錢丹楊 周衛(wèi)華 帥學(xué)超

智能電力線路巡檢機(jī)器人的設(shè)計與實施

錢丹楊1周衛(wèi)華1帥學(xué)超2

（1. 臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺州 318000；2. 杭州電子科技大學(xué)，杭州 310018）

本文提出一種智能電力線路巡檢機(jī)器人的設(shè)計與實施方案。首先，分析線路巡檢機(jī)器人的功能需求，采用輕量化設(shè)計思路，提出線路巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，使其具有自主行走、越障、爬坡等功能；其次，設(shè)計基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的電氣控制平臺，實時獲取三維激光點(diǎn)云、定位定姿系統(tǒng)（POS）數(shù)據(jù)、正射數(shù)字影像等；然后，融合三維激光、位姿、視覺等數(shù)據(jù)，設(shè)計數(shù)據(jù)融合方法；最后，對制作的實驗樣機(jī)進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明相關(guān)參數(shù)能夠滿足工程應(yīng)用研究的要求。

巡檢機(jī)器人；越障；故障識別；數(shù)據(jù)融合

0 引言

輸電線路的巡檢工作關(guān)乎整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率[1]，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、高端制造等技術(shù)，在輸變電設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域開展智能作業(yè)可以有效提升勞動生產(chǎn)率，降低人員勞動強(qiáng)度[2]。

輸電線路具有跨度大、中間障礙物多等特點(diǎn)[3]，國內(nèi)外的科研工作者做了大量研究，設(shè)計了很多電力線路巡檢機(jī)器人，并進(jìn)行了試驗。文獻(xiàn)[4]研制的巡檢機(jī)器人應(yīng)用于220kV單相線路巡檢，具有越障、圖像識別、自主行走、遠(yuǎn)程通信、自主上下塔桿等功能，制作的樣機(jī)運(yùn)行效果良好，對后續(xù)的研究具有很高的參考價值。文獻(xiàn)[5]針對500kV線路設(shè)計可自主行走的巡檢機(jī)器人，具有跨越障礙物的功能，機(jī)械部分包含紅外相機(jī)和機(jī)器視覺檢測的安裝裝置，通過采集圖像數(shù)據(jù)檢測輸電線路、絕緣子、抗震錘及其他輸電設(shè)備的損壞情況，地面基站通過遠(yuǎn)程通信控制巡檢機(jī)器人。文獻(xiàn)[6]創(chuàng)新性地設(shè)計出具有除冰、在線充電等功能的巡檢機(jī)器人，同時，融合了多種傳感器對輸電線路、絕緣子、線路接頭、桿塔等進(jìn)行檢測，可實時進(jìn)行除冰工作，具有很高的參考意義。文獻(xiàn)[7]根據(jù)現(xiàn)場工作條件，提出巡檢機(jī)器人應(yīng)該具有自主行走、電池電量監(jiān)控、越障等功能，結(jié)合實際工況設(shè)計的巡檢機(jī)器人能同時滿足輸電線路異物檢查、線路斷股等缺陷檢測要求。

由上述研究可知，巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)包括以下幾個方面：①具有越障爬坡功能、輕量化的巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計；②采用合適的傳感器，能快速檢測到故障點(diǎn)的檢測方式及控制算法；③環(huán)境信息量大，需要融合各個傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析判斷。

本文提出的電力線路巡檢機(jī)器人采用輕量化設(shè)計方案，具有自主越障功能，并通過多傳感器集成標(biāo)定與多通道融合技術(shù)，為電力線路巡檢提供豐富的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為電力大數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能電力線路巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括爬塔機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)及任務(wù)吊艙三個模塊。行走機(jī)構(gòu)及任務(wù)吊艙組成機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體，爬塔機(jī)構(gòu)與機(jī)器人本體是可分離的。爬塔機(jī)構(gòu)采用仿生式蠕動爬行方式，可跨越電塔橫梁，可將巡檢機(jī)器人本體從地面送到電塔上部順利實現(xiàn)掛載。爬塔機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖1 巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

圖2 爬塔機(jī)構(gòu)

任務(wù)吊艙內(nèi)部主要用于固定電氣控制部件，包括三維機(jī)載激光雷達(dá)miniVUX—1UAV、樹莓派控制板、數(shù)碼相機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、鋰電池、導(dǎo)航單元、電源轉(zhuǎn)換模塊、定位天線等，如圖3所示。激光雷達(dá)的下端安裝面固定在定制的光滑安裝板上，機(jī)械開口，保證三維激光雷達(dá)的探頭裸露在外部，可以檢測到外部信息，通過合理布局，慣性導(dǎo)航單元與數(shù)碼相機(jī)的安裝面也固定在安裝板上。為了減少通信干擾，定位天線通過額外加工的支桿固定在方形外殼的上表面，電源開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)接口、接插件等分布在后端蓋的內(nèi)表面及線槽周邊。

圖3 電氣部件安裝示意圖

以架空電力線路巡檢機(jī)器人為主打產(chǎn)品的公司主要有廣東科凱達(dá)和國電南瑞公司。目前，兩公司的架空線路巡檢機(jī)器人在行走機(jī)構(gòu)方面主要采用兩臂式機(jī)構(gòu)，越障性能有限，且沒有配備相應(yīng)的上下塔機(jī)構(gòu)，機(jī)器人還需要采用人工吊裝的方式進(jìn)行掛載，機(jī)器人過于笨重，質(zhì)量達(dá)到50kg，對線路磨損較大。本文設(shè)計的巡檢機(jī)器人，相較于上述兩公司產(chǎn)品，具有自主上下塔功能，真正實現(xiàn)了自主巡檢，機(jī)器人總體質(zhì)量可控制在30kg以內(nèi)，大大減少了行走輪對電線的磨損。

2 基于機(jī)器人操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system, ROS）軟件平臺的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)，連接電機(jī)驅(qū)動、電源管理部分，融合視覺、雷達(dá)等傳感器，構(gòu)建軟件框架，具有可操作性強(qiáng)、代碼靈活、數(shù)據(jù)傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)控制站上傳的任務(wù)文件或?qū)崟r指令執(zhí)行三維激光點(diǎn)云、定位定姿系統(tǒng)（position orientation system, POS）數(shù)據(jù)記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)獲取與同步采集，電氣控制框圖如圖4所示。

地面站可以分析巡檢日志，對巡檢的結(jié)果進(jìn)行回放，方便及時總結(jié)。地面站支持軟件模擬巡檢，以最小的代價，達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)控制站上傳的任務(wù)文件或?qū)崟r指令執(zhí)行三維激光點(diǎn)云、POS數(shù)據(jù)記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)獲取與同步采集。任務(wù)完成后地面站可通過有線或無線方式快速下載巡檢數(shù)據(jù)，包括原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、POS航跡數(shù)據(jù)、可見光照片、曝光同步數(shù)據(jù)及巡檢任務(wù)執(zhí)行日志文件等。

圖4 電氣控制框圖

3 數(shù)據(jù)采集與融合

數(shù)據(jù)采集由傳感器集成部件完成，主要包括激光雷達(dá)、POS及正射數(shù)碼相機(jī)等部分，主要執(zhí)行三維激光點(diǎn)云、位姿數(shù)據(jù)、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)同步獲取。

三維激光雷達(dá)選用美國Riegl公司提供的三維機(jī)載激光雷達(dá)miniVUX—1UAV，具有小型化、精度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，適合移動機(jī)器人、無人機(jī)等搭載。激光雷達(dá)通過多回波檢測、數(shù)字化回波信號、在線波形處理等技術(shù)，生成電力線路設(shè)備的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部控制器的自動分類和濾波，快速生成高程模型和數(shù)字表面模型，支撐后續(xù)的交叉跨越障礙物檢測、電力線路走廊三維可視化、電力線弧垂信息提取等研究[10]。

定位定姿系統(tǒng)作為激光掃描空間位置姿態(tài)元素測量的基準(zhǔn)，對三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)的計算起著非常重要的作用，其測量誤差直接影響電力線路及相關(guān)設(shè)備點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度[11]。本文綜合考慮精度、體積、質(zhì)量、成本等因素，采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS）的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，將具有高精度定位功能的GNSS接收機(jī)與穩(wěn)定的慣性測量單元（inertial measurement units, IMUs）進(jìn)行組合，可實時提供可靠、高精度的位置、速度、姿態(tài)等信息。在短期時間內(nèi)，即使導(dǎo)航衛(wèi)星信號受遮擋或因故障不可用時，組合導(dǎo)航系統(tǒng)仍可提供連續(xù)可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)[12]。組合導(dǎo)航精度見表1。

表1 組合導(dǎo)航精度

正射數(shù)碼相機(jī)主要實現(xiàn)正射影像采集，為輔助點(diǎn)進(jìn)行電力線故障信息提取和定位提供高分辨率的基礎(chǔ)影像資料。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程如圖5所示，三維激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字影像數(shù)據(jù)、定位模塊的位姿數(shù)據(jù)實時同步采集，保存到樹莓派控制器中，通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴挠嬎闫脚_，實現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的融合計算處理，并實時構(gòu)建傳輸線路電氣設(shè)備的三維模型。在三維模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力線、走廊地物、電塔及其他設(shè)備的特點(diǎn)，分析提取故障點(diǎn)的特征，并建立故障模型數(shù)據(jù)庫，為進(jìn)一步的電力線路數(shù)據(jù)分析及深化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。后續(xù)，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)電力線路及相關(guān)設(shè)備的可視化及危險點(diǎn)、故障點(diǎn)等檢測。

圖5 數(shù)據(jù)處理過程

4 樣機(jī)與測試

本項目設(shè)計制作的巡檢機(jī)器人尺寸為1 923mm× 720mm×968mm，總質(zhì)量≤30kg；定位精度：平面及高程＜10cm；運(yùn)動速度精度：0.04m/s；掃描視場角為330°；遙控距離≥350m；相機(jī)像素：全畫幅5 060萬。目前，已制作出實驗樣機(jī)，如圖6所示。傳感器與控制系統(tǒng)的精度滿足測試的需求。后續(xù)，將與當(dāng)?shù)氐碾娍圃郝?lián)合測試巡檢機(jī)器人，并在實際測試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計、控制算法等。

圖6 實驗樣機(jī)

5 結(jié)論

本文分析了電力線路巡檢機(jī)器人的功能需求，設(shè)計并制作了實驗樣機(jī)，具有如下優(yōu)勢：

1）采用輕量化的巡檢機(jī)器人設(shè)計方案，具有自主爬塔功能，替代了現(xiàn)存的人工吊裝上下塔的方式，真正實現(xiàn)機(jī)器人自動巡檢功能。

2）基于ROS的電氣控制系統(tǒng)，開放性好，功能擴(kuò)展方便。

3）引入多源數(shù)據(jù)的自動自標(biāo)定融合，極大地簡化了后續(xù)數(shù)據(jù)處理流程，為電力線路準(zhǔn)實時全景重構(gòu)和動態(tài)數(shù)據(jù)管理提供技術(shù)支撐。

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Design and implementation of intelligent power line inspection robot

QIAN Danyang1ZHOU Weihua1SHUAI Xuechao2

(1. Taizhou Vocational & Technical College, Taizhou, Zhejiang 318000;2. Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018)

A design and implementation scheme of intelligent power line patrol robot is proposed. Firstly, the functional requirements of the line patrol robot are analyzed. Using the lightweight design idea, the structural design scheme of the line patrol robot is proposed, which has the functions of autonomous walking, obstacle climbing, slope climbing and so on. Secondly, an electrical control platform based on robot operating system (ROS) is designed to obtain 3D laser point cloud, position and orientation system (POS) data, digital image and other data in real time. Thirdly, the data fusion method is designed by fusing 3D laser, pose, vision and other data. Finally, after testing, the performance parameters of the experimental prototype can meet the requirements of engineering application research.

inspection robot; obstacle crossing; fault identification; data fusion

2022-02-10

2022-03-16

錢丹楊（2001—），浙江杭州人，主要從事電氣控制方面的研究工作。

2021年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃（2021R481001）

臺州市科技計劃項目（21gya34）