為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率的電能輸送，近年來國家電網(wǎng)公司大規(guī)模建設(shè)特高壓輸電網(wǎng)，輸電線路經(jīng)過的地理環(huán)境越來越復(fù)雜，往往地處臺(tái)風(fēng)多發(fā)、振動(dòng)強(qiáng)烈、鹽漬嚴(yán)重等惡劣自然環(huán)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(shè)備；同時(shí)受巡視人員人數(shù)、技術(shù)水平及其他因素影響，巡視質(zhì)量參差不齊，對(duì)線路的巡視存在一定的局限性，無法實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測。

在臺(tái)風(fēng)、雨雪等特殊天氣條件下，人工巡檢存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至無法開展人工巡檢；而且人工巡檢存在工作效率低、監(jiān)測質(zhì)量分散、手段單一等不足，檢測的數(shù)據(jù)也無法準(zhǔn)確、及時(shí)地接入信息管理系統(tǒng)。目前各檢修公司面臨工作人員老齡化、新進(jìn)員工少、巡檢人員嚴(yán)重不足的窘境，人工巡檢數(shù)據(jù)無法數(shù)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(jī)構(gòu)和國內(nèi)一系列廠家均對(duì)輸電線路機(jī)器人進(jìn)行了研究，20世紀(jì)90年代，加拿大魁北克研究人員提出“電力巡檢機(jī)器人”的構(gòu)想，日本東芝等公司和歐美科研院所也開始相關(guān)的科技研發(fā)工作。

同時(shí)，我國科研人員也對(duì)此做了一系列研發(fā)工作。劉貞瑤等設(shè)計(jì)了一種新型越障裝置，解決了輸電線路機(jī)器人無法越障、無法實(shí)現(xiàn)全線路巡檢的問題，采用無線充電的方式，實(shí)現(xiàn)了鋰電池的野外無接觸式充電，提高了巡檢機(jī)器人的巡檢范圍。

多年來，吳功平團(tuán)隊(duì)對(duì)輸電線路巡檢機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)性研究，對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)、越障方法、定位系統(tǒng)等進(jìn)行了大量研究，提出一系列解決方案。彭向陽等研發(fā)了穿越式、跨越式兩類巡檢機(jī)器人，提出機(jī)器人行走路徑改造方法，首次設(shè)計(jì)了機(jī)器人自動(dòng)上下線裝置，并完成了機(jī)器人全自主巡檢系統(tǒng)的研制。李睿等引入基于物聯(lián)網(wǎng)框架的多傳感器融合算法，提出基于自抗擾控制技術(shù)的多機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，并驗(yàn)證了其可行性。

受常規(guī)人工巡視和視頻監(jiān)控的限制，無法發(fā)現(xiàn)大跨越輸電線路導(dǎo)線上部和桿塔頂部的缺陷，難以實(shí)現(xiàn)精益化巡視，有必要采用巡檢機(jī)器人代替人工登塔巡檢。現(xiàn)有的輸電線路巡檢機(jī)器人沒有針對(duì)大跨越線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法適應(yīng)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(zhǔn)確、檢測方式單一等缺點(diǎn)。

綜合以上研究，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)低功耗技術(shù)，本文設(shè)計(jì)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(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人可實(shí)時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)早期缺陷，從而實(shí)現(xiàn)大跨越輸電線路自動(dòng)化巡檢，降低巡檢人員高空作業(yè)的危險(xiǎn)性，可以有效解決現(xiàn)有大跨越輸電線路人工巡檢存在的問題，實(shí)現(xiàn)大跨越輸電線路數(shù)字化管理。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括RTK（real-time kinematic）差分定位系統(tǒng)、充電駐留巢穴、越障橋和機(jī)器人本體四部分。

RTK差分定位系統(tǒng)安裝在塔頭最高處，用于接收GPS信號(hào)，機(jī)器人輪子上安裝有Sick高精度碼盤，與RTK差分定位系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的精確定位，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)巡檢時(shí)的預(yù)置位設(shè)置；充電駐留巢穴前端裝有無線充電發(fā)射端，機(jī)器人利用碼盤和紅外裝置到達(dá)駐留巢穴，實(shí)現(xiàn)無線充電的精確對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)發(fā)射端電壓符合設(shè)定值時(shí)，開啟平衡充電模式，對(duì)機(jī)器人電池過程進(jìn)行智能化管理，解決電池組和電池相關(guān)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(duì)機(jī)器人電池充電，解決了傳統(tǒng)有線充電方式易短路、接觸節(jié)點(diǎn)易磨損、易產(chǎn)生火花等問題。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)組成

巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)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；為解決大跨越線路爬坡角度大的問題，選用Maxon高功率電機(jī)，配合Escon50/5驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)效率高于90%，最高功率可達(dá)170W；主動(dòng)輪內(nèi)側(cè)裝有高摩擦系數(shù)的橡膠，從動(dòng)輪和主動(dòng)輪上下夾緊地線可以增大主動(dòng)輪與地線之間的摩擦力，增強(qiáng)機(jī)器人的爬坡能力。

為降低地線、桿塔振動(dòng)帶來的不利影響，提高圖片、視頻的采集質(zhì)量，采用雙光三軸維穩(wěn)云臺(tái)。該維穩(wěn)云臺(tái)帶有紅外雙光攝像頭，對(duì)導(dǎo)線和地線進(jìn)行拍照，可以實(shí)時(shí)監(jiān)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(shí)查看大跨越線路運(yùn)行是否正常，另外，通過4G模塊可將機(jī)器人自身狀態(tài)和線路運(yùn)行數(shù)據(jù)傳回電力公司集控中心，便于巡檢人員遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖2中從動(dòng)輪位于地線下方，在從動(dòng)輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以上下運(yùn)動(dòng)，與主動(dòng)輪一起構(gòu)成一個(gè)封閉框，保證機(jī)器人在任何時(shí)候不脫線，避免發(fā)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(jī)器人主、從動(dòng)輪的運(yùn)行情況；機(jī)器人的外形采用圓弧形設(shè)計(jì)，有效降低了風(fēng)阻。

圖2 巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖

2 超低功耗模式設(shè)計(jì)

為有效延長鋰電池的使用壽命和工作時(shí)間，大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人本體采用低功耗設(shè)計(jì)。硬件采用最新STM32L5超低功耗MCU芯片，其專有的超低功耗技術(shù)可在性能和功耗之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)平衡，是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能設(shè)計(jì)中一款應(yīng)用廣泛的微控制器。

該機(jī)器人控制系統(tǒng)在軟件方面使用雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在STM32L5芯片上移植物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT-Thread對(duì)巡檢機(jī)器人本體的本地通信、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器采集及云臺(tái)控制等任務(wù)進(jìn)行合理有效分配與管理，盡量降低系統(tǒng)功耗；ARM芯片上移植使用Linux系統(tǒng)，對(duì)巡檢機(jī)器人的自動(dòng)巡檢、4G通信、圖片采集、發(fā)送及自動(dòng)充電等任務(wù)進(jìn)行管理。

當(dāng)巡檢任務(wù)結(jié)束或者機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到充電巢穴時(shí)，進(jìn)入非工作狀態(tài)關(guān)閉各傳感器、本地通信、圖像傳輸、電機(jī)、云臺(tái)等模塊的電源，僅保留與Linux系統(tǒng)及后臺(tái)服務(wù)器的通信模塊，使機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，從而最大程度上降低機(jī)器人的功耗，有效延長電池工作時(shí)間，擴(kuò)大機(jī)器人的巡檢半徑。

當(dāng)機(jī)器人接收到巡檢指令或者滿足巡檢任務(wù)開啟條件時(shí)，機(jī)器人打開各傳感器、本地通信、圖像傳輸、電機(jī)、云臺(tái)等模塊的電源，進(jìn)入自動(dòng)巡檢狀態(tài)。

相比于傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人，本文采用低功耗模式設(shè)計(jì)，機(jī)器人系統(tǒng)功耗大大降低，延長了巡檢機(jī)器人電池使用壽命，巡檢半徑擴(kuò)大三倍以上，可以達(dá)到大跨越輸電線路自動(dòng)巡檢的要求。功耗對(duì)比見表1。

表1 功耗對(duì)比（單位：W）

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

3.1 機(jī)器人本體硬件設(shè)計(jì)

該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用嵌入式雙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，巡檢機(jī)器人本體能夠利用越障橋行走到地線上，進(jìn)而在大跨越輸電線路檔距之間無障礙行走。當(dāng)巡檢機(jī)器人本體行走到越障橋時(shí)，巡檢機(jī)器人本體攜帶的紅外開關(guān)能識(shí)別越障橋，將信號(hào)傳給STM32控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)壓力傳感器夾緊力，根據(jù)越障橋機(jī)械結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場風(fēng)速、風(fēng)力大小，調(diào)整過橋控制算法參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率和壓力傳感器夾緊力大小，控制機(jī)器人主動(dòng)輪電機(jī)運(yùn)行方向和速度，順利平穩(wěn)行走到地線上；在地線上行走時(shí)，根據(jù)地線爬坡角度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率和速度，最大爬坡角度可達(dá)50°，滿足大跨越線路的要求。

考慮到大跨越輸電線路巡檢機(jī)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(jī)器人本體與地面手持端進(jìn)行無線通信，其發(fā)射功率可調(diào)，傳輸距離長達(dá)十幾公里。

該巡檢機(jī)器人本體可以跨越線路桿塔、防震錘等設(shè)備，采用機(jī)器人過橋控制算法，巡檢機(jī)器人本體能平穩(wěn)跨越越障橋，可在地線上實(shí)現(xiàn)上坡、下坡、越障等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大跨越線路內(nèi)自動(dòng)化巡檢，如采集線路運(yùn)行信息、定點(diǎn)采集圖片、視頻等。大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人本體硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人本體硬件設(shè)計(jì)

3.2 無線充電管理

目前，機(jī)器人自動(dòng)充電存在以下不足：①受到自動(dòng)定位精度的限制，不易對(duì)準(zhǔn)充電觸點(diǎn)；②有線充電要求充電觸點(diǎn)對(duì)接精確性高，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性；③充電觸點(diǎn)多次插拔，會(huì)引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸松動(dòng)；④長期處于室外環(huán)境，充電觸點(diǎn)容易附著污物，導(dǎo)致接觸不良，也極易引起電路短路，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的穩(wěn)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(jìn)而延長鋰電池的使用壽命。

為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)無線充電系統(tǒng)，在塔頭安裝無線充電發(fā)射裝置，機(jī)器人上端安裝無線充電接收裝置和紅外定位裝置。為實(shí)現(xiàn)充電位置的精確定位，采用紅外開關(guān)和Sick高精度防水碼盤，利用Z相零位脈沖消除測量時(shí)的累計(jì)誤差。

為實(shí)現(xiàn)鋰電池的自動(dòng)平衡充電功能，本文基于TI公司生產(chǎn)的電量監(jiān)測計(jì)芯片組BQ40Z80，針對(duì)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(guān)的故障，設(shè)計(jì)了鋰電池自動(dòng)充電模塊，提供安全保護(hù)功能，可準(zhǔn)確預(yù)計(jì)電池組的運(yùn)行時(shí)間，最大限度延長電池運(yùn)行時(shí)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(tǒng)

GPS的定位精度受地球電離層、衛(wèi)星軌道誤差等因素影響，導(dǎo)致民用GPS的定位精度很差，其定位誤差達(dá)到幾米，巡檢機(jī)器人在進(jìn)行大跨越輸電線路自動(dòng)巡檢時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別定位，才能準(zhǔn)確檢測電力設(shè)備運(yùn)行狀況、采集到輸電走廊及其設(shè)備的清晰圖片、視頻，采用GPS定位無法滿足巡檢機(jī)器人自動(dòng)巡檢定位的要求。因此，需要在塔頭安裝差分定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站，其采用雙頻載波相位差分技術(shù)，即RTK，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)巡檢時(shí)的厘米級(jí)別定位。

首先塔頭基準(zhǔn)站將觀測到的載波相位測量值和自身的坐標(biāo)信息一起發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人接收GPS模塊的載波相位和來自基準(zhǔn)站的載波相位測量值，通過差分的方式，逐步消除機(jī)器人定位測量數(shù)據(jù)中的誤差，Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理相位差分觀測值，解算出巡檢機(jī)器人的行走坐標(biāo)。其應(yīng)用依賴基準(zhǔn)站的差分信號(hào)，利用差分定位把GPS模塊的各種誤差計(jì)算出來，將其與GPS對(duì)基準(zhǔn)站的定位結(jié)果作比較，就可以得到定位信號(hào)的偏差，再將這個(gè)偏差發(fā)送給需要定位的巡檢機(jī)器人，就可以使巡檢機(jī)器人獲得相對(duì)精準(zhǔn)的位置信號(hào)。

本文基于嵌入式Linux平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的載波相位差分技術(shù)，有效提高了巡檢機(jī)器人定位的準(zhǔn)確性和精度。在大跨越輸電線路環(huán)境下進(jìn)行測試，結(jié)果表明RTK定位系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，定位精度能夠達(dá)到厘米級(jí)別，滿足巡檢機(jī)器人預(yù)置位巡檢、拍照等實(shí)際要求，便于準(zhǔn)確檢測電力設(shè)備運(yùn)行狀況。RTK定位系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 RTK定位系統(tǒng)流程

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)

為了減輕工作量，便于巡檢人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測大跨越輸電線路運(yùn)行狀況，機(jī)器人通過4G無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行通信，巡檢人員通過瀏覽器可以執(zhí)行以下命令：下發(fā)巡檢任務(wù)，查看機(jī)器人自身情況，查看輸電通道當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，查看現(xiàn)場視頻圖片；實(shí)時(shí)展示線路、桿塔、機(jī)器人和機(jī)器人的位置等信息；查看最新的缺陷識(shí)別結(jié)果，導(dǎo)出缺陷報(bào)告。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)

4 模擬環(huán)境測試

輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在大跨越輸電線路模擬環(huán)境下進(jìn)行性能測試，巡檢機(jī)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(shí)時(shí)檢測電力設(shè)備運(yùn)行狀況，雙光紅外攝像機(jī)可實(shí)時(shí)采集輸電走廊及電力設(shè)備的圖片，可對(duì)輸電線路下過往船只實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)模擬環(huán)境測試和性能測試分別如圖7和圖8所示。模擬測試數(shù)據(jù)見表2。

目前大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，充電流暢，定位準(zhǔn)確，視頻傳輸實(shí)時(shí)性好，達(dá)到了項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

圖7 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)模擬環(huán)境測試

圖8 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)性能測試

表2 模擬測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，其由駐留充電巢穴、越障裝置、差分定位系統(tǒng)、機(jī)器人本體和遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)五部分組成，具有如下特點(diǎn)：

1）機(jī)器人電池采用無線模式進(jìn)行充電，具有無金屬觸點(diǎn)、無需精確對(duì)準(zhǔn)等特點(diǎn)，解決了室外有線充電接觸節(jié)點(diǎn)易磨損、易產(chǎn)生火花、充電對(duì)準(zhǔn)困難等難點(diǎn)。

2）基于TI公司的電量監(jiān)測計(jì)芯片組，設(shè)計(jì)了鋰電池平衡充電模塊，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)配合機(jī)器人行走碼盤，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人系統(tǒng)厘米級(jí)別定位，實(shí)現(xiàn)了大跨越輸電線路高精度全自動(dòng)化智能巡檢。

4）搭載三軸維穩(wěn)云臺(tái)相機(jī)，提高了采集圖片的清晰度和穩(wěn)定性，利用其光學(xué)變焦功能可在空中看清地面物體的細(xì)節(jié)。

5）熱成像紅外吊艙可以實(shí)現(xiàn)雙光畫中畫顯示、測溫、可見光變焦、移動(dòng)跟蹤等功能。

大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在模擬線路運(yùn)行測試，現(xiàn)場證明機(jī)器人行走平穩(wěn)，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了大跨越輸電線路的遠(yuǎn)程監(jiān)測和自動(dòng)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。

本文編自2022年第4期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，作者為蔡光柱、楊振 等。