架空配电线路夹线行走式巡视机器人

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架空配电线路夹线行走式巡视机器人
广东电网有限责任公司肇庆供电局 林 亮 李智财 钟成杰 李世柱 邓国锋
前言：电能的配送依赖中压线配电线路完成；配电线路主要分电缆及架空线路，其中架空配电线路特别是山区部分由于长时间处于暴露在自然环境中，设备容易日晒雨淋、自然力、外施工力量等因素影响发生损伤及性能下降，同时由于架设地点地形地势复杂，如何实现其高效巡视维护成为亟待提高的重要问题。

各类提升架空配电线路巡视维护方案中，研制线路上自主或遥控行走巡视的机器人是重要方向之一，本方案旨在研发一种外部绝缘，能在带电架空配电线路上自主或遥控行走巡视的机器人；配合自身可换装式摄像头，对线路本体及周边环境情况进行近距离捕抓记录，实现架空配电线路的超近距精细巡视，同时预留特殊工种吊舱设计，便于日后开展喷涂、喷火、线路修补等特殊作业功能延伸。

1 研究背景
20世纪80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研究，我国进入21世纪也陆续有团队开展此类研究，目前巡线机器人研究主要针对输电线路，主要实现探伤性功能，同时信息及自动化技术仍有较大提升空间。

2 方案设计
机器人总体高度小于350mm ，其中导线上方100mm ，下方小于250mm 。

设计机器人重量5kg ，连续工作时间4小时，最大爬坡角度为15°。

机器人本体主要由行走机构、导向限位机构、驱动控制机构、通信模块、图像采集模块、电源模块等组成，本体供电方式为蓄电池便于电池更换、充电；并设置电源检测模块，当机器人系统达到作业最低电量限制促发预警机制，保证满足返航过程电量需求，确
保机器人“收放自如”。

图1
2.1 机器人夹线行走能力构建
通过行走机构及导向限位机构实现机器人能在架空线路上行走及锁定。

行走机构：由驱动电机、同步带传动装置、行走轮组成，实现机器人在架空线路上的往复运动；
导向限位机构：由机器人本体导向板和压紧轮组成，导向板用于人工进行机器人遂线挂接时实现导向；压紧轮用于机器人挂接完成之后完成与架空线之间的限位。

2.2 机器人信息采集工具配置
通过图像采集模块及驱动控制机构实现数据采集及定位观察，精准开展线路设备及周边环境巡视。

图像采集模块：主要设备为可见光相机，为进行图像、视频数据采集的终端，摄像头安装在控制箱前部,采用无线图传模块将采集实时
视频、图像数据传回监控后台,并显示在和遥控器集成的显示屏上。

驱动控制机构：布置于如上图所示控制箱内，布置于整个机器人结构的最下方，为机器人进行限位解锁、巡线控制、实施图像采集等功能的控制实现。

2.3 遥控及通讯能力构建
本方案通过无线严控器及本体WIFi 联系实现机器人的行动控制及通讯管理，由于遥控信号通过本机为发射源，有效克服公用无线网络可能出现的通讯故障问题，保障机器人作业过程的持续有效控制。

移动控制平台为机器人系统的人机交互平台，通过平台可实现操作人员对机器人的移动控制、实时图像查看、视频或图像存储等操作。

本体WIFI 通讯方式：整个机器人系统采用无线通信方式，通过移动控制平台和机器人本体设置的无线WIFI 模块可实现操作指令的下达和机器人信息、图像数据等的回传。

通信距离：通信距离能够满足1km 范围内的遥控及数据传输需求，如有更远距离，可根据需要进行配置。

2.4 绝缘保护及应用安全性能力构建2.4.1 本体安全措施
机器人本体安全保护的实现分为电气部分屏蔽及外壳部分绝缘设计两部分。

（1）电气部分涉及屏蔽外壳进行隔离、防止静电干扰，采用屏蔽线缆并做好与屏蔽外壳的连接，保证电气运行稳定与安全；
（2）本体外壳及主要支架采用绝缘材料制作，传动部分金属件做好等电位处理；
（3）凡与架空线可能接触的机器人部位均为绝缘材料，并具有足够的绝缘安全性能。

2.4.2 安全距离检测
为了避免机器人本体与架空线两端塔架碰撞，可设置距离检测传感器，保证作业过程安全。

2.4.3 应急保护
机器人本体设置应急保护机制，当电气线路、元件出现过载时进行紧急断电保护，仅保留动力电源便于回收。

2.4.4 防跑措施
针对机器人本体作业过程停靠稳定性的需求，特设置电机自锁机制，在非行走状态下，电机处于抱闸状态；防止机器人跑位、失控现象出现。

2.5 功能可拓展性设计
本次机器人系统不涉特殊功能实现，而作为后续扩展功能实现的基础研究。

为了便于后续扩展：机器人控制箱预留特殊功能控制接口，同时根据作业需求预留电池扩展空间、材料填空间及后续针对不同类型功能实现对相应对整体布置进行调整，保证机器人本体平衡及稳定性能，后期研制功能实现主要包括喷涂、喷火及导线修补等。

2.6 作业方式
2.6.1 机器人作业方式
为了保证机器人的作业持续性、减小整体尺寸及重量，机器人的上线过程由人工通过专用绝缘杆插入快接头并旋转锁定，然后举升到电缆旁边进行挂接于带电带线上。

2.6.2 举升连接
为了方便机器人的收回，快捷头设置有导向口，可以不精确对位。

2.6.3 架空导线挂接
为了方便机器人挂住电缆，机器人设置有1个导向板，只需导向板挂住后，电缆会沿着斜面进入到机器人的行走轮下方。

机器人挂接到架空线上后，通过遥控控制压紧装置进行压紧限位，在增加摩擦力的同时，保证机器人姿态与线缆之间的稳定性。

机器人行走轮采用绝缘橡胶和绝缘挡板，其中橡胶轮可以增大摩擦力，并可以单独取下进行更换。

绝缘挡板可以防止机器人做蛇
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形运动，确保行走平稳。

图2
机器人驱动采用单电机双轮驱动。

两个轮之间采用同步带进行连接，可以提高机器人运动能力，防止单个行走轮打滑对机器人运
动造成的影响。

图3
机器人压紧轮在机器人完成上线后，由地面遥控器控制闭锁，完成闭锁后机器人将无法掉落，确保机器人行走的安全。

同时压紧轮可以提供额外的稳定能力，确保机器人不会晃动。

取下时先通过遥控器解锁，然后取下。

2.7 不同线径一体化适用方式2.7.1 柔性行走轮材料设计
采用柔性的行走了轮材料可保证轮与线缆之间的接触面积。

2.7.2 同一行走轮适应设计
同一行走轮能够适应一定范围内的线缆直径，通过压紧轮提供
足够的压紧力来实现行走轮与线缆之前的充分贴合及预紧力。

2.8 方案特点2.8.1 绝缘设计
利用绝缘轻质材料制作外壳，软胶双夹臂式轮夹装置，解决机器人夹线行走及绕越引流线技术难题、保障绝缘防护、降低工作功率、保证线路免受机器损伤的重要关切点。

2.8.2 行走设计
机器人针对10kV 配电架空线研发，而有别于其他大型走线机器人，具备轻便、体积小、待机时间长的特点，使其满足配电线路小线径，线路相间距离不大的特性。

2.8.3 控制设计
利用自主记录运行轨迹或遥控功能，实现夹线巡视中的控制问题。

2.8.4 电源设计
通过可替换充电电池的工作模式，保证工作电源稳定可靠，预期机器人巡视半径1kM 。

2.8.5 通讯设计
通过设备内部无线wifi 通讯模块实现近场数据传输通讯以及操作遥控，确保巡视数据稳定回收，在无GPS 及移动公网地区同样可保障数据传送能力。

2.9 预期成果2.9.1 本期成效
研发能在配电线路上自主或遥控行走机器人，利用摄像头近距离捕抓线路本体及周边环境情况，实现架空配电线路的快速超近精细巡视。

2.9.2 后续拓展
机器人控制箱预留特殊功能控制接口，便于开展喷涂、喷火及导线修补等各类特殊作业功能拓展，实现机器人高阶应用。

2.9.3 行业适应性
行业内，由于机器人设计轻便、体积合理除中压架空线路外，其他电压等级架空线路应用也具备良好应用性。

行业外，本方案对相关存在架空线养护行业同样具有较高的应用价值，可适用于缆车、电信、电视、电话等行业。

作者简介：林亮（1987—），男，广东肇庆人，研究生，工程师，现供职于广东电网有限责任公司肇庆供电局生产设备部，研究方向：配网运行维护、设备管理、应急抢修、项目管理。

（上接第179页）
的，都大大提高了本方站与站之间、站与目标间，甚至是本方目标与目标之间的识别概率和通信保密性，因此在防止敌方伪装成本方进行攻击方面也起到非常有效的作用。

本文采用不对称式的编码设计方法，提出了相位编码有限目标部分椭圆曲线编码设计法。

（1）部分椭圆曲线的加法概念
找出一个部分椭圆函数，可以简化写为：，这个曲线与y = 0对称。

其中参数a 和b 的确定原则为整个曲线没有重根。

在参数确定以后，在椭圆曲线上定义出一个有限加法群，这个加法与一般加法不同，它的几何概念是将一个无穷远点与坐标原点相重合，即这个部分椭圆曲线所在空间是一个封闭的空间。

在此部分椭圆曲线上某三点共线的话，其和一定在这个无穷远点上。

（2）具体设计方法
假设一个简单的多基地雷达系统，系统内有一部主动式雷达和四步被动式雷达，共五部雷达。

主动式雷达载波。

现取一组部分椭圆曲线，并取φ = y ，对载波相位φ进行编码。

解上述部分椭圆方程，当x=0时，y=1或4；当x=1时，y 无解；当x=2时，y=1或4；当x=3时，y=1或4；当x=4时，y=2或3。

根据部分椭圆的特性，任何两组解做部分椭圆曲线相加，其结果永远是全部解中的一组解。

当选取不同的x 编码就可以得到不同的相位编码。

当主动
雷达以不同的编码串对目标进行连续扫描的时候，不同接收站雷达接收到不同的回波信息，若将各个接收站雷达传回主站A ，则有利于信息重组；同样，主动雷达也可以用同一编码串一直扫描目标，这样只有能够解开相位编码的雷达接收站能够收到扫描信息，这种做法最大程度上保护了整个雷达网的安全。

如果雷达站与站之间需要通信，则只需要做部分椭圆相加则可保证两站之间的通信保密。

4 结论
此种部分椭圆的相位编码方法能够很好的保证系统通信的封闭性，大幅度提高了系统内雷达与雷达之间的通信保密性，使得雷达站与站间的通信得以安全，信息即使是被截获也无法破解。

如果在空间飞行器上安装上雷达网内的新号发射器，则使得整个雷达组网成为不定量基站，更有利于整个雷达网的隐蔽性和对目标的高定位性。

在整个雷达网安全方面，利于雷达站隐蔽，使得敌方无法获得我方雷达站的位置信息及通信内容信息。

当雷达网受到敌方攻击时，部分椭圆曲线相位编码能够保护部分被动站雷达免受攻击，最大程度减少损失。

因此，部分椭圆曲线相位编码在多基地雷达系统中有着很广阔的应用前景。