色彩圖像空間來描述圖像信息，通過調整系統的亮度、色度等參數可以將其圖像進行解碼，而在解碼后的圖像就是可以用于解讀的灰度圖像。

3.3 越障執行策略

當機器人在架空線路上行走時，所產生的行走動作主要分為無障礙行走與障礙物翻越兩方面內容，在運行中機器人可按照傳感器所識別的架空線路環境變化情況執行動作，執行動作的單元則是電機。

為實現上述功能設定目標，除了設置攝像頭來采樣線路信號之后，巡線機器人在三個手臂上均設置光電傳感器。在正常運行期間，當光電傳感器識別到障礙物信息之后此時主控制器可以接收反饋信號，此時主控制器可以識別機器人在翻越障礙物后，記錄前臂、中臂、后臂與障礙物之間的距離，檢測結果可以用于判斷機器人是否已經遠離障礙物。此時在正常線路上行走時，攝像頭可以捕獲到障礙物的位置并開始執行手臂跨越障礙的動作，此時先由前臂行走脫線，之后后臂旋轉，經中輪與后輪驅動作用下使機器人順利越過障礙物，當后輪回歸正常的行走狀態下，經傳感器可以判斷后輪與障礙物之間的距離，確定了兩者之間存在一定的距離后，機器人開始繼續執行直線無障礙行進。

4 高架線路巡線機器人的應用分析

4.1 應用場景簡介

為判斷本文所開發的巡線機器人的合理性，按照上文內容開發了三臂巡檢機器人，巡線機器人與地面控制系統之間采用了CC2500通訊的方法，同時為了能夠降低工作人員操作機器人的難度，在操作箱上設置了搖桿工藝，經過搖桿即可判斷巡線機器人的運行狀態情況，具有操作方便的優點。同時在操作系統中設置LCD液晶顯示屏，該裝置可以顯示巡線機器人所發送的輸電線路照片以及巡線機器人的運行狀態數據等資料[4]。

4.2 運行效果分析

根據本文對巡線機器人運行狀態的檢測后，最終檢測結果證明巡線機器人可以沿著高壓輸電線路穩定運行，并快速檢測輸電線路的安全等級參數；機器人也可以在運動過程中清理輸電線路上殘存的垃圾。

在對機器人運行過程進行分析后，對其開展了多個方位的檢測，檢測結果顯示，巡線機器人在架空線路運行中可以發送圖像數據，且地面站操控箱可以接收巡線機器人所傳送的遠程數據，整個數據傳送過程并未受到高壓電磁干擾的影響，信號輸入效果穩定。

在調試模式下，結果顯示機器人可以將處理后的圖像數據發送至處理站，根據攝像頭采樣原圖、經灰度閾值處理后的二值化圖像以及經Canny檢測到的障礙物圖像對比后，最終結果證明該機器人可以快速識別線路上的障礙物，具有優勢。

根據巡線機器人運行過程中對各類障礙物的執行與越過情況的分析，機器人順利通過障礙物，未發現機器人掉落或者無法翻越障礙物的問題，取得了預期效果。

本次研究中為了保證研究結果的穩定性，通過機器人共進行了十次檢測，最終檢測結果證明，在10次運行中，其中有3次運行結果顯示為異常，其中2次檢測發現線路絕緣皮被破壞，1次發現了嚴重的線路斷股問題，在工作人員抵達現場之后，證實上述問題存在。這一結果證明，在架空線路機器人運行過程中，該裝置可替代工作人員完成復雜情況下的系統檢測，并且發現線路中存在的問題，方便工作人員及時采取應對措施，維護了電力系統的穩定性。

最后根據機器人的運行時間來看，檢測結果顯示每次運行時間約為1.2～2.3h，續航時間滿足電網管理的要求。

5 結語

架空電力線路巡線機器人的開發滿足未來電力系統安全運行的要求，在技術上具有可行性，本文所介紹的巡線機器人開發方案在技術上具有可行性，能夠提高加工線路巡查的工作效率，取代傳統人工巡視的工作模式，并且技術實踐經驗證明該設計方案科學有效，提示本文所提出的機器人設計方案科學有效、值得進一步推廣。