高压输电线路巡检机器人系统设计

高压输电线路巡检机器人系统设计摘要：为了实现远距离大功率的电能输送，近年来国家电网及南方电网加大了对智能电网的建设，电力系统最重要的任务是提供高质量和高可靠性的电力，而高压输电线路是远距离电力输送的最重要途径，它的安全稳定运行直接影响着电力系统的可靠性。

高压输电线路长期运行于露天环境中,长期受自然环境、机械张力、外力破坏、电气闪络等不可抗拒因素影响。

目前对输电线路的巡检依然是以人工巡检为主，巡检工作面临巨大难度，受自然条件限制，往往无法巡检大跨越输电线路，人工巡检受视角影响，也无法检查高层设备。

同时受巡检人员人数、技术水平及其他因素影响，巡视质量参差不齐，对线路的巡视存在一定的局限性，无法实现全天候实时监测。

在台风、雨雪等特殊天气条件下，人工巡检存在较大安全风险，甚至无法开展人工巡检。

目前各检修公司面临巡检人员老龄化、新进员工经验少、巡检人员严重不足的窘境，人工巡检数据无法数字化，不利于后期处理。

因此，设计一款智能巡检机器人替代人工巡检高压输电线路，减少危险作业，提高巡检人员安全保障，同时降低电网维护成本，提高电网自动化作业水平，推动智能电网发展。

关键词：高压输电线路；机器人；巡检机器人；引言为了保障电力系统安全运行，加强对野外高压输电线路巡检工作具有很大现实意义。

开展高压输电线路巡检工作，主要目的是检查、排除电力系统潜在的安全隐患，包括防震锤脱落及移位、输电导线及地线断股散股、绝缘子串破裂及丢失等故障，确保电力设备设施安全、稳定地运行。

但是电力线路巡检工作量大，过程复杂、重复机械性操作很多，长此以往会使巡检人员产生心理倦怠，可能因人为因素引起疏漏。

将智能巡检机器人用于高压线输电线路巡检实践中，能显著提升工作的自动化、智能化水平，为智能电网建设发展提供可靠的技术支持。

1电力机器人的研究现状随着智能电网的建设，近年来市面上出现了多种多样的电力机器人，包括：线路巡检机器人，主要是通过搭载可见光相机、红外相机拍摄记录故障点，上传故障报告，通知运维检修人员对故障点进行维修，该型机器人解放了巡检人员，巡检人员无需沿着线路巡视查找故障点，只需根据巡检机器人的工作日志及生成的故障报告，便可前往故障点进行故障确认并维修；作业机器人，包括地线作业机器人和导线作业机器人，地线作业机器人，在作业过程中，线路无需停电便可进行作业工作，通过机器人搭载作业机构，远程操控机器人对故障点进行修复，比如，地线断股修复、防震锤移位、压接管紧固等修复作业，消除故障隐患，但是导线作业机器人作业时，必须停电作业，比如绝缘子修复等必须停电作业以免引起安全事故。

除冰机器人，主要用于去除高压线路地线上的覆冰及积雪，使用机器人上搭载的除冰刀具，沿着地线行走过程中消除积雪以及覆冰，以免地线弧垂过大，导致输电线路出现短路跳闸故障，这种机器人主要使用在北方雨雪天气较多的极寒地区。

异物清除机器人，高压线上时常会出现异物挂于高压线上，比如，风筝、塑料袋等异物，可能会引起短路事故，使用机器人上搭载的作业手臂，将障碍物清除，消除隐患。

随着国内外对线路机器人的研究，智能控制系统是电力机器人最为复杂的技术类型，智能化、自动化更是未来电力机器人的发展方向。

2巡检机器人研制难点架空输电线路巡检机器人运行在高压输电线（地线）上，搭载可见光相机、红外相机、激光雷达等设备对高压线杆塔金具及线路走廊进行巡检，其工作在强电磁场，高空野外环境，机器人金属表面容易积累感应电，因此架空输电线路巡检机器人必须具备稳定可靠的抗电磁干扰，耐高低温，抗大风，防雨等性能特点。

高压线巡检机器人设计开发工作推进过程中之所以较困难，主要是其受到了多种主客观条件的制约，地面上无法模拟高压线路环境，研发的样机不能在模拟的线路环境下进行测试。

同时机器人运行过程中运用相机捕捉、勘察、辨识环境状况，合理调整行进方式与路线，并作出相应的动作，确保能顺利越过障碍。

自主导航和定位是机器人野外工作时必须具备的技术条件，GPS定位、激光扫描、视觉导航是常见的导航技术类型，其中视觉导航运用机器人的摄像头获得环境信息，明确其当前所处方位，进而达到自主导航与行走，这是巡检机器人领域视觉导航难点技术，采用深度学习技术在高空环境下进行视觉处理，以天空为背景进行图像处理，并且需要解决太阳光直射问题，因此，视觉处理机器人智能化的难点。

另外，机器人运行中的防碰撞保护、倾斜保护、检测技术、实时传输技术、线上充电等也是巡检机器人的难点技术。

3跨越式巡检机器人设计3.1总体设计巡检机器人通过安装在塔头的越障装置可以跨越地线上的防震锤行走到地线上，在大跨越铁塔档距之间行走；为解决大跨越线路爬坡角度问题，选用Maxon高功率电机，配合Escon50/5驱动器，电机效率高于90%，最高功率可达170W；主动轮内侧装有高摩擦系数的橡胶，从动轮和主动轮上下夹紧地线可以增大主动轮与地线之间的摩擦力，增强机器人的爬坡能力。

机器人两手臂设计压紧机构，可以预防机器人在线上出现脱轨情况，保障机器人运行的安全性。

为降低地线、杆塔振动带来的不利影响，提高图片、视频的采集质量，采用双光三轴增稳云台，该增稳云台带有红外及可见光摄像头，对导线和地线进行拍照，可以实时监测线路温度变化；所采集图片通过图传模块保存到地面基站，巡检人员可及时查看高压线路及高杆塔金具是否正常，另外，通过4G模块可将机器人自身状态和线路运行数据传回电力公司集控中心，便于巡检人员远程监测。

机器人的整体外形机构图，如下图1所示。

图1机器人的整体外形机构图3.2机器人本体硬件设计该机器人的控制系统采用嵌入式控制系统设计，巡检机器人本体能够利用越障桥行走到地线上，进而在输电线路档距之间无障碍行走。

当巡检机器人本体行走到越障桥时，巡检机器人本体携带的可见光相机能识别越障桥，将信号传给STM32控制系统，调节机器人夹紧力，根据越障桥机械结构、现场风速、风力大小，调整过桥控制算法参数，实时调节电机输出功率和机器人夹紧力大小，控制机器人主动轮电机运行方向和速度，顺利平稳行走到地线上；在地线上行走时，根据地线爬坡角度，实时调节电机输出功率和速度，最大爬坡角度可达45°，满足大跨越线路的要求。

考虑到大跨越输电线路巡检机器人的工作场景，无线通信必须确保其具有低功耗、高可靠性，综合以上考虑，选用SX1262LoRa芯片，用于巡检机器人本体与地面基站进行无线通信，其发射功率可调，传输距离长达十几公里。

该巡检机器人本体可以跨越线路杆塔、防震锤等设备，采用机器人过桥控制算法，巡检机器人本体能平稳跨越越障桥，可在地线上实现上坡、下坡、越障等功能，进而实现大跨越线路内自动化巡检，如采集线路运行信息、定点采集图片、视频等。

机器人硬件设计框图，如下图2所示。

图2机器人硬件设计框图3.3后台维护模块设计(1)设备的运行状态检测：显示灯是否存在异常、系统时钟是否正确；各个功能模块的工作电压是否存在异常；定值区与定值通知单相是否一致；调度核对的模拟量与状态量是否正常；各个零件部位是否存在过热现象；定期对各仪器进行误差检测。

(2)后台控制主机状态检测：主机基本硬件和连接线是否存在松动现象；设备的各个数据量和状态量与实际的运行状态是否一致；是否能够实施远程遥控；通信指示是否正常。

(3)UPS设备检测：检查UPS是否正常工作，其中包括检查设备提供的电压是否存在异常。

(4)数据通道检测：在自动化数据传输的过程中，传输通道的质量起着很大作用，因此在线路日常维护工作中，对通道进行检测尤为重要。

3.4机器人定位系统设计GPS的定位精度受地球电离层、卫星轨道误差等因素影响，导致民用GPS的定位精度很差，其定位误差达到几米，巡检机器人在进行大跨越输电线路自动巡检时，需要实现厘米级别定位，才能准确检测电力设备运行状况、采集到输电走廊及其设备的清晰图片、视频，采用GPS定位无法满足巡检机器人自动巡检定位的要求。

因此，需要在塔头安装差分定位系统基准站，其采用双频载波相位差分技术，即RTK，用于实现机器人自动巡检时的厘米级别定位。

首先塔头基准站将观测到的载波相位测量值和自身的坐标信息一起发送给机器人，通过差分的方式，逐步消除机器人定位测量数据中的误差，Linux系统实时处理相位差分观测值，解算出巡检机器人的行走坐标。

其应用依赖基准站的差分信号，利用差分定位把GPS模块的各种误差计算出来，将其与GPS对基准站的定位结果作比较，就可以得到定位信号的偏差，再将这个偏差发送给需要定位的巡检机器人，就可以使巡检机器人获得相对精准的位置信号。

4巡检机器人发展趋势（1）多传感器巡线机器人。

随着自主巡线机器人技术的成熟和线路故障探测仪器的小型化，在一套巡线机器人上集成多种线路故障探测仪器将是未来趋势，机器人上可以搭载多种传感器同时扫描高压线路及走廊，运用多传感器信息融合技术以更高的分辨率和可靠性发现各种类型的早期故障并加以评估，为维护人员实时提供架空线路设施的工作状态报告。

（2）多自由度攀爬机器人。

现有高压线巡检机器人产品必须借助搭建的过桥才能顺利通过高压杆塔塔头，一定程度上影响了机器人巡检效率和工程项目的开展。

多自由度机器人，通过控制每个关节电机，可以多维度转动机器人手臂，顺利通过高压杆塔塔头，无需搭建过桥。

（4）带电维修作业机器人。

现在高压线输电线路，如果巡检发现部分轻微故障是不能轻易断电维修。

因此，研究高电压环境下智能带电作业机器人有这广阔的市场需求。

带电维修作业机器人，可以实现高压输电线路带电螺栓紧固、带电防震锤更换、带电导线修补、带电绝缘子更换等功能。

（5）飞行机器人。

近年来随着无人机技术的发展，飞爬混合型巡检机器人的研究也是一种新的趋势。

结束语高压输电线路巡检机器人系统在模拟线路运行测试，现场证明机器人行走平稳，运行稳定，实现了输电线路的远程监测和自动化巡检，提高了巡检人员的工作效率和输电线路巡检的智能化水平。

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