摘要：目前，对于10/20kV的配电线路，仍以人工巡视为主要巡检方式。但随着配网线路急剧增加，人工巡检一方面效率低，费时费为，人工成本和维护成本较高，另一方面，人工巡检容易受到如雾霾、雨雪等恶劣天气外界条件干扰，巡检质量难以保证。势必要促进电网运行维护由劳动密集型向技术密集型转变。本文旨在研究一种基于自主导航模式融合算法的电力线路陆空联合巡检机器人系统，研究成果将实现户外复杂环境下的移动机器人自主导航并协同无人机进行电力巡检工作，大大较少人工巡检的工作强度，提高巡检效率，保证巡检周期。
关键词：巡检机器人；自主导航；融合算法；配网巡视
一、前沿
随着我国配电网络的逐渐扩大，电网运行维护线路里程快速增长与电网运行维护人员数量相对不足之间的矛盾逐渐显现，为了克服自然环境、交通等因素给人工巡视检修线路带来的困难，势必要促进电网运行维护由劳动密集型向技术密集型转变。在这种情况下，人们迫切希望有一种自动化设备，可替代人工巡检这种高强度劳动，于是电力巡检机器人应运而生。在电力巡检领域，人工智能将成为未来发展的主要方向，尤其是机器人技术的发展将成为电力巡检自动化大规模应用的主要载体。
二、电网巡检机器人研究概述
电力巡检领域正在积极探索自动化、智能化的高效巡检技术。目前主要是轨道式巡检系统和人工操作的无人机辅助巡检，这些技术可以在一定程度上提高电力巡检的自动化水平。但大部分轨道式机器人只能在相对封闭的场合运行且需要进行工程改造，而现有无人机系统依然需要人工操作，当前的技术方案依然有极大的局限性。
目前，在国外，对于配电线路巡线作业机器人的研究主要集中在日本、美国、加拿大、韩国等国，主要研究可沿导线行进及跨越障外物，越障能力较强的悬挂式机器人。国内方面，一些单位率先在变电站范围内就无轨道自主导航巡检机器人[1-3]进行了研究并实现了部分量产。但目前的自主导航机器人主要基于单一的GPS或激光雷达信息进行定位和导航，只能在相对封闭可控的环境下进行导航，所以，目前主要适用于变电站等场所，并不能实现在户外复杂环境下的稳定导航。
针对户外开放环境，为了实现户外电力线路的自动化巡检，解决单一导航方式的限制以及无法巡检高处设备的问题，本文提出了一种基于多种导航模式融合算法的电力线路路空联合巡检机器人系统。
三、系统结构
本文基于滤波算法融合高精度GPS、激光雷达、惯性导航等多种导航系统传感器信息，可以在未知环境下构建地图，根据之前的导航数据对当前不同导航系统返回的定位坐标进行加权估计，计算得到最可靠的定位坐标，实现对地面巡检机器人本体的实时定位，通过地面机器人装备的云台系统可以全程巡检户外开放环境下的电力线路，并存储在自带的储存介质中。在到达关键巡检节点处，可以自动释放无人机，由无人机进行高处近距离检测，并将视频传回地面机器人进行存储。该方法无需在现场布设任何其他装置，维护方便，定位精度高，实时性好，可在户外各种环境下工作
基于多种导航模式融合算法的电力线路路空联合巡检机器人系统硬件架构主要包括：
1、地面移动机器人：
包括移动机器人本体，定位导航系统，巡检云台系统，运动控制系统和无线通讯系统。其中，机器人本体部分主要包括底盘结构，整体车架和无人机舱等。定位导航系统包括激光导航系统，GPS导航系统和惯性导航系统等。巡检云台系统包括高清摄像头和特种探伤摄像头。运动控制系统包括工控机、控制器、驱动器和高性能电机等。无线通讯系统包括无线图传系统、WiFi系统等。
2、巡检无人机
无人机主要为四旋翼无人机，自带有高清摄像头、GPS定位移动站、双目导航系统和无线信号传输系统等。整体硬件架构图如下：
本机器人系统主要分为地面机器人自主导航巡线、云台智能巡检和无人机协同等三个主任务功能：
地面机器人自主导航巡线，分别运行使用高精度GPS导航系统，同步定位与导航激光导航系统，惯性导航系统，在户外开放环境下分别获取机器人当前的GPS经纬度全局坐标、激光定位局部坐标和惯性导航理论推算坐标，由机器人核心滤波算法对这三种系统获得的定位坐标进行加权估计，综合分析后得到置信度最高的估计坐标作为移动机器人当前坐标。通过前期测绘得知的待巡检线路沿途GPS，并输入机器人系统，地面移动机器人便可以计算自己所处的位置和下一个目标位置的差值，计算机器人下一步运动的轨迹，并将计算结果下发给控制系统。由控制系统进行解算，并驱动机器人做相应的运动。
云台智能巡检系统包括高清摄像头和特种探伤摄像头，可以不间断拍摄录制机器人沿线的电力线路情况，并将视频进行存储，同时，可以运行机器人自带智能分析系统，针对云台获得的图像进行设备线路健康程度的初步判断，对疑似故障重点拍摄。录制的图像包含GPS信息，可以机器人返航后读取机器人带回的信息，专业工作人员根据图像信息确认设备情况，并进行定位坐标信息前往现场及时处理。
无人机协同任务主要运行在特定关键设备坐标处，前期设置关键地点坐标，在地面移动机器人到达该地点后，通过无线通讯系统启动并放出无人机，无人机通过GPS系统和视觉导航系统前往高处待查设备附近，并拍摄近距离高清图像，通过无线系统传回地面机器人进行统一处理。完成任务后，无人机通过定位返回地面机器人，随地面机器人前往下一个目标点。
四、总结
移动机器人协同无人机联合巡检不仅具有人工巡检的灵活性、智能性，还能克服和弥补人工巡检存在的一些缺陷和不足，能有效降低劳动强度，提高运维效率。且陆空协同的设计可以是机器人不受地形限制，并提高正常巡检作业和管理的自动化、智能化水平。通过全面推广移动机器人陆空联合巡检核心技术，可以及时发现缺陷、传送相关信息，并能发现许多目测观察难以发现的缺陷，如杆塔金具锈蚀、导线上的雷击点、杆上断路器等设备、导线或地线断股、杆塔基础情况和通道维护情况等，使线路维护单位能够及时抢修消除缺陷。在项目研究取得重要进展并进行推广后，将大大缓解电力系统高速发展与巡检员工人力不足的矛盾，有效促进电力系统的发展，取得可观的经济效益和社会效益。
参考文献：
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论文作者:陈斌,陈晓
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/9/12
标签：机器人论文; 无人机论文; 系统论文; 坐标论文; 导航系统论文; 地面论文; 自主论文; 《电力设备》2018年第14期论文;