高压架空输电线路自动巡线机器人的研制

收稿日期：２００４—０６—３０；修回日期：２００４—０７—１４。 国家“十五”８６３计划资助项目（２００２ＡＡ４２０１１０一４）。
万方数据
输电线路巡线机器人的研究工作，并取得了很大进 展。
１ 机械结构设计
巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉 及机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源 技术等多个领域。但机械机构是整个系统的基础， 也是目前制约巡线机器人实用化的最大障碍。巡线 机器人对机械结构的要求是：
２控制系统硬件组成及功能
自动巡线机器人是一种运行于１１０ ｋＶ高压架 空输电线路上、具有一定智能的机器，对于这种特殊 的工作环境，要求巡线机器人必须具备自动控制和 主从遥控操作控制两种工作方式，并具有在恶劣环 境中可靠工作的能力。
巡线机器人控制系统的组成如图２所示，本体 控制系统采用由规划级和直接控制级组成的两级分 布式计算机控制结构。
国外在巡线机器人领域的研究起步较早，从 ２０世纪８０年代末开始，日本东京电力公司的 Ｓａｗａｄａ等人、美国ＴＲＣ公司、加拿大魁北克水电研 究院（ＩＲＥＱ）的Ｍｏｎｔａｍｂａｕｌｔ等人先后开展了巡线 机器人的研究工作口￣５］，但他们研制的巡线机器人 一般需要人工参与，或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。国内关于输电 线路巡线机器人的研究刚刚起步。２００２年１０月， 山东大学机器人研究中心联合中国科学院自动化研 究所，在国家８６３计划项目的资助下开展了１１０ ｋＶ
０ 引言
电力系统最重要的任务是提供高质量和高可靠 性的电力。电力传输必须依靠高压输电线路，它的 安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。由于输 电线路分布点多、面广，绝大部分远离城镇，所处地 形复杂，自然环境恶劣，且电力线及杆塔附件长期暴 露在野外，会受到持续的机械张力、电气闪络、材料 老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及 时修复更换，原来微小的破损和缺陷就可能扩大，最 终导致严重事故，造成大面积停电，从而造成极大的 经济损失和严重的社会影响。所以，必须对输电线 路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的 运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情 况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确 保供电安全。传统的人工巡检方法不仅工作量大而 且条件艰苦，特别是对于山区和大江大河等的输电 线路巡检存在很大困难，甚至一些巡检项目靠常规 方法都难以完成。因此，采用机器人自动巡线成为 保障高压输电线安全运行的一种必要手段。
参考文献
～。一～
一
一～一一～～～一～一一
一～ ～一 一～一
一 一 一 一 一 ～一 一～一 ～～一～
～一一一
～一～一～一一 一一～㈣
～～一wk.baidu.com
周风余（１９６９），男，博士研究生，副教授，研究方向为
特种机器人、智能机器人。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｆｅｎｇｙｕ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
吴爱国（１９５４一），男，教授，博士生导师，研究方向为电
（ａ）原始图像
（ｂ）经数学形态学运算后图像
（ｃ）二值化图像
（ｄ）绝缘子图像
Ｆｉｇ．３
图３绝缘子的分割与识别
Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
·新技术新产品· 周风余等高压架空输电线路自动巡线机器人的研制
９１
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，如何让巡 线机器人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，是一个关键。 我们在这方面下了不少功夫，取得了较满意的效果。
ｂ．红外探测技术 当输电导线存在诸如导线断股、绝缘子破损、压 接管连接不良等故障时，故障点附近会出现局部温 升，产生热辐射。这些故障难以通过视觉检查发现， 我们采用红外探测技术加以弥补。具体来说，就是 热成像技术，这是一种广泛用于输变电系统的故障 探测技术，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。 Ｃ．无线频谱分析方法 高压传输线系统的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。如果绝缘子处漏电、导线断股、输电线路 与树木的距离较近时，会导致其周围电离空气层中 出现不规则强烈电子活动。架空线上不同的故障类 型会使故障位置的电磁信号的形状、强度发生变化。 因此，对该信号进行测量和评估，也能够提供输电线 路异常和故障的线索。 上面几种方法需要基站工作人员对机器人传送 的数据和图像进行分析，才能获得巡检结果。若把 多种线路故障检测器集成到巡线机器人移动平台 上，运用多传感器信息融合技术，由计算机自动完成 检测和故障分析，将极大地提高故障探测的效率、精 度和准确度，这将是进行下一步研究的重要目标。
４ 结语
高压架空输电线路巡线机器人样机在实验线路 上的运行表明，其重大的突破在于它基本上解决了 自主越障问题，并能够较好地完成规定的巡检任务。
尽管如此，机器人功能的完善、结构的进一步优化、 直至能够在实际线路上可靠运行，还有许多工作要 做。但毫无疑问，随着机器人技术及相关技术的发 展和人们对输电可靠性越来越强烈的要求，其发展 前景将是非常广阔的。
直接控制级是直接面向被控对象的，用来完成 对各自由度的控制。它主要由极低功耗、高性能、抗 干扰能力强的ＭＳＰ４３０单片机系统以及电机驱动 器、电机码盘和限位开关等组成。其任务是：接收来 自规划级的指令，完成规划路径的运动控制；收集各 关节位置传感器的信息并进行预处理，然后传送给 规划级，以便规划级进行下一轮的运动轨迹规划；完 成对控制器、功率放大器的故障诊断，并把诊断结果 送到规划级。
摘要：介绍了自行研制的１１０ ｋＶ高压架空输电线路巡线机器人。该机器人机械结构设计合理、巧 妙；控制系统采用两级分布式计算机控制结构，规划级用于机器人管理和路径规划，直接控制级用 于机器人的姿态和运动控制。实验线路上的运行表明，较好地解决了自主越障问题，可以完成规定 的巡检任务，具有非常广泛的应用前景。 关键词：高压架空输电线；巡线机器人；自主越障；巡检 中图分类号：ＴＭ８３５；ＴＰ２４２．６
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｅｌｆ—ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ １１ ０ ｋＶ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｖｅｒｈｅａｄ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｒａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｉｎｇｅｎｉｏｕｓ ｉｎ ｔｈａｔ ａ ｔｗｏ—ｌｅｖｅｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔＯ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｍｏｖｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｌｅｖｅｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ－Ｃｏｎｔｒｏｌ １ｅｖｅｌｉＳ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒ０１ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｏｓｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｔｅｓｔｅｄ ｏｎ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｌｉｎｅ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｔｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｇｅｔｔｉｎｇ ａｃｒｏｓｓ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ａｎｄ ｆｕｌｆｉｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｔａｓｋ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ．
万方数据
器、激光测距仪（亦可采用红外测距传感器，价格较 便宜，但受阳光的影响，室外效果不是太好）、电荷耦 合器件（ＣＣＤ）等多种传感器，并采用多传感器的信 息融合技术成功地解决了机器人的越障问题。
规划级通过ＲＳ一２３２与直接控制级进行串行通 信，指示控制级完成指令规定的运动轨迹，并通过高 带宽、抗干扰能力强的无线收发设备实现了与地面 基站间的命令、数据及图像的远距离（不大于３ ｋｉｎ） 可靠传输。
规划级ｒ撕萌夏－面聂再疆丽面司ｊ
流电源模块ＨＰＣＩ０４
匹互丑叫巫 里堡墨釜土Ｈ量堡塑
亘亟霾因Ｊ
单Ｍ片Ｓｉ机』Ｐ４系．３０—统卜塑Ｈ口墅圃 型反馈恺ｊ
ｆ Ｕ函丽瓦丽卜厄瓦面
Ｌ……一堂塑一
反馈
图２控制系统 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉａｇｒａｍ
规划级由工控计算机系统（ＰＣＬ０４主板）、控制 输入装置（检修、调试用控制面板）、图像采集卡、Ｉ／ Ｏ板卡及无线收发装置等组成。巡线机器人沿输 电线路爬行，要跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等 各种障碍，还要跳线和转弯。由于线路情况复杂，为 非结构化的环境，因此，规划级的运动轨迹规划主要 是局部越障规划，它可以通过接收来自控制面板的 控制命令（检修和调试时），或地面基站工作人员通 过无线通信发来的遥控命令（遥控操作）以及利用传 感器提供的机器人周围的局部环境信息，自动生成 下一步的控制策略（自动控制方式），确保机器人可 靠、快速地越过障碍。由于是高空作业，会受到刮风 及跳线部分导线不规则形状的影响，并且环境中障 碍物的形状各异，尺寸较小，因而使用了超声传感
３检测技术
合理的机械结构及可靠的控制系统是机器人能 够顺利完成巡检任务的基本要求。我们给机器人配 备了高清晰度摄像机、双灵敏远红外探测仪及无线 频谱分析仪等检测仪器，对杆塔、导线及避雷线、绝 缘子、线路金具、线路周围环境进行巡视检查。主要 采用的检测技术有Ｎ’７］：
ａ．视觉检查方法 采用高分辨率ＣＣＤ摄像机摄取目标图像，实时 传输到地面基站，也可存储下来，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，因而效率较低，但较可 靠。为提高工作效率，最好是采用计算机图像处理 技术自动判断线路故障。图３是对一幅原始图像的 处理过程，实现了绝缘子的分割与识别。但从自动 判别线路故障的角度看，该技术还有待完善。
ａ．能在高压输电线上以要求的速度平稳运行， 具有一定的爬坡能力。
ｂ．能灵活地跨越高压线路上的防震锤、耐张线 夹、悬垂线夹等障碍。
ｃ．能跨越跳线和转弯。 ｄ．体积小、重量轻，但必须提供足够的空间安 装携带的电源以及探测、记录和分析处理仪器。 ｅ．故障情况下能可靠自锁，防止机器人摔落。 越障能力是巡线机器人机构设计的关键。由于 机器人悬挂在架空线上，越障时既要保证机器人姿 态平稳，又要保持与其他导线和线塔金属部件及拉 线的安全间距，并且还要容易控制，因此设计难度非 常大。国外几种巡线机器人未能实用根本的原因就 在于没有很好的越障能力。 我们针对１１０ ｋＶ输电线路具有防震锤、耐张 线夹、悬垂线夹、跳线和转弯等各种障碍情况，充分 借鉴前人的经验，摒弃机器人常规结构形式，经过近 两年的研究，设计出了一种全新的巡线机器人。该 机器人的主体结构如图１所示，主要由垂直伸缩臂、 柔性水平臂、驱动制动装置、手掌开合装置、电源箱 和控制箱６部分组成。在实验线路上的运行表明， 该结构在传感器及控制系统的配合下，较好地解决 了自主越障问题，比前人的研究有重大突破。
第２８卷第２３期 ２００４年１２月１０日
电力系统自动化
Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ
Ｖ０１．２８ Ｎｏ．２３
Ｄｅｃ．１０，２００４
８９
高压架空输电线路自动巡线机器人的研制
周风余ｈ ２，吴爱国２，李贻斌１，王吉岱３，梁自泽４
（１．山东大学机器人研究中心，山东省济南市２５００６１；２．天津大学自动化学院，天津市３０００７２） （３．山东科技大学机电学院，山东省济南市２５００３１；４．中国科学院自动化研究所，北京市１０００８０）
力电子领域中功率变换器拓扑结构及控制策略、电力传动系
统的控制策略等。
李贻斌（１９６０），男，教授，博士生导师，研究方向为机
器人技术、智能控制等。
ＤＥＶＥＬｏＰＭＥＮＴ ｏＦ Ａ ＭｏＢＩＬＥ ＲｏＢｏＴ ＦｏＲ ＩＮＳＰＥＣＴＩｏＮ ｏＦ ＨＩＧＨ ＶＯＬＴＡＧＥ ｏＶＥＲＨＥＡＤ ＰｏＷＥＲ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＬＩＮＥＳ
Ｚｈｏｕ Ｆｅｎｇｙｕｌ一．Ｗ“Ａｉｇｕｏ ２，Ｌｉ Ｙｉｂｉｎｌ，Ｗａｎｇ Ｊｉｄａｉ ３，Ｌｉａｎｇ Ｚｉｚｅ ４ （１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ２５００６１，Ｃｈｉｎａ） （２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＴｉａｎＪｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
（３．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎａｎ ２５００３１，Ｃｈｉｎａ） （４．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０，Ｃｈｉｎａ）
９０
电力 系统 自 动 代
鐾
艇二…一一蛙
塑
生２
丛
一冀 璧
、伸缩臂
左右摆动
、伸缩臂 俯仰关节
臂
—与■Ｈ， 尚
平 焉 、打１■刁／＿ ｉ小
Ｆ
圆带刊ＵＰ圆删Ｌ哪圆 皿
Ｆｉｇ．１
图１ 巡线机器人机械结构 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ