自主电力线巡检机器人的发展概况及关键技术

摘 要：电力线巡检首先在直升机巡检领域得到自动化，近年来又在飞行机器人和爬行机器人领域得到飞速发展。不同类型的机器人在设计需求、巡检质量、自主性和通用性等方面各有利弊，在应用领域呈互补关系。文章阐述自动直升机巡检、飞行机器人巡检、爬行机器人巡检技术的发展概况，目的是展示电力线巡检机器人领域的重要成就，并对存在的问题进行总结，对电力线巡检机器人的发展前景做出展望。

关键词：移动机器人；电力线巡检；飞行机器人；爬行机器人

供配电中断将导致电力生产者、销售者及消费者的巨大损失，最小化电力线故障具有重要意义。为了尽早检出缺陷并高效维护，配电网络需要定期巡检。在过去二十年中，电力线自主巡检领域开展了大量卓有成效的研究。本文阐述了直升机辅助巡检、飞行机器人巡检、爬行机器人巡检等电力线巡检技術的发展概况及关键技术，对需要解决的问题做了总结，并对巡检机器人的发展前景做出展望。

1 电力线缺陷

电力线缺陷发生在导线、绝缘子、电线塔杆及其它电力线设备中。钢芯铝制电缆上的两种常见缺陷是铝线腐蚀和机械损伤。导线表面铝线断裂可由视觉检出，腐蚀问题只能用特殊设备检测或通过测量导线升温而得知。导线的机械损伤通常是由风致振动，断线靠近夹子及其它配件。由于断线锋利，断线表面的电场强度很高，触发了电晕效应，这种效应可通过紫外（ultraviolet，UV）相机有效检测。

绝缘子缺陷根据绝缘子类型有所不同。玻璃绝缘子缺陷通常可通过视觉检测。陶瓷绝缘子缺陷大多是因为腐蚀，相对较难检测。检测有缺陷的复合绝缘子也具挑战性。视觉检测是最常用的检测技术，其它检测方法是热成像仪、UV相机。

塔杆、塔线设备（隔离器、夹具、阻尼器、灭弧角等）及周围植被都需要定期检查。塔杆和塔线设备会老化或被人为破坏，植被也可能成为大问题，因为通常树木每年长高约50cm，有些树甚至每年可长高400cm。因此，植被与输电线之间的距离需要定期检查。

2 自动直升机辅助巡检

直升机巡检采用陀螺稳定吊舱、红外热成像仪和可见光成像仪等先进设备进行超高压输电线路的巡检操作，具有巡检灵活机动的特点，能在第一时间为电网调度和开展设备状态检修提供真实全面的现场资料，大大提高了巡检效率。

直升机辅助巡检须实现自主电力线追踪、针对电力线的视觉缺陷检测和测量的安全距离。该距离及直升机振动和运动都会对高质量图像的获取产生影响。巡检中更常用到小型直升机，因为它更敏捷、能耗更少、可实现空中悬停。若要执行长距离巡检，直升机必须有足够高的能效。直升机辅助巡检的关键技术是位置控制、电力线自动跟踪、避障、通信、图像采集、自动故障检测、测量安全距离、充电续航。

3 无人机巡检

无人机巡检和自动直升机巡检在一些方面有相似之处，这两种方法都有一些共同的问题，包括相机稳定性、线杆追踪和自主检测故障等。无人机巡检的评估报告显示，无人机巡检比徒步巡检更快，又与昂贵的直升机巡检精确度相同甚至比直升机巡检更精确。无人机巡检在技术上是可行的。

由D.I.Jones领导的研究小组开发了一种视觉导航的配电网络巡检无人机。该无人机转子叶片不暴露，悬停和低速飞行非常有效。无人机装配陀螺稳定相机、导航和定位系统、处理图像和其它传感器数据的计算机、通信系统和充电系统。主要研究目标是无人机位置和姿态控制、协助无人机飞越障碍物和飞近电力线的导航系统设计、以及充电系统设计。

4 爬行机器人巡检

电力线巡检的另一种方法是沿导线爬行、可跨越各种障碍物的爬行机器人。该方法的主要优势是可实现近距离全线高精度巡检，巡检不受天气及空域管制等影响，巡检成本低。近距离检测和低振动水平大大提高了图像采集的质量。爬行机器人悬挂在导线上前进，并可沿输电线路跨越障碍，因此需要较复杂的机器人机构。机器人功能主要包括沿导线自主运动、自动视觉巡检、至少半自主的障碍穿越（也即自主跨越已知或可预测的障碍）。

4.1 机器人机构和越障

武汉大学的吴功平教授团队提出了由2个小臂操作手机构、1个公共的变长大臂机构、2个小臂与变长大臂间各分别有1个绕铅垂轴和水平轴旋转的关节组成的双臂协调移动的机器人机构模型。实现了机器人在一根相线全程线路上的自主行驶运动（滚动、爬行和跨越/避让障碍物）。该机器人目前已在湖南、吉林等省示范运行。

4.2 机器人控制系统

机器人控制系统的主要目标是在机器人越障时提供导航。根据有关障碍物的传感数据，控制系统应能引导机器人跨越障碍。另一个重要问题是消除机器人振动。在风和其它扰动的影响下，电力线和爬行机器人都必然发生振动。振动引起图像及机器人手臂的运动模糊，这些都会减小导线定位精度。

4.3 机器人传感器

爬行机器人所用传感器主要用于机器人控制、电力线巡检和重要参数的监测（供电电压、机器人内部温度等）。最重要的一个传感器问题是导线上的障碍物检测和位置估计，这通常由距离传感器完成。该方法虽易实现，但通常不能提供足够信息以实现障碍物跨越。为自主跨越障碍，障碍物类型必须已知。

4.4 供电

电力线有望为巡检机器人运动供电。有文献提出经由电力线磁场提取能量，具体方法是将磁性铁芯安置在导线周围，电力线中电流越大，转移到次级线圈中的电能越多。

5 结束语

不同类型的巡检机器人各有利弊，在关键技术难点上有一些共通之处，在应用领域呈互补关系。将来我们可能会看到集多种功能为一体的自主电力线巡检机器人。

参考文献

[1]徐显金.高压线路沿地线穿越越障巡检机器人的关键技术研究

[D].武汉：武汉大学，2011.

[2]吴功平，肖晓晖，肖华，等.架空高压输电线路巡线机器人样机研制[J].电力系统自动化，2006，30（13）：90-93+107.

[3]S. Peungsungwal，B. Pungsiri，K. Chamnongthai and M. Okuda.Autonomous robot for a power transmission line inspection[C].in Proc. 2001 IEEE Int. Symp. Circuits Syst. （ISCAS 2001），2001.

作者简介：王丽杨（1980-），女，四川广安人，副教授，研究方向：智能机器人，信息与系统科学相关工程与技术。