架空电力线路巡线机器人的研究综述

第 卷第 期 年 月

机器人 ×

∂ ≥

文章编号 2 2 2

架空电力线路巡线机器人的研究综述

张运楚 梁自泽 谭民

北京 中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室

Ξ

摘 要 回顾了国内外架空电力线路巡线机器人的研究现状 分析了几种巡线机器人的结构特点及存在的问详细探讨了巡线机器人避障! 工作电源及线路故障探测等关键技术 最后 展望了架空线路巡线机器人的发展趋题

势和应用前景

关键词 巡线机器人 架空电力线 故障探测 避障中图分类号 ×° 文献标识码

ΜοβιλεΡοβοτφορΟϖερηεαδΠοωερλινεΙνσπεχτιον αΡεϖιεω

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1 引言(Ιντροδυχτιον)

采用高压和超高压架空电力线是长距离输配电力的主要方式 电力线及杆塔附件长期暴露在野外 因受到持续的机械张力! 电气闪络! 材料老化的影响如不及时修复更换 而产生断股! 磨损! 腐蚀等损伤

原本微小的破损和缺陷就可能扩大 最终导致严重事故 造成大面积的停电和巨大的经济损失 因此 电力公司要定期对线路设备巡检 及时发现早期损然后根据缺陷的轻重缓急 以伤和缺陷并加以评估

合理的费用和正确的优先顺序 安排必要的维护和修复 从而确保供电可靠性

目前 对输电导线进行巡检的方法主要有两种 采用肉眼或望远镜对辖区内的电力 地面目测法

线进行观测 由于输电线路分布点多面广! 地理条件复杂 巡线工人需要翻山越岭! 涉水过河! 徒步或驱车巡检 这种方法劳动强度大 工作效率和探测精度低 可靠性差 直升飞机巡线 直升飞机 航测法

Ξ基金项目 国家 计划资助项目

收稿日期

工作人员用肉眼或机载摄像设备沿输电线路飞行

这种方法尽管距离观测和记录沿线异常点的情况

接近 提高了探测效率和精度 但电力线从观察者或摄录设备的视野中快速通过 增加了技术难度 运行费用较高≈

移动机器人技术的发展 为架空电力线路巡检巡线机器人能够带电工作 以提供了新的移动平台

一定的速度沿输电线爬行 并能跨越防震锤! 耐张线夹! 悬垂线夹! 杆塔等障碍 利用携带的传感仪器对杆塔! 导线及避雷线! 绝缘子! 线路金具! 线路通道等实施接近检测 代替工人进行电力线路的巡检工作 可以进一步提高巡线的工作效率和巡检精度 因此 巡线机器人成为巡线技术研究的热点

2 国内外研究现状(Ρεσεαρχηστατυσατηομε

ανδαβροαδ)

巡线机器人的研究始于 世纪 年代末 日

本! 加拿大! 美国等发达国家先后开展了巡线机器人

的研究工作 年 东京电力公司的≥ 等人研制了光纤复合架空地线 ° • 巡检移动机器人≈ 如图 所示 该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线 ° • 爬行 能跨越地线上防震锤! 螺旋减震器等障碍物 遇到线塔时 机器人采用仿人攀援机理 先展开携带的弧形手臂 手臂两端勾住线塔两侧的地线 构成一个导轨 然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧

待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后 将弧形手臂折叠收起 以备下次使用

图 弧形手臂巡线机器人

ƒ 2

机器人运动控制有粗略和精确定位两种模式

粗略控制是把线塔和地线的资料数据 线塔的高度!

位置 地线长度 线路上附件数量等 预先编制好程

序输入机器人

据此控制机器人的行走和越障 精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制

机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复

合架空地线 ° • 铠装层的损伤情况

并把探测数据记录到磁带上

美国× ≤公司 年研制了一台悬臂自治巡线机器人原型≈ 如图 所示 它能沿架空导线长距离爬行 执行电晕损耗! 绝缘子! 结合点! 压接头等视

觉检查任务

对探测到的线路故障数据预处理后 传送给地面人员 当机器人遇到杆塔时 利用手臂采用仿人攀援的方法从侧面越过杆塔

图 × ≤悬臂巡线机器人

ƒ × ≤

年日本法政大学的 ∏ 等人

开发了电气列车馈电电缆巡检机器人≈ 见图

机器人采用多关节小车结构和/头部决策 尾部跟随0的仿生控制体系 以 的速度沿电缆平稳爬行 并能跨越分支线! 绝缘子等障碍物

图 蛇形巡线机器人

ƒ ≥ 2

机器人由六对左右对称! 相互联结的小车组成

每个单体小车有两个电机 一个用于行走驱动 另一

个用于控制联结前后小车的旋转关节的关节角

左

右小车采用具有自保安功能的磁锁系统联结 磁锁系统用永久磁铁将左右小车牢牢锁紧 使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆 由行走电机驱动沿电缆平稳爬行

当机器人遇到分支线! 绝缘子等障碍物时 每对小车上磁锁系统中的电磁铁通电 顺次将磁锁打开 机器人再改变两侧旋转关节的关节角 使左右小车分开 小车依次通过障碍物后 控制两侧旋转关节使左右小车合拢 电磁铁断电 磁锁再次锁紧 机器人恢复正常行走状态

图 是泰国 ∏ π √

× 2 × ∏ 的≥ ° ∏ ∏ 等人 年设计的一台自给电巡线机器人原型≈ 该机器人采用电流互感器从爬行的电力线路上获取感应电流 作为机器人的工作电源

从而解决了巡线机器人长时间驱动的动力问题 并初步实现了根据摄像机图像判断电力线上绝缘子等障碍物位置的视觉导航功能 不过 该试验型巡线机器人仅能在两线塔间的电力线上爬行 无避障能力

图 自给电巡线机器人

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由日本≥ 公司生产的电力线损伤探测器也

采用了单体小车结构如图 所示

图 损伤探测机器人

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它能在地面操作人员的遥控下

沿电力线行走 利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置 将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中 地面工作人员可回放复查

进一步确定损伤情况 探测器不具备越障功能 遇到线路附件等障碍物时便自动停止前进 该损伤探测器于 年赢得了≥ ∏2

大奖≈

加拿大魁北克水电研究院的≥ ∏ 等人 年开始了 ± ∂ 遥控小车 见图

的研制工作≈

遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰 逐渐发展为用于线路巡检! 维护等多用途移动平台 第三代原型机结构紧凑 ≅ ≅ 仅重 驱动力大 抗电磁干扰能力强 能爬 β的斜坡 通信距离可达 小车采用灵活的模块化结构 安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查! 压接头状态评估! 导线和地线更换! 导线清污和除冰等带电作业 已在工作电流为 的 ∂电力线上进行了多次现场测试 但是 ± ∂ 无越障能力

只能在两线塔间的电力线上工作 目前 研究组正在开发具有越障功能的自治移动小车 实验结果表明 新一代 ±

∂ 能在无人干预的情况下跨越障碍物 巡检范围达

图 ± ∂ 遥控小车

ƒ

± ∂ 国内关于架空电力线路巡线机器人研究的报道

较少 年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车

小车采用单体三驱动轮结构 具有稳定的行走功能和越障功能 能顺利越过绝缘子! 防振锤! 悬垂线夹等主要障碍物 并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断

巡线小车的行走! 越障通过人工遥控加机械控制器来实现 目前 该研究组正在进行智能化程度较高! 越障能力强的自治巡线机器人的研制工作≈ 中科院

沈阳自动化所! 中科院自动化所在 基金项目资助下也开展了架空电力线路巡线机器人的研究

3 巡线机器人的一些关键技术(Κεψτεχη2

νολογιεσοφινσπεχτιονροβοτ)

从上述国内外已取得的研究成果可以看出 无越障功能的架空电力线路巡线机器人技术较为成熟 已近于实用阶段 如日本≥ ! ƒ∏

∏ 美国 ≤ ≤等公司开发的巡线机器人 这类机器人一般需人工参与 只能完成两线塔之间电力线路的检查 作业范围小 自治程度低 自主巡线机器人能跨越线路附件! 线塔等障碍物 实施大范围! 长时间的线路巡检作业 但研究进展缓慢

3 1 机械机构

巡线机器人是机电一体化系统 涉及到机构! 控制! 通信! 定位系统! 移动平台上传感器的集成和信息融合! 电源等 而机械机构是整个系统的基础 也是目前制约巡线机器人发展的技术障碍之一 巡线机器人机械机构的设计要求是

∞能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行 ƒ具有一定的爬坡能力

能够避越高压线路上的防震锤! 线夹! 绝缘

子! 线塔等障碍

在故障情况下有可靠的自保安措施 防止机器人摔落

提供足够的空间安装所携带的电源以及探

测! 记录和分析处理仪器

可实现在管线上爬行的机构可以分为步进式爬行机构和轮式爬行机构两类≈

步进式爬行机构通过多只手臂的交替移动完成爬行 一般用于斜拉桥缆索! 管道外壁的检查维护

轮式爬行机构依靠由电机驱动的行走轮与管线之间的摩擦 驱动机器人前进 轮式爬行机构行走平稳 速度快 有利于移动平台上线路探测仪器的可靠工作 因此 目前巡线机器人多采用此类爬行机构

越障机构是巡线机器人机构的关键 由于机器人悬挂在架空线上

越障时应保证机器人姿态平稳 并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距 因此设计难度较大 文献≈ 采用了仿人攀援的弧形手臂越障机构 姿态控制较为复杂 文献≈ 中给出的分体蛇形越障机构不适合跨越直径和间距较大的障碍 文献≈ 的越障机构也同样存在跨越间距小的问题 见图

巡线机器人越障操作类似人的空中攀援行为

因此 仿生设计是解决这一难题的有效方法 一种很有前景的方案是采用多只可伸缩机械臂结构 机械臂上部为爬行驱动机构 下部通过旋转关节相互链接

遇到障碍时 机械臂之间相互配合 采用仿人攀援策略调整姿态 跨越障碍 由于采用多只多自由度机械臂 机器人可以完成更为复杂的空中姿态调整 因而可跨越各种类型的线路障碍

图 小车式巡线机器人机械机构

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3 2 工作电源

要保证巡线机器人在野外大范围内长时间工作 必须提供持续可靠的电源 巡线机器人功率一般为几百瓦 由于受体积和重量的限制 蓄电池组不能满足长时间供电要求 文献≈ 尝试采用小型汽油发电机为机器人供电 但汽油发电机需携带油箱 工作时受环境影响大 可靠性差 由于巡线机器人一般沿大工作电流的电力线爬行 因此 最好能直接从电力线上获取能源 即耦合供电 文献≈ 对采用电流互感器耦合从电力线上获取电源的设计方法进行了深入研究 分析了机器人所需的最大驱动力与其重量的比率! 磁芯的截面积! 副边线圈匝数等变量的关系 实验结果验证了方案的可行性

采用电力线耦合供电虽然解决了巡线机器人长期工作的电源问题 同时也导致机械机构及控制系统的复杂化 这是因为机器人越障时 电流互感器磁芯须从电力线上脱离 需解决磁芯分离机构控制和备用电源切换技术

3 3 导航及定位技术

导航就是规划巡线机器人的行走路径 包括全局路径规划和局部越障规划等≈ 巡线机器人沿架空电力线路爬行 要跨越防震锤! 悬垂绝缘子! 线夹! 杆塔等障碍 行走环境介于结构化和非结构化环境之间 因此导航问题主要为局部越障规划 局部越障规划就是利用环境传感器 如超声传感器! 激光测距仪! 视觉传感器等 提供机器人周围的局部环境信

息 产生下一时刻机器人位姿信息 由于巡线机器人环境中障碍物反射面较小 基于≤≤⁄摄像机的视觉传感器更适合作为巡线机器人的环境传感器 另外 悬挂在导线上的机器人 由于风力作用和自身姿态调整时中心的偏移会产生摆动 加大了越障控制难度

实时确定巡线机器人在作业环境中所处的位置 即机器人定位 对于准确标识线路故障点的位置至关重要 一种方案是采用里程计的相对定位技术 但累积误差较大 在经过的杆塔上贴上路标 也可以解决定位问题

3 4 通讯技术

通讯模块完成基站和巡线机器人之间的双向数据传输

包括来自机器人的实时视频图像! 线路探测传感器数据! 机器人位姿状态和由地面基站发出的各种遥控命令等 要求具有带宽高! 距离远! 抗干扰能力强等特点

3 5 线路损伤探测技术

巡线机器人需完成以下的基本巡检任务 ∞杆塔巡视检查 检查杆塔横担! 杆塔本体是否损坏! 变形! 锈蚀! 被盗等 ƒ导线及避雷线巡视检查 检查有无锈蚀! 断股! 损伤等 有无悬挂异物等 绝缘子巡视检查 检查普通和钢化绝缘子有无闪络! 裂纹!

破碎和烧伤痕迹 检查合成绝缘子有无严重污秽! 伞裙开裂 均压环是否松动! 歪斜或脱落 线路金具巡视检查 检查金具有无锈蚀或损坏 防震锤有无生锈! 脱落等 线路通道检查 检查线路通道内的树木! 建筑物等与线路导线之间的距离 巡线机器人需携带必须的探测仪器完成上述探测任务 故障和损伤探测方法有以下几类

3 5 1 非接触探测方法

∞视觉检查

视觉检查是应用最为广泛的线路检查方法 采用高分辨率≤≤⁄摄像机摄取目标图像 实时传输到地面基站或存储下来 由基站操作人员根据图像中导线! 绝缘子等设施的外观确定是否损坏 人工复查需对图像逐帧观察 效率较低 采用计算机图象处理技术自动判断线路故障 能快速识别多种故障现象 从而提高了工作效率

≠ 采用图像处理技术自动评估架空线的腐蚀

程度

准确度与熟练技工相同≈ 视觉检查一般能发现架空线大部分表面故障现象 精度和准确度取决于图像质量 因此 巡线机器人如何自主控制携带的摄像设备 捕捉特定兴趣目标 获取多视角! 高清晰度目标图像 有待深入研究

ƒ红外探测技术

有些早期故障难以通过视觉检查发现 这可采用红外探测技术加以弥补 当输电导线存在机械故障 如导线断股! 绝缘子破损! 压接管连接不良等 时

运行过程中故障点附近就会出现局部温升 产生热辐射场 热成像技术 如红外摄像机 是一种广泛用于检测输变电系统局部温升故障的技术 它可以摄取表面温度超过周围环境温度的异常温升点的红外光谱图像 然后根据图像 人工或自动判读可能的故障器件 该方法已成功用于探测架空电力线上早期的发热故障点

使用时 被测点的温度要高于系统环境温度 天气应干燥晴朗 由于红外成像仪受天气环境影响较大 探测精度和准确性不高 对此 ≥ 分析了影响探测质量的各种

因素

提出了改进的措施≈ 吴功平等人≈ 研究了导线破损的红外检测机理和故障信号的特征提取与故障识别的综合判据 开发了一种便携式近距离红外检测与故障诊断仪 采用热释电传感器将故障点热辐射场装换为电压信号 由数据采集系统采集并送至数据存储系统记录 再通过故障诊断软件对数据进行处理来识别故障类型和确定故障发生的位置

无线频谱分析 高压传输线系统各种完好部件周围的交变电场通常呈现为均匀的闭合实线 包括一个规则的无害电晕场 架空线路设备的一些故障 如绝缘子处漏电! 导线断股! 植物生长过于靠近导线等 会导致其周围电离空气层中出现不规则强烈电子活动 这些高频扰动表现为对交变电场闭合

曲线的干扰

架空线上不同的故障类型和位置表现为上述干扰信号的形状! 强度和位置 因此 对上述情况进行测量和评估

能够提供输电线路异常和故障的线索 根据以上原理 瑞士的

公司研制了名为 架空线故障探测系统 对架空线路早期故障探测具有很高的灵敏度和准确度≈

3 5 2 接触探测方法

∞电涡流探测法

电涡流方法能准确探测钢

芯铝绞线断股! 钢芯腐蚀程度! ° •铠装层损伤等故障 其基本原理是 将激励线圈贴近导线 并通以

交变电流

激励线圈产生交变磁场 使输电线表面产生电涡流 而电涡流又会反过来产生反向磁场作用于测量线圈 从而改变测量线圈的电参数 导致测量线圈阻抗或电压发生变化 当输电线出现断股! 破损或严重锈蚀等故障时 会使电涡流发生畸变 根据畸变程度就可提取有关故障缺陷的程度和

位置信息≈

ƒ电阻测量探测法 架空高压线有很多连接器

如压接管

多种因素会导致连接器老化 导致接点处电阻增加 从而产生局部过热 如不及时维护 会增加线路功率损耗 甚至导致导线断裂而引发停电事故 ≥ 公司研制的 微欧姆计≈

能测量一段带电导线或连接器两端的电阻 将测量值与正常值比较 就可断定该段导线或连接器件的状态 从而发现早期故障 这种方法比红外测量更直接 准确度高 不受电磁辐射! 天气! 负荷电流的影响

如何把多种线路故障探测器集成到巡线机器人移动平台上

运用传感器信息融合技术进一步提高早期故障探测的效率! 精度和准确度 提高故障设施剩余寿命的评估质量≈ 是巡线机器人研究的另一个重要目标

4 展望(Ουτλοοκ)

电力公司面临不断增加的电力需求! 更高供电可靠性要求和激烈的市场竞争 以可靠性为中心的精确维护策略 ≤ ≤

2 ≈ 因能保证电力设施工作寿命最大化 已成为共识 对电力设施早期潜在故障的准确发现和正确评估 是成功实现上述策略的关键 巡线机器人应运而生 因而具有广阔的应用前景

巡线机器人技术有两个值得关注的趋势

多传感巡线机器人

随着自治巡线机器人技术的成熟和线路故障探

测仪器的小型化 在一台巡线机器人上集成多种线路故障探测仪器将成为可能

这样 机器人可用多种传感器同时扫描线路 运用传感器信息融合技术以更高的分别率和可靠性发现各种类型的早期故障并加以评估 为维护人员实时提供架空电力线设施的工作状态报告

分布式多巡线机器人系统

多传感巡线机器人固然有其优点 但不可避免会带来体积较大及控制过于复杂的缺点 开发小型单传感巡线机器人 通过多个携带不同线路故障探测器的机器人协调工作 同样也可完成线路巡检任务

由于功能的单一化 可减小机器人体积及功耗 降低了研制难度 同时 多机器人有组织的协作 可使巡线机器人群体产生高性能的智能行为 通过群体间的知识共享和交换 可进一步提高线路故障的探测灵敏度和可靠性

参考文献 (Ρεφερενχεσ)

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≈ 吴功平

戴锦春 郭应龙等 具有自动越障功能的高压线巡线小车≈ 水利电力机械

≈ 耿欣 周延泽 巡线机器人的爬行方案设计≈ 机器人技术与

应用

≈ 朱淼水

杨建刚 吴春明 自主式智能系统≈ 杭州 浙江大学出版社

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戴锦春 郭应龙等 输电导线机械破损的红外检测与故≈ 吴功平

仪器仪表学报 障诊断≈

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饶贵安 康宜华 高压输电线涡流检机器人的研制≈ ≈ 梁唯溪

无损检测

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作者简介

博士研究生 研究领域 机器人控制 张运楚 2 男

机器视觉

硕士 副研究员 研究领域 机器人控 梁自泽 2 男

电力系统自动化技术 制

男 博士 研究员 博士生导师 研究领 谭 民 2

机器人控制 多机器人系统 系统可靠性及故域 障诊断

上接第 页

科学出版社 ≈ 贾云得 机器视觉≈ 北京

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国防工业出版社 ≈ 郑南宁 计算机视觉与模式识别≈ 北京

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作者简介

男 博士生 研究领域 计算机视觉 显 江泽民 2

微操作等