電力智能巡檢機(jī)器人研究

殷凱軒

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院）

0 引言

電力智能巡檢機(jī)器人的使用，能夠在一定工作范圍內(nèi)代替人工巡檢，解放人力資源，提升巡檢安全性，提高巡檢作業(yè)自動(dòng)化與智能化程度，且電力智能巡檢機(jī)器人有效地避免了因巡檢人員專業(yè)素養(yǎng)不強(qiáng)而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)防、解決電網(wǎng)與電力設(shè)備運(yùn)行故障的問(wèn)題，為未來(lái)我國(guó)無(wú)人化變電站的發(fā)展提供了重要途徑。因此，對(duì)電力智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行探討具有重要的長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

1 電力智能巡檢機(jī)器人概述

電力智能巡檢機(jī)器人按照使用功能的范圍可以分為開(kāi)關(guān)室巡檢機(jī)器人、變電站巡檢機(jī)器人、廊道巡檢機(jī)器人等類型。因此，可以結(jié)合用戶不同需求，在設(shè)計(jì)時(shí)只需要對(duì)智能機(jī)器人的功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展即可設(shè)計(jì)出具有不同功能的電力智能巡檢機(jī)器人。電力智能巡檢機(jī)器人通常由控制模塊、導(dǎo)航模塊、檢測(cè)模塊以及遠(yuǎn)程控制等模塊組成，用戶可以結(jié)合自身需求，進(jìn)行相應(yīng)模塊的擴(kuò)展，進(jìn)而滿足不同的功能需求。

我國(guó)輸電電路由于存在點(diǎn)多面廣、電力線長(zhǎng)期暴露、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，導(dǎo)致電網(wǎng)輸電線在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)遭受到諸如機(jī)械張力、材料老化、電氣閃絡(luò)等問(wèn)題，進(jìn)而造成輸電線路發(fā)生磨損、腐蝕嚴(yán)重等現(xiàn)象。在此背景下，為確保供電質(zhì)量，需要對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)、電力設(shè)備運(yùn)行中存在的隱患。電力智能巡檢機(jī)器人因?yàn)榫哂休^高的智能化、自動(dòng)化程度，因此在線路巡檢中發(fā)揮巨大作用，且能夠?qū)﹄娋W(wǎng)、電力設(shè)備周邊環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)控，消除電網(wǎng)、電力設(shè)備運(yùn)行安全隱患。電力智能巡檢機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種集合了機(jī)械系統(tǒng)、自動(dòng)控制、通信與傳感于一體的巡線設(shè)備。機(jī)械設(shè)備是電力智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵內(nèi)容，結(jié)合我國(guó)當(dāng)下電力智能巡檢機(jī)器人的使用現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，對(duì)巡檢機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要有以下幾點(diǎn)要求：首先是確保電力智能巡檢機(jī)器人內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)能夠讓巡檢機(jī)器人在使用的過(guò)程中完成滾動(dòng)、跨越、避讓等動(dòng)作，且可以確保其在特定的空間位置內(nèi)完成動(dòng)作的靈活調(diào)整。其次是需要電力智能巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)具有負(fù)載能力，能夠根據(jù)實(shí)際需要完成某些設(shè)備、儀器的運(yùn)輸與安裝。再者，電力智能巡檢機(jī)器人應(yīng)具備結(jié)構(gòu)輕巧的特點(diǎn)，便于攜帶。

2 電力智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

電力智能巡檢機(jī)器人包含多種關(guān)鍵技術(shù)，其中移動(dòng)機(jī)構(gòu)是重要的內(nèi)容，由于電力智能巡檢機(jī)器人中所使用的仿生機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，各機(jī)械關(guān)節(jié)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，適應(yīng)能力與承載能力存在進(jìn)步的空間，尤其是由于關(guān)節(jié)多的特點(diǎn)，使得其運(yùn)動(dòng)控制難度系數(shù)較大，因此，在控制智能機(jī)器人的過(guò)程中需要對(duì)精度進(jìn)行精確把控，由于機(jī)器人在操控的過(guò)程中與人體動(dòng)態(tài)特征存在較大差異，在使用的過(guò)程中會(huì)受到設(shè)備靈活性的制約。因此，電力智能巡檢機(jī)器人需要具有小巧、靈活的特征，確保其在使用的過(guò)程中能夠滿足線上線下工作，但就當(dāng)下情況而言，我國(guó)電力智能巡檢機(jī)器人，還未達(dá)到實(shí)際需求的目標(biāo)。雖說(shuō)經(jīng)過(guò)大量研究者的努力，輕材質(zhì)機(jī)器人的出現(xiàn)在一定程度上減少了電子智能巡檢機(jī)器人的重點(diǎn)，但同時(shí)，也導(dǎo)致機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力嚴(yán)重不足。電力智能巡檢機(jī)器人在系統(tǒng)架構(gòu)方面一般由檢測(cè)層、傳輸層、接受層組成。下圖為電子智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)成示意圖。

圖 電子智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)成示意圖

2.2 巡檢機(jī)器人功能模塊

1）控制模塊。由于電力行業(yè)的特殊性，使得電力智能巡檢機(jī)器人的使用環(huán)境愈加的復(fù)雜，所以對(duì)于電力智能機(jī)器人控制系統(tǒng)要求較高。例如能夠確保電力智能巡檢機(jī)器人可以自主地跨越電線上的障礙物，是目前電力智能巡檢機(jī)器人智能系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。此外，由于電力智能巡檢機(jī)器人需要在各種環(huán)境中應(yīng)用，那么障礙物的類型就呈現(xiàn)出多樣化，所以，電力智能巡檢機(jī)器人在進(jìn)行障礙物跨越設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，確保電力智能巡檢機(jī)器人運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

2）導(dǎo)航模塊。電力智能巡檢機(jī)器人的工作場(chǎng)景常常處于野外，在此條件下，電力智能巡檢機(jī)器人在工作的過(guò)程中，不可避免地受到高壓輸電線路周圍強(qiáng)電、磁場(chǎng)的影響。故電力智能巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)傳感器的使用需要嚴(yán)格把控。現(xiàn)今，隨著我國(guó)電力智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，采用視覺(jué)導(dǎo)航進(jìn)行機(jī)器人導(dǎo)航的技術(shù)較為普遍，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)在應(yīng)用后，能夠確保電力智能巡檢機(jī)器人具有更廣的探索范圍，且探索的精度更高，不僅能夠快速地完成目標(biāo)信息的采集，還可以利用設(shè)計(jì)模塊中所使用的電磁傳感器來(lái)優(yōu)化巡檢線路。

3）檢測(cè)模塊。電力智能巡檢機(jī)器人在進(jìn)行線路故障檢測(cè)時(shí)常常處于離線模式，此時(shí)，電力智能巡檢機(jī)器人不能對(duì)線路故障進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，所以根據(jù)社會(huì)發(fā)展需求，需要將實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于電力智能巡檢機(jī)器人上，并結(jié)合工作具體需要，研發(fā)出一種可靠性強(qiáng)的線路損傷、斷股故障在線檢測(cè)方式，確保電力智能巡檢機(jī)器人在各種環(huán)境下均能夠滿足電網(wǎng)、電路設(shè)備的故障檢測(cè)功能需求。

4）上位機(jī)軟件模塊。電力智能巡檢機(jī)器人的上位機(jī)軟件系統(tǒng)較為復(fù)雜，該系統(tǒng)模式利用無(wú)線通信技術(shù)完成信息、音頻、指令的傳輸，其中圖像操作系統(tǒng)軟件能夠獲取電力設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，并通過(guò)對(duì)靜態(tài)圖像的分析來(lái)判斷設(shè)備、儀器、線路的運(yùn)行狀態(tài)。具體而言，上位機(jī)軟件主要有以下特點(diǎn)，首先，能夠采集到電力設(shè)備、線路的紅外圖像，客戶在對(duì)電力設(shè)備紅外圖像處理后能夠獲取電力設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度信息。其次，能夠?qū)o態(tài)圖像進(jìn)行圖像分隔，再者能夠滿足圖像與視頻的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與傳輸。

3 電力智能巡檢機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用

隨著我國(guó)智能技術(shù)與信息技術(shù)的推廣與使用，我國(guó)山東電力科學(xué)研究院在2002年率先研發(fā)成功了第一代軌道式智能巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人在山東、浙江、河北、河南等省份的變電站中得到推廣應(yīng)用，效果良好，該智能巡檢機(jī)器人的主要作用是滿足了變電站的無(wú)人化值守需求。該智能巡檢機(jī)器人將多種導(dǎo)航方法結(jié)合，能夠滿足自動(dòng)導(dǎo)航、定位的需求，且可以根據(jù)客戶需求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)、登錄以及遙控等操作，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程控制機(jī)器人完成巡檢任務(wù)的目的。且可見(jiàn)光攝影儀的應(yīng)用使得機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地獲取變電站設(shè)備、儀器的運(yùn)行實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而提升視頻分析的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力智能巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)與應(yīng)用改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中電網(wǎng)、電力設(shè)備人工巡檢存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、巡檢效率低、巡檢質(zhì)量層次不齊的問(wèn)題，有效地提升了巡檢質(zhì)量，并利用信息化手段滿足了巡檢信息的共享。目前，電力智能巡檢機(jī)器人作為電力行業(yè)使用最廣泛的一種線路、電力設(shè)備巡檢工具，是智能技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅能夠完成日常電力線路、設(shè)備的巡檢，還能夠?qū)崿F(xiàn)紅外測(cè)溫等功能，其使用環(huán)境的廣泛性，極大提高了巡檢效率與巡檢質(zhì)量，彌補(bǔ)了在惡劣環(huán)境下人工巡檢所存在的問(wèn)題，具有遼闊的應(yīng)用前景。