架空線路巡線機器人的研究綜述

吳 昊，王 東，羅 濤，王淋漓，程亞萍

（國網安徽省電力有限公司安慶供電公司信通公司，安徽安慶 246000）

1 國內外研究情況

1.1 國外研究情況分析

20世紀80年代，國際上逐漸開始重視架空線路的巡線機器人的技術發展工作。包括日本以及北美一些國家均逐漸嘗試研究新型更為可靠有效的巡線機器人，且取得了一定的研究成果。20世紀80年代末期，日本企業率先研發了可以自動化越過障礙的光纖復合架空線路巡線機器人。其主要包含驅動組件以及夾持組織間等構成，可以很好地運行于帶有防震錘以及螺旋減震器的線路中。如若需要越過桿塔，則巡線機器人會依據擬人的方式，打開其弧形手臂，隨后本體越過桿塔抵達另一側，最后收起另一端的手臂，由此完成整個工作。而該設備在外部環境感應方面的建設并不完善。由此可使用性并不高，另外該設備體積、質量均比較高，能源供給問題時期主要面臨的問題。而美國企業在此后一年研制出了第一個懸臂自治巡線機器人，其可以順著架空線路等實現長距離地運行，可以同時開展電暈損耗檢測、結合點分析、絕緣子檢測以及壓接頭檢測等多項任務，此外基于設備的多功能性，可以自主地將檢測到的信息傳遞至地面工作人員。如若遇到桿塔情況，則其也會依據擬人攀援的方式，越過桿塔，但無法跨過防震錘以及絕緣子等常規障礙。2001年，泰國企業也設計了自己的自給電巡線機器人，其主要依靠電流互感器的作用從而在架空線路中爬行，并就獲得的感應電流作為工作電源，進而有效處理了巡線機器人長時間的供電需要。

1.2 國內研究情況分析

20世紀90年代末期，意識到科技發展的重要性，包括武漢大學以及中科院學校等均被賦予研發巡線機器人的重任。在863計劃的推動下，當時武漢大學率先研制出了第一臺巡線機器人，其主要面向220 kV 供電線路，能夠靈活地應對越障、智能化管控以及供電等多方面問題。此后，中科院也開展了面向500 kV 的地線巡線機器人研發工作，并成功地實現了綜合巡線機器人與地面移動基站的綜合系統，且很好地應用于實際工作中。該設備的研發也為巡線機器人供電電源、控制單元以及通訊設計等多個方面提供了寶貴的經驗。隨著技術的不斷完善與發展，近些年中科院自動化所逐漸將研究的重點轉移至面向110 kV 的架空線路巡線機器人二臂回轉式懸掛機構研究中。新型機器人增加了臂距調解以及夾持輪抱線等組件，能夠完成旋轉、俯仰等一系列動作，在爬坡方面也有著出色的性能。

綜合國內外當前架空線路的巡線機器人研究現狀而言，國外在該方面的起步相對早一些，技術也比較完善，部分機器人已然處于實際應用階段。目前國外的機器人在無障礙環境下的應用技術較為成熟，但監測范圍也十分有限，只可以簡單地完成桿塔之間的線路排查工作。而國內巡線機器人的研究則更多地強調越過桿塔實施大面積、長時間的巡線作業，目前國內已然在巡線機器人自主越障等方面積累了大量經驗，相關技術也日趨成熟。

2 巡線機器人的關鍵技術

巡線機器人是典型的機電一體化控制系統，其覆蓋了包含機械部分、傳感器部分以及信息交互、電源、通訊等多項技術形式。

2.1 機械架構

機械架構是整個系統實現的根本，不僅重量要盡可能小，同時結構還應當盡可能簡單。此外還需要支持在架空線路運行期間涉及的一系列機械運動基礎。科學合理的架構設計可以保證后期機器人能夠穩定高度是在線路中運行，更為穩當以及靈活地越過障礙，并支撐各個感應監控設備等的運行。

2.2 控制模塊

該模塊主要包含各個傳感器組件以及傳感器位置以及反饋組件、導航組件、運動組件等等構成。基于該模塊可以實現對整個巡線機器人的多元化自主管控，即便發生意外事件，在控制單元的分析作用下也可以實現對自我的保護，避免受到機器人跌落以及事故的影響而損壞。

2.3 導航定位模塊

導航單元主要負責對巡線機器人運行軌跡的規劃設計，主要包含路徑規劃以及越障規劃等幾個部分。機器人順著架空線路運行，需要越過包括線夾以及防震錘等障礙，運行環境包括結構化以及非結構化環境等特點，故而對導航提出了一定的要求，尤其強調其在局部越障方面的應用。而機器人在越障期間，因為相關障礙物的反射面并不大，借助CCD 攝像頭視覺組件即可完成對環境的探測工作。此外，懸掛于導線中的機器人往往會在大風以及外力等的作用下不斷變化，導致重心不斷偏移，大大提升了越障的難度。

2.4 電源與抗干擾模塊

為了盡可能地降低巡線機器人的自身重量，往往不會選擇自帶供電模塊的技術方案，而是選擇可充電的小容量供電形式。機器人在工作期間，各個機械運動的實現主要基于自帶的取電組件將架空線路中存在的磁場轉化為電能，并將其存儲于蓄電模塊中來實現供能。由于電源模塊的特殊性，往往需要對其采取一定的防雨、方城以及抗干擾等保護措施。為了更好地順應全天候的電力巡檢工作需要，主控單元與各個檢測組件需要放置于密閉的空間環境中。此外，為了提升屏蔽電磁場的效果，還應確保密閉機箱同機械單元以及導線單元等始終處于等電位狀態。

2.5 通信模塊

通信是巡線機器人的重要組成部分，主要負責巡線機器人與上位機之間的聯系，如若溝通不暢則有可能會導致架空線路存在的隱患無法得到及時的反饋，相關運維管理工作無法及時落實，從而埋下重大隱患。由此確保通信可靠、有效十分必要。一般而言，巡線機器人的通訊單元主要包含信息收發單元以及圖像無線傳輸單元等構成，此外還支持與地面遙控基站等的數據傳輸以及圖像傳輸等應用需要。

2.6 巡檢掃描模塊

包括科學合理的機械架構、有效的控制單元以及準確的導航定位模塊等均是實現機器人完成精準掃描檢測任務的前提。為了能夠可靠的面向桿塔、導線以及絕緣子等相關電氣設備的巡檢排查工作，需要為巡線機器人搭載必要的掃描檢測模塊，包括紅外檢測模塊以及可見光相機、掃描云臺等等，從而實現對架空線路外觀、內在故障等的全方位掃描檢測。

2.7 電源與屏蔽封閉機箱

為了進一步降低巡線機器人的重量，因此無法攜帶重量過高的電源模塊，一般采用蓄電池的方案。在機器人處于靜止以及運行狀態下時，可能利用機械開合的方式完成取電作業，將高壓線路周邊的磁場進一步轉換為可用的電能形式，并為蓄電池供電。對此，需要采取必要的防雨以及防塵等措施。為更好地適應各種惡劣天氣的使用需要，主控制模塊以及各個檢測單元大多安置于密閉的機箱環境中。此外，為了能夠在電氣中達到電磁場的有效屏蔽，機箱內和機械系統以及導線均做成等電位方式。

3 巡線機器人的發展趨勢

3.1 智能化電網技術

在新型材料技術、電子科技技術以及人們環保理念的不斷提升大環境下，智能電網理念逐漸進入公眾視野，且毫無疑問是未來全球電力行業發展的必然趨勢。2003年美國率先對其國內電力行業提出了重大改革，要求在現代電力系統建設中融入更多的信息化技術，改革傳統老舊的電力設施基礎，推動智能化電網的全面發展。國內也于2009年正式提出了加強智能化電網建設的要求與發展目標。新一輪的電改強調電網運行安全、可靠以及數字化發展，尤其強調有關電力設備等的數字化建設，利用更為前沿可靠的數字化技術提升對電網運維管控力度，切實保障現代化電網建設實現。

3.2 巡線機器人發展趨勢

智能化電網背景下，會有更多的數字化技術參與電網運維管理過程，相對應的對于巡線機器人的智能化要求也就更高。

（1）小型化、模塊化；架構的小型化包含整個機械組成的小型化以及驅動組件的輕量化等，基于更為前沿先進的傳感器技術，實現各個模塊的更為小型化設計。此外，針對架空線路電壓等的不同，需要進一步拓展巡線機器人的功能組成，以利于其可以結合不同的使用環境發揮不同的功用。

（2）導航、定位、控制更為先進，架空線路的巡線機器人應當可以更好地結合不同的使用場景靈活地行走應對，自如地跨越各個障礙，同時在抵御電磁干擾以及風力、外力等因素方面也有一定的作用效果。對此，需要巡線機器人兼具更為精準以及可靠的導航定位技術以及強魯棒性的行走姿態控制機制。通過更為科學有效的算法，不斷加強導航定位等方面的性能。

（3）多感應系統探傷檢測技術，未來對于巡線機器人可以同時搭載多樣化傳感器系統，實現對電力線路的全方位掃描篩查。利用高可靠的信息融合技術提升各個傳感器彼此的配合，從而更為及時地發現當前線路運行存在的問題，并進行科學客觀的評估，為運維管理人員等提供客觀的評估結果。

（4）分布式巡線機器人，雖然多感應系統機器人有著多方面的優勢性，但不可避免地需要更大的體積以及容積作為支持，復雜程度可想而知。微型獨立傳感器機器人的設計，面對不同線路的故障感應模塊可以彼此配合，同樣可以完成功能拓展應用。諸如此類單傳感巡線機器人其功能相對單一，由此可以大大降低機器人的體積以及架構，同時也降低了整個研發的投入。另外，加強各個微型機器人之間的協同配合，可以使得整個機器人群體實現高流暢性的智能化配合，同時信息交互與共享，提升線路檢測的靈敏度以及可靠性。

4 結束語

綜上所述，巡線機器人的出現與應用，很好的取代了傳統人工的作業形式。無論是檢測的效率層面還是精度方面均有了顯著的提升。可以說巡線機器人的研發與應用時未來電力行業發展的重要內容之一。隨著智能化電網理念的不斷成熟，巡線機器人的需求勢必也會進一步增加，對其技術要求也會更高。相比于西方一些發達國家，國內在巡線機器人方面的發展仍有差距。基于此，對于從業人員應當始終保持艱苦奮斗的精神，不斷的學習借鑒成功技術經驗，綜合國內電力行業的發展特點，創新發展，不斷完善巡線機器人技術，推動智能化電網建設總目標的實現。