輸電線路巡線機器人避障控制系統設計

李海峰

（國網黑龍江省電力有限公司檢修公司，黑龍江哈爾濱 150090）

巡線機器人是以移動動作平臺為載體的結構化設備，其外部載荷系統中包含紅外熱成像儀、可見光攝像機等多種識別性元件，內部載荷系統遵循機器化視覺原理，可在電磁場作用下，實現對GPS、GIS 信號的有效區分，再借助嵌入式計算機軟件，將導航數據的信號參量傳輸至核心控制主機中[1-2]。在輸電線路維護過程中，巡線機器人可自主規劃未來行進線路，并可在無干擾情況下，跨越小型物理障礙，從而實現對電流、電壓的應用電量信息的及時輸送[3]。

在輸電線路巡檢過程中，由于輸電線路的復雜性，有效的機器人避障控制至關重要。傳統的基于改進蟻群算法的機器人避障控制系統[4]和基于混合策略的機器人避障系統[5]難以使巡線機器人所承擔的線路輸電能力得到保障，易導致控制電流的平均傳輸流量持續縮小。為解決上述問題，設計一種新的輸電線路巡線機器人避障控制系統，在伺服跟蹤驅動器等多項硬件執行設備的作用下，實現對已獲取避障信息的無誤融合，從而實現保障巡線機器人所承擔線路輸電能力的初衷。

1 系統硬件設計

巡線機器人避障控制系統的硬件執行環境由避障輸電回路、巡線控制器、伺服跟蹤驅動器三部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 避障輸電回路

避障輸電回路結構如圖1 所示。

圖1 避障輸電回路圖

避障輸電回路可提供機器人巡線過程中所需的所有應用電子，存在于升壓結構體與降壓結構體之間，可在多個傳輸電阻的作用下，實現對電流、電壓等電量信息的不斷累積[6]。避障回路的輸入端與巡線控制器直接相連，可將未完全消耗的交直流電子傳輸至控制器結構體之中，再調取其中的直流應用電子，將其轉存至應用設備體之中，再按照升壓電量、降壓電量之間的實際比值關系，滿足后續的電壓與電流輸出需求[7]。總的來說，避障輸電回路所具有的電量控制能力相對較高，可對巡線機器人的前進行為進行直接控制。

1.2 巡線控制器

巡線控制器存在于機器人避障控制系統之中，可直接獲取來源于輸電回路中的應用電子，并可以在L1、L2、L33 個對應開關的作用下，實現對電子適配器的實時控制。電量表存在于巡線控制器中部，可直接支配機器人巡線設備的實際連接行為。通常情況下，兩個機器人巡線設備分屬于兩條不同的輸電回路，在輸出端組織中，3 個對應開關完全閉合，代表機器人處于快速避障行進狀態；3 個對應開關部分閉合，代表機器人處于勻速避障行進狀態；3 個對應開關完全斷開，代表機器人此時處于未行進狀態[8]。

巡線控制器結構如圖2 所示。

圖2 巡線控制器結構圖

1.3 伺服跟蹤驅動器

伺服跟蹤驅動器直接控制巡線機器人的避障前進行為。在電流量較大的情況下，該結構可在一段時間的穩定連接后，自主進入斷開狀態，且此轉換過程不會對已成型的前進控制指令起到任何影響[9]。在電流量較小的情況下，該結構可由斷開狀態自主進入閉合狀態，再調動暫存于巡線控制器中的傳輸電流，直至巡線機器人恢復原始避障運動行為后，切斷結構體主機與其他硬件執行設備間的物理連接，從而實現對輸電巡檢電流的最大化節約[10]。詳細的驅動器連接原理如表1 所示。

表1 伺服跟蹤驅動器連接原理

2 系統軟件設計

在系統硬件執行環境的支持下，按照電開關抓線、存儲數據庫連接、避障信息融合的處理流程，實現系統的軟件執行環境搭建，兩相結合，完成輸電線路巡線機器人避障控制系統設計。

2.1 電開關抓線

電開關抓線是控制巡線機器人避障行為的重要處理環節，包含直線型、曲線型兩種基本操作形式。所謂直線型電開關抓線，也就是直流型電開關抓線，可通過判定現有運動位置的方式，控制避障輸電回路與伺服跟蹤驅動器間的實際連接行為，再將整個輸電線路中的剩余電子，以應用電流的形式，傳輸至下級設備主機之中，從而實現對線路內部整體輸電能力的提升[11]。曲線型電開關抓線，也叫交流型電開關抓線，可在不借助外界執行設備的基礎上，獨立完成對巡線機器人避障行為的精準控制，在此過程中會消耗大量的應用傳輸電子，因此位于輸電線路首端的電開關必須與避障輸電回路保持長時間的穩定連接關系[12]。

表2 電開關抓線原理

2.2 電量存儲數據庫

電量存儲數據庫滿足分列式搭建需求，系統控制主機作為控制指令的核心輸出元件，可對中間存儲結構直接下達電量應用指令。在機器人控制主機、避障行為控制主機兩個底層設備元件的支持下，所有存儲于電量數據庫中的電子信息都具備較強的直行傳輸能力[13]。簡單來說，就是隨著巡線機器人行進路徑的延長，待躲避障礙物數量也會逐漸增加。此時，電開關抓取回來的不一定是穩定的直流傳輸電子，也有可能是波動性的交流傳輸電子[14]。為避免誤差控制行為的產生，電量數據庫在存儲電子信息的同時，過濾其中的非必要電子參量，再將必要電子參量轉化成可供巡檢機器人直接應用的直流傳輸形式，從而確保整體系統控制環境的長期穩定。

圖3 電量存儲數據庫結構圖

2.3 機器人避障信息融合

機器人避障信息融合是避障控制系統搭建的末尾處置環節，在電開關、巡線控制器、伺服跟蹤驅動器等多個硬件執行設備的作用下，避障輸電回路中的電子輸出總量持續增加，從而使得整個系統中的應用電子參量不斷累積。在此情況下，核心控制主機很難直接抓取其中的必要信息，易造成偏差避障控制指令的生成[15-16]。基于此，各底層執行元件根據數據庫中已存儲的電量信息，對應獲取系統內部的避障控制指令，再將其轉化成穩定的直流輸出形式，最后經由行為主機的整合作用，生成獨立的信息數據包，實現對已存儲避障信息的完美融合（詳細流程如圖4 所示）。至此，完成各項軟、硬件執行環境的搭建，在既定實驗環境下，實現輸電線路巡線機器人避障控制系統的順利應用。

圖4 機器人避障信息融合流程圖

3 系統應用性測試

為驗證該研究設計的輸電線路巡線機器人避障控制系統的實際應用性能，設計如下對比實驗加以驗證。

將文中系統作為實驗組，將傳統的基于改進蟻群算法的機器人避障控制系統作為對照組，分別在兩個相同的機器人中加載上述兩種控制系統，并置于相同的輸電環境中，控制實驗組、對照組系統同時閉合，分別記錄RTL 電量指標及電子平均傳輸流量的具體變化情況。

實驗所用的輸電線路巡檢機器人如圖5 所示。

圖5 輸電線路巡檢機器人示意圖

已知RTL 電量指標可直接反映巡線機器人所承擔的線路輸電能力，且二者之間存在明顯的正比例關系，即隨指標數值的增大，機器人的輸電能力也逐漸增強。因此，統計實驗組、對照組RTL 電量指標的實際數值，結果如表3 所示。

表3 RTL電量指標數值

在理想狀態下，RTL 電量指標始終保持穩定。分析表3 可知，實驗前期，實驗組RTL 電量指標不斷上升，在達到最大穩定狀態后，開始不斷下降，最后基本保持循環式的波動狀態，全局最大值達到3.82，遠高于理想化數值水平；對照組RTL 電量指標一直保持階段性上升的變化趨勢，且每一次上升與下降的初始值均保持一致，全局最大值僅達到1.68，與實驗組極值相比下降了2.14。綜上可知，應用文中系統可大幅提升RTL 電量指標的實際數值水平，對增強巡線機器人所承擔的線路輸電能力起到適當促進作用。

在此基礎上，統計實驗組、對照組電子平均傳輸流量的實際數值水平，結果如表4 所示。

表4 電子平均傳輸流量

在理想狀態下，電子平均傳輸流量一直保持勻速上升的變化趨勢，在達到最大數值水平后，開始保持穩定。分析表4 可知，實驗前期，實驗組電子平均傳輸流量始終不斷上升，在出現10 min 的極值穩定狀態后，開始持續下降；對照組電子平均傳輸流量在整個實驗過程中，始終保持階梯狀下降的變化趨勢，全局最大值僅達到2.01 A，低于理想狀態下的極限數值水平，更遠低于實驗組極值。綜上可知，應用文中系統可實現對電子平均傳輸流量的穩定提升。

4 結束語

該研究設計了一種新的輸電線路巡線機器人避障控制系統，與傳統的控制系統相比，該避障控制系統可在巡線控制器、伺服跟蹤驅動器等硬件執行元件的支持下，實現對電開關的抓線處理，且能夠借助電量存儲數據庫，完成對機器人避障信息的全方位融合。

從實用性角度來看，應用該系統后，線路的輸電能力與電子平均傳輸流量的提升，可幫助核心監測主機獲取大量的避障行為信息，從而解決輸電巡檢機器人結構體所面臨的定向化控制問題。