電力隧道巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 洋 郭 甜 尚英強(qiáng) 邰寶宇 劉 青

（國(guó)網(wǎng)北京電纜公司，北京 100022）

0 引言

電纜隧道是指用于容納大量電纜的走廊或隧道式構(gòu)建物，可對(duì)電纜進(jìn)行充分的保護(hù)[1]。經(jīng)過(guò)城市多年的發(fā)展，地下電纜隧道已成為復(fù)雜交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)，許多電纜隧道面臨著坍塌、積水、有毒氣體蔓延、設(shè)備老化、支架銹蝕等問(wèn)題[2]，為確保隧道內(nèi)電纜的安全運(yùn)行和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，維持整個(gè)電網(wǎng)的持續(xù)運(yùn)行，對(duì)電力隧道的定期巡檢必不可少。可由于各種問(wèn)題的復(fù)雜多樣，人工巡檢的難度極大，巡檢人員的安全得不到充分保障。而電力隧道巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工巡檢的缺陷，避免了多種事故的發(fā)生。

電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的發(fā)展起源于21世紀(jì)初，華盛頓大學(xué)研制了一款用于隧道檢測(cè)的機(jī)器人[3-4]。我國(guó)雖然起步較晚，但電力隧道機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)也在飛速發(fā)展[5]。而隨著現(xiàn)代科技的持續(xù)推進(jìn)，機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和智能控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，電力隧道檢測(cè)機(jī)器人將適用于更為復(fù)雜的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更多的功能。

國(guó)內(nèi)外對(duì)電力隧道巡檢機(jī)器人的研究已趨于成熟，各項(xiàng)運(yùn)行要求也基本實(shí)現(xiàn)，本文圍繞機(jī)器人導(dǎo)航和定位技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、電力供應(yīng)和能源管理技術(shù)、操作控制和通信技術(shù)、安全保護(hù)和故障處理技術(shù)等六個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有電力隧道巡檢機(jī)器人的技術(shù)研究和應(yīng)用狀況進(jìn)行了綜述與分析，以便全面理解電力隧道巡檢機(jī)器人的運(yùn)行規(guī)則。

1 機(jī)器人導(dǎo)航和定位技術(shù)

對(duì)于電力隧道檢測(cè)機(jī)器人而言，導(dǎo)航和定位是非常關(guān)鍵的問(wèn)題，在運(yùn)行過(guò)程中，電力隧道檢測(cè)機(jī)器人很容易受到外部環(huán)境、噪聲和其他因素影響，不可能完全準(zhǔn)確地實(shí)施命令，其具體位置與理論位置會(huì)存在偏差，需要對(duì)電力隧道檢測(cè)機(jī)器人定位位置進(jìn)行修正，以確保信息的準(zhǔn)確。同時(shí)，掃描成像、路徑規(guī)劃等功能的實(shí)現(xiàn)也離不開電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的具體位置。因此，導(dǎo)航和定位、對(duì)偏差的修正技術(shù)決定了電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的定位精度，能支持電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)。

電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的定位方法主要有兩類：直接定位和間接定位[6]。直接定位是指通過(guò)外部的定位手段如GPS、信標(biāo)等對(duì)電力隧道檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行定位，不需要機(jī)器人本身裝載定位設(shè)備，定位難度較小，運(yùn)行效率偏高，但這種定位方式對(duì)環(huán)境和設(shè)備有較高要求，現(xiàn)有的電力隧道環(huán)境十分復(fù)雜惡劣，直接定位難度極大。間接定位是指通過(guò)電力隧道檢測(cè)機(jī)器人本身裝載的各類傳感器進(jìn)行定位，如慣導(dǎo)定位、里程計(jì)定位等，這種定位方式設(shè)計(jì)難度較大，運(yùn)行系統(tǒng)較復(fù)雜，為了確保定位的精確性，還需要使用相應(yīng)的算法以減小定位的誤差，但這種定位手段對(duì)外部環(huán)境沒(méi)有要求，定位精度高，是最主流的定位方法。

目前，實(shí)現(xiàn)電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的準(zhǔn)確導(dǎo)航與定位，需要采用光學(xué)方法的三維成像技術(shù)保證形狀測(cè)量的一致和現(xiàn)場(chǎng)事物的準(zhǔn)確，其中TOF三維成像、掃描三維成像、結(jié)構(gòu)光投影三維成像和立體視覺三維成像這四種技術(shù)較為成熟[7]，四種技術(shù)對(duì)比如圖1所示。

圖1 四種三維視覺成像技術(shù)比較

2 環(huán)境感知技術(shù)

電力隧道檢測(cè)機(jī)器人在隧道中自主運(yùn)行的前提是確定其周圍環(huán)境的可行駛區(qū)和不可行駛區(qū)，確定自身與周邊環(huán)境的相對(duì)位置關(guān)系與姿態(tài)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知。由此可見，環(huán)境感知技術(shù)是電力隧道檢測(cè)機(jī)器人自主運(yùn)行的前提。

目前，電力隧道檢測(cè)機(jī)器人環(huán)境感知技術(shù)主要有兩類：視覺巡線和激光SLAM[8]。視覺巡線技術(shù)是通過(guò)基爾霍夫變換，提取機(jī)器人軌道信息，進(jìn)而擬合出周圍環(huán)境的可行駛區(qū)。這類環(huán)境感知技術(shù)成本低，實(shí)現(xiàn)效果好，但在光線較暗、軌道被積水覆蓋而出現(xiàn)反光等異常情況下，機(jī)器人軌道信息無(wú)法被完整準(zhǔn)確地提取出來(lái)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失靈。而激光SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技術(shù)對(duì)環(huán)境的識(shí)別不依賴于可見光，它是通過(guò)激光雷達(dá)和點(diǎn)云提取周圍環(huán)境的準(zhǔn)確可靠信息，測(cè)距精度高，測(cè)量距離遠(yuǎn)，在與IMU、里程計(jì)等傳感器融合后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境的可靠感知，可用于感知隧道內(nèi)部環(huán)境，監(jiān)測(cè)障礙物和測(cè)量距離等參數(shù)，雖成本較高，但卻是現(xiàn)有的一種可靠環(huán)境感知技術(shù)。激光SLAM技術(shù)示意圖如圖2所示。

圖2 激光SLAM技術(shù)示意圖

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

現(xiàn)有的電力隧道檢測(cè)機(jī)器人主要分為輪式、履帶式、腿式、蛇形式、跳躍式、復(fù)合式和導(dǎo)軌式，每類機(jī)器人都存在不足，不能用任意一種電力隧道檢測(cè)機(jī)器人去適用國(guó)內(nèi)所有隧道的巡檢任務(wù)，要借鑒國(guó)內(nèi)外機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的成功經(jīng)驗(yàn)，完善機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)高效的路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人能在狹窄和復(fù)雜的隧道環(huán)境中移動(dòng)和轉(zhuǎn)向，使其具備適應(yīng)各種地形的移動(dòng)能力，包括攀爬、爬行、爬坡和通過(guò)狹窄通道的能力。電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由巡檢移動(dòng)機(jī)構(gòu)及其所搭載的裝置組成，涉及的原理方案設(shè)計(jì)包括移動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式、轉(zhuǎn)向方式三個(gè)部分[9]，通過(guò)對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輪子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

4 電力供應(yīng)和能源管理技術(shù)

隨著電力隧道檢測(cè)機(jī)器人的不斷發(fā)展，其高效經(jīng)濟(jì)的電力供應(yīng)和能源管理成為被廣泛研究的對(duì)象，以保證并延長(zhǎng)巡檢機(jī)器人的工作時(shí)間和續(xù)航能力。其主要的充電形式有兩種：有線接觸式充電方式和無(wú)線非接觸式充電方式[10]。

有線接觸式充電方式是利用導(dǎo)線或金屬作為傳輸能量的媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的充電。這種充電方式效率較高，一般在95%以上，而且操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，便于推廣，是現(xiàn)有的常用、主流的充電方法。但導(dǎo)線或金屬裸露在隧道中，極易受到外部環(huán)境的影響，容易發(fā)生線路銹蝕和放電現(xiàn)象，安全性方面不能充分保障。

無(wú)線非接觸式充電方式幾乎克服了有線接觸式充電方式的所有缺陷，安全系數(shù)高、設(shè)備損耗低，傳輸更靈活。無(wú)線非接觸式充電技術(shù)主要有三種：以電磁感應(yīng)原理進(jìn)行無(wú)線充電、以磁耦合諧振原理進(jìn)行無(wú)線充電和以電磁輻射原理進(jìn)行無(wú)線充電。三種充電形式的對(duì)比如表1所示。

表1 三種無(wú)線非接觸式充電形式的對(duì)比

5 操作控制和通信技術(shù)

電力隧道檢測(cè)機(jī)器人操作控制和通信技術(shù)由終端操作部分、通信部分、機(jī)器人本體部分三部分構(gòu)成，其主體部分如圖3所示。

圖3 機(jī)器人操作控制和通信技術(shù)系統(tǒng)主體部分

由圖3可知，操作員可通過(guò)操作上位機(jī)發(fā)出遙控命令，根據(jù)采集回來(lái)的畫面以及通信系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在狹窄和復(fù)雜的隧道環(huán)境中移動(dòng)和轉(zhuǎn)向，可以進(jìn)行攀爬、爬行、爬坡，可以通過(guò)狹窄通道，并能實(shí)現(xiàn)圖像采集與拍照定位[11]。此系統(tǒng)能使操作員遠(yuǎn)程操控巡檢機(jī)器人并接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，能夠在隧道環(huán)境中保持良好的信號(hào)傳輸。

6 安全保護(hù)和故障處理技術(shù)

隧道環(huán)境的多樣性決定了巡檢機(jī)器人在投入前要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，機(jī)器人本身要進(jìn)行安全保護(hù)測(cè)試，包括碰撞檢測(cè)、自動(dòng)停止、全向移動(dòng)等，以確保巡檢機(jī)器人和操作人員的安全。而當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)器人也能通過(guò)狀態(tài)終端和監(jiān)控終端及時(shí)捕捉故障信息，并采取相應(yīng)的修復(fù)措施[12]。機(jī)器人本體狀態(tài)與隧道狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 機(jī)器人本體狀態(tài)與隧道狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電力隧道巡檢機(jī)器人將越來(lái)越成熟，可在復(fù)雜多變的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更多的功能，大大提高檢測(cè)效率，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，保障巡檢人員的安全，從而有效保障電力線路和設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。