关键词：输电线路；智能巡检机器人系统；研制；应用
1 总体设计
线路智能巡检机器人系统主要由机器人本体、越障桥、驻留巢穴和远程集控中心4部分组成。
1）机器人本体通过架设越障桥跨越线路杆塔以及地线上的防震锤或其他障碍物，实现全线路无障碍行走。机器人本体带有高清摄像头，可以360°实时对导线和地线进行拍照或录像，一方面可以传输到本地地面端，供巡检人员现场实时查看线路是否存在故障或者隐患；另一方面通过4G无线路由器将采集到的数据传回远程集控中心。
2）驻留巢穴一方面负责监测线路周围的气象数据，并将监测数据传输给远程集控中心；另一方面利用太阳能电池板对蓄电池进行充电，蓄电池与驻留巢穴前端无线充电模块发射端相连接，当机器人到达驻留巢穴时，机器人利用自身传感器检测到没有短路且发射端电压正常时，开启充电模式，对机器人电池进行充电，否则关闭充电。当检测到电池电压达到设定值时，则关闭充电。驻留巢穴采用无线充电技术给机器人电池充电，大大延长了机器人的操作巡检半径，解决了传统有线充电易短路、接触节点磨损、产生火花等缺点。
3）远程集控中心一方面接收机器人本体状态数据以及驻留巢穴监测的气象数据，对监测数据进行分析，进而下达机器人的控制巡检指令；另一方面对机器人本体采集回来的照片利用人工智能技术TensorFlow，进行故障识别，自动判断输电线路是否存在故障或隐患。
2 巡检模式设计
通过越障桥和驻留巢穴的辅助，机器人可以实现沿地线行走、跨越杆塔和长期驻留杆塔。该机器人可以自动定期、全局巡检,又可随时在人工遥控下实时、定点巡视。由于机器人在地线上运行，视角较高，可以通过摄像机云台设定多个预置位以实现对线路、金具、绝缘子、杆塔和线路走廊的巡检。
机器人采用自动巡检和手动巡检2种作业模式进行日常作业。在自动巡检模式下，机器人在设定时间内自动从休眠状态唤醒，从巡检线路一端的驻留巢穴出发，自动沿地线行走、过桥和巡检，到达另外一端的驻留巢穴后，驻塔停留，同时完成机器人电池充电。巡检结束后进入驻留巢穴，机器人进入休眠状态，等待接受下一次巡检任务。工作人员在远程集控中心定期查看巡检结果。在人工遥操作巡检模式下，工作人员现场手动操作或集控中心远程操作，通过无线通信系统向机器人发送指令，机器人从巢穴中驶出，按指令完成巡检任务。巡检工作结束后，机器人进入自动巡检模式或返回巢穴，操作人员可实时查看巡检结果。
智能巡检机器人共有4种状态：空闲状态、手动控制状态、自动巡检状态和返回充电状态，切换条件应满足以下原则：1）当电量不足时，自动返回充电巢穴，该自动充电模式为优先级最高的任务模式；2）自动巡检恢复功能，巡检过程中，由手动命令或因电量不足返回充电进入空闲状态时，恢复自动巡检功能，继续巡检未完成的任务；3）巡检任务完成后，返回最近巢穴；4）超出巡检时间时，进入返回巢穴状态。
3 控制系统设计与研究
3.1跨越越障桥过程控制
线路智能巡检机器人的运动控制系统采用嵌入式系统，能够实现复杂场景下的无障碍行走。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆1）机器人运行到越障桥时，机载红外传感器识别到越障桥，将信息返回给控制系统，控制机器人越障装置夹紧越障桥，根据桥型结构、所处位置通过内置算法实时控制开合大小调节夹紧力大小，实现精准上桥。2）机器人在桥上行走时，根据桥的结构、风向及风力大小实时调节夹紧力大小。3）控制机器人平稳行走，重回地线上完成越障工作。越障系统能实现跨越输电杆塔、防震锤等，可控制实现爬坡、下坡，坡度最大可达50°；可控制实现机器人跨越越障桥和杆塔，采用合理控制算法使机器人能平稳跨越越障桥，过桥时运行流畅不卡顿。
3.2控制系统硬件设计
1）智能巡检机器人控制系统采用了双控制系统设计，STM32芯片上采用UCOS系统，主要实现机器人的运动控制、传感器数据采集以及云台控制。2）ARM芯片上采用Linux系统，通过4G无线路由器，与远程集控中心进行通信，实现远程控制、信息采集、图片、视频传输等。3）为防止机器人出现故障，STM32芯片与ARM芯片通过串口实现通信，频率为0.1s。当STM32芯片故障时，ARM芯片可以重启STM32芯片；反之，当ARM芯片故障时，STM32芯片也可以重启ARM芯片。此方案设计有效提高了机器人的可靠性和稳定性。4）电源管理模块利用无线充电模组对机器人电池充电，利用相关算法可对机器人各部分器件实行有效的电源管理，提高电池的寿命以及延长机器人的作业半径。5）运动控制单元包括主动轮和从动轮电机速度控制、方向控制、速度采集，机器人主控板根据压力传感器检测到的压力值，利用相关算法自动调整从动轮位置以及主动轮的速度，使机器人在地线以及跨越越障桥时运行平稳。6）传感器采集外部环境及运动状态信息，为机器人的状态调整和运动控制提供基础数据，从动轮安装有高精度码盘，与GPS信息结合实现自动巡检预置位的精确定位。
3.3上位机控制系统软件
智能巡检机器人上位机软件通过无线串口与机器人通信，实现对机器人的遥控操作、采集图片以及状态显示功能，无线串口遥控操作程序。一方面，工作人员可以控制机器人沿地线行走，实时查看线路走廊以及线路上金具是否损坏，通过图像传输模块，上位机软件还可以将高清云台吊舱采集到的线路照片、视频保存到手持终端，便于巡检人员现场查看或记录留存；另一方面，上位机可实时查看机器人行走速度、各类传感器状态、GPS定位坐标、码盘数据、电池电量、云台坐标信息等。
上位机软件主要有三大功能：机器人操作、接收机器人状态信息和视频云台操作。工作人员可通过上位机对机器人实现遥控操作，控制机器人前进、后退、停止等；接收机器人状态信息，实时读取无线串口接收到的命令，并根据通信协议，解析接收命令的参数，读取传感器状态、GPS坐标、电量等，并将参数状态显示在界面上。
4 模拟环境测试
输电线路智能巡检机器人在室内模拟环境进行性能测试，模拟地线上安装有双轨越障桥。机器人行走机构跨越越障桥时，运行平稳，视频传输实时性好，达到了预期目标。机器人在室外实验地线上进行了性能测试，机器人行走平稳并跨越越障桥，运行良好。
结束语
为解决目前输电线路人工巡检存在困难的现状，文章研究了一种输电线路智能巡检机器人系统。该机器人通过搭载越障装置，可跨越越障桥和输电杆塔；驻留巢穴装有无线充电模块，可对机器人电池进行充电；实现了全线路无障碍巡检，解决了机器人野外充电问题，有效扩大了机器人巡检半径。在输电线路现场应用的实践证明，该机器人可实时采集输电线路走廊信息，便于巡检人员查看输电线路的运行状况，提高了输电线路巡检的智能化程度。
参考文献
[1]刘宇峰,王宁,王仓,刘华,李传林.高压线路智能巡检机器人控制系统设计[J].科技创新与应用,2018(18):81-83.
[2]姚磊.智能巡检机器人在架空输电线路上的应用研究[J].电气技术与经济,2018(02):1-3+10.
[3]杜欣.高压输电线路智能巡检机器人的研制与应用[J].城市建设理论研究(电子版),2017(29):141.
[4]秦科技.智能高压输电线路巡检机器人设计[D].南昌大学,2017.
论文作者:高宝睿
论文发表刊物:《中国电业》2019年16期
论文发表时间:2019/12/2
标签：机器人论文; 线路论文; 巢穴论文; 状态论文; 智能论文; 杆塔论文; 地线论文; 《中国电业》2019年16期论文;