架空输电线路智能机器人全自主巡检技术及应用

架空输电线路智能机器人全自主巡检技术及应用

彭向阳1，吴功平2，金亮3，王柯1，王锐1，宋晖4

(1．广东电网公司电力科学研究院，广州510080;2.武汉大学动力与机械学院，武汉430072;3．广东电网公司研究生工作站，广州510080;4.广东省输变电工程公司，广州510160)

摘要：针对输电线路机器人巡检实用化问题，研发了机器人全自主巡检作业涉及的自主越障、自主定位、自主故障诊断与复位、自主巡检等四大关键技术，详细介绍了各项技术原理与实现方法。建立了机器人可自恢复故障、可替换故障和需修复故障等三种典型故障模式及诊断修复策略，开展了机器人户外真型线路巡检试验。首次完成了南方电网500 kV带电运行线路机器人巡检，对机器人自主巡检技术、故障诊断修复策略以及自主巡检作业流程进行了验证和考核。机器人上线单次巡检里程达到10 km以上，巡检应用取得良好效果。

关键词：架空输电线路;智能机器人;全自主巡检;自主越障;巡检试验;示范应用

0 引言

输电线路人工巡检效率较低、工作强度大、巡检成本高，不能满足现代电网安全高效巡检需求，需要采用新型的电力巡检方式［1］。目前，国内外新型电力线路巡检方式主要有:有人直升机巡检、无人机巡检和线路机器人巡检。有人直升机巡检基本不受地形环境因素影响，巡检范围较大，巡检精度较高，但存在受天气因素和航空管制影响较大、巡检周期较长［2-4］、巡检成本较高、无法长时间悬停定点巡检等问题。无人机巡检又可分为大型无人机巡检和中小型无人机巡检，大型无人机巡检相比有人直升机巡检成本有所降低，也有较大的巡检范围，但定点巡检精度不高，且技术门槛较高［5-7］，短期内无法实现大规模普及应用。中小型无人机巡检的优势是机动灵活，运输携带方便，可以进行定点悬停拍摄，在我国电网已有一定规模的普及应用［8-9］，但续航时间相对较短，无法进行长时间巡检，且无人机的安全受操作人员控制，存在设备损坏的风险。

线路机器人巡检相比其他几种方式，巡检时运行速度较慢，但仍有较大优势，机器人巡检不受环境因素影响，能够定点巡检，配合一定技术手段可以实现较大范围巡检，巡检成本较低，可重复多次巡检，巡检周期较短，机器人本身安全风险较小，具有一定的自主性。机器人巡检已经成为架空输电线路智能巡检技术的一个重要研究方向［10-12］。

针对线路巡检机器人，国内外学者及相关机构进行了很多研究工作。国外有关线路巡检机器人的研究起步较早，日本、加拿大、美国等发达国家先后在20世纪80年代末展开了研究，具有代表性的研究主要有加拿大魁北克水电研究院研发的LineScout线路巡检机器人样机［13］，日本东京大学和关西电力公司共同研发的Expliner线路巡检机器人样机［14］，以及美国电力研究院研发的TI线路巡检机器人样机［15］。相比之下，国内相关研究开展较晚，代表性的研究成果有上海大学机电工程与自动化学院、中科院自动化研究所、山东科技大学、武汉大学［16-18］等高校和科研机构研发的架空线路巡检机器人。

在无人机、机器人智能巡检领域，全自动或全自主巡检是必要和关键的，能显著提高巡检效率和检测精度，在高度自动化的巡检过程中尽量减少人工干预对降低作业风险是至关重要的。目前我国在大型无人机电力线路全自动巡检技术方面已取得突破，实现了电网带电线路示范应用。

但是目前我国电网输电线路机器人全自主巡检技术尚不成熟，已有的线路机器人尚未实现全自主巡检，巡检过程中需要大量人工干预。针对输电线路机器人巡检实用化问题，本文研究了架空线路智能机器人全自主巡检技术及其实现方法，在机器人自主越障特别是耐张塔越障、机器人自主定位及自主故障诊断与修复、巡检作业方式与任务规划等方面有重要创新，研发的智能机器人首次在南方电网500 kV带电线路进行了巡检示范应用。

1 机器人全自主巡检技术及实现

架空输电线路机器人全自主巡检面临两方面的问题:一方面，由于巡检工作需要，机器人往往行驶在较恶劣的环境(如山谷、原始森林)中，控制基站远离机器人巡检位置可达几公里，甚至数十公里，现有低成本通信技术无法满足通信需求，基站无法监控机器人，需要机器人具备较强的自主运行能力;另一方面，由于架空线路是一种非完全结构化的环境，介于结构化与非结构化之间，而机器人自身感知存在一定的局限性和不可建模的环境因素，机器人要实现自主运动非常困难。

基于上述问题研发了整套架空输电线路机器人全自主巡检技术，包括机器人自主越障、自主定位、自主故障诊断与复位、自主巡检等关键技术，其中机器人自主越障技术解决了机器人局部运行控制问题，机器人自主定位技术为定点巡检奠定基础。机器人本体与基站通信技术使机器人在超视距范围巡检作业时具备信息传递能力，自主故障诊断与复位技术使机器人巡检过程中能够处理自身故障并进行修复，提高了巡检可靠性。

1.1 机器人自主越障技术

1.1.1 自主越障需求分析

机器人巡检路径为架空地线，经过对地线进行必要改造，机器人可以在整个线路上实现穿越行驶。其运动主要分成两个部分，一是直线段行驶，二是越障，即通过杆塔。机器人自主爬坡及越障原理如图1所示。爬坡过程中，关键是进行机器人滚动打滑检测与控制，通过状态与环境感知，选择不同爬坡策略，确保机器人自适应爬坡;越障过程中，首先对不同障碍物群进行准确识别和分解，在此基础上进行越障规划并执行越障，越障过程中机器人状态可知可控，能自适应不同障碍物群的越障。

图1 自主爬坡及越障原理图
Fig.1 Principle diagram of automatically creeping and passing over obstacles

越障是机器人自主运行的一大难题，障碍物主要包括防振锤、悬垂线夹、耐张杆塔塔头等，每个障碍物对应一套越障动作序列，而障碍物组合在一起，并不能简单将单一障碍物的越障动作序列叠加或串联而实现机器人越障，机器人运行过程的状态变化会影响越障动作序列的更迭，需要在运动规划中统一设计，但所有状态一般都是已知的。因此，在自主越障设计中，将杆塔和防振锤组合成一个障碍物，而不是单一地设计每个具体障碍物的越障方法。这样设计的好处在于在机器人运行阶段，面临的障碍物类型只有2种:直线段和杆塔，这对机器人的使用而言是一种极大的简化。

1.1.2 面向对象的控制系统设计

控制系统架构设计直接影响系统实现的优良程度，实现自主越障需要一套清晰简化的架构方法，不能采用原有面向过程的固定程式。采用面向对象设计方法可使设计更加清晰、简化，利于后期维护。具体设计方法是:将复杂的机器人作为一个对象，它由机构、云台摄像机、传感器、电机、通信部件等对象构成，每个对象由具有共同属性的部件抽象成一类对象。机器人运动中始终由各机构对象之间的运动和消息交互贯穿而成，编程过程中完全不用关心底层的各种逻辑关系。越障过程中，机构对象会依次根据自身运动状态和结果通知其他对象何时活动，接收到消息的对象根据机器人姿态自动检测活动初始姿态并完成任务。

以穿越耐张杆塔说明机器人的越障控制设计方法，是越障中最复杂、最繁琐的环节，其对象序列图如图2所示。从图中看出，整个越障运动简化为前臂、后臂、错臂这3个机构对象之间的消息交互及其运动控制，对象的整个生命期间及其何时激活清晰明了，无需关键关节电机的繁琐逻辑控制，使设计更贴近运动过程中自然语言的描述。

机器人自主越障流程如图3所示，对整个过程的状态信息和数据进行有效的管理，确保状态信息和越障动作可以回溯。对象在完成自身活动时，会启用多重保护机制，如关节运动的停车指令会根据过载保护单元、传感器单元、限位保护单元等结果融合产生，与其他对象的任何活动无关，避免了面向过程实现中每个环节各种复杂的逻辑判断，最大程度避免了机器人运动逻辑的混乱现象出现，更利于多对象的同步运动，提高机器人的运行效率。机器人自主越障过程变成了各对象在其生命周期内进行的可靠活动控制和消息交互，而不是由复杂而繁琐的硬代码实现。

图2 穿越耐张杆塔对象序列图
Fig.2 Object sequence diagram of passing strain tower

图3 自主越障流程图
Fig.3 Flow chart of automatically passing over obstacles

1.2 机器人自主定位技术

机器人利用携带的云台设备进行巡检，但并不具备自主识别及定位功能。自主定位原理为机器人自主运行过程中通过自身已有的编码器、霍尔计数器、倾角传感器获取线路的相关信息，通过一定的算法处理得到相对杆塔的空间位置，将信息转换后通过指令形式发送给云台，从而获取机器人巡检目标的坐标和机器人控制参数，实现自动巡检。

1.2.1 杆塔定位

杆塔定位通过检测越障过程中行走路径的坡度变化来实现，定位原理如图4所示。以直线塔为例，机器人在碰检防振锤后开始穿越杆塔，由于架空线为悬链线，机器人穿越过程中会出现上坡下坡两种状态。机器人在碰检防振锤后检测坡度值的变化，倾角传感器会返回由正值转为负值的过程，中间过渡过程便是直线塔的原点，即地线悬挂点。耐张杆塔采用与直线杆塔相同的定位方式，这极大地增强了定位策略的通用性，对机器人越障规划也无需更改。该定位策略技术简单，相对精度较低，但能够满足架空线路机器人巡检要求。

图4 杆塔定位原理
Fig.4 Tower locating principle

1.2.2 地线定位

地线定位是在杆塔定位后，机器人将运行一段时间获取的信息处理为相对杆塔坐标系的过程。在沿线竖直平面上将行走过程分解为水平和竖直二维方向上的里程，以此表示机器人坐标系相对于杆塔

坐标系的定位，技术思路类似于惯导系统，通过机器人传感器获取数据并处理，在不同方向上积分得到二维方向上的数据。程序流程如图5所示。其中x为机器人相对杆塔坐标系的水平方向坐标，y为垂直方向坐标，Ln为机器人行走位移过程中每个小档距的弧线距离，θ为机器人所在位置处地线实时坡度或倾角，Vector是C语言一种向量数组类型。

图5 地线定位流程
Fig.5 Flow chart of ground wire locating

1.2.3 机器人坐标变换

机器人坐标变换是将杆塔上巡检点的坐标表示在机器人坐标系及云台坐标系上。具体过程为:定点巡检时，机器人双臂锁紧固定在线上，通过机器人定位，确定机器人相对巡检目标点的空间位置，同时获取自身倾角和摆角信息，以确定该时刻位姿数据，通过空间坐标变换转换至云台坐标系。杆塔上目标点信息储存在机器人数据库，在巡检时机器人根据杆塔信息调用不同数据库，并将目标点信息转换至云台坐标系。当云台知道巡检目标点后，根据机器人云台的自身运动规则进行变换，使得云台的视场角中心在巡检目标点上，进行定点巡检。机器人巡检过程及坐标变换流程如图6所示。

1.3 机器人自主故障诊断与复位

1.3.1 机器人故障分类

自主故障诊断与复位是机器人自主运行的重要保障。按故障处理方法不同，机器人故障又可分为可自恢复故障、可替换故障和需修复故障。可自恢复故障指机器人能诊断出故障，并自动恢复以排除故障，包括软件故障，通信设备故障;可替换故障指机器人检测出该故障后，可采用替换方案来避免故障产生的影响，如传感器故障可通过计数控制而替换;需修复故障指故障发生后，机器人无法继续运行，机器人一般无法自动修复，需要进行人工修复，包括板卡故障、驱动单元故障等。

故障原因是多方面的，且表现出级联反应，如电气故障产生后，会导致软件故障和机械故障产生，如果不及时诊断和处理，将导致机器人无法继续运行，甚至影响机器人的安全运行。

图6 机器人坐标变换流程图
Fig.6 Flow chart of robot coordinates transformation

1.3.2 机械故障诊断与修复

机械故障主要指机械传动部件之间的约束导致机构不能运动，如展臂运动到导轨极限位置或收臂运动到极限位置。检测方法如图7所示。

当驱动单元驱动展臂机构运动时，检测到驱动器反馈计数变化不呈线性，且传感器限位信号没有产生，这表明机器人展臂机构被锁死，当出现这种情况时依靠电机难以拖动。机器人检测到该故障后，通知控制系统停止运行，并等待人工修复。这种现象往往发生在通过杆塔障碍物的过程中，但对线路和机器人不会产生安全影响，产生原因主要是机构运动过程中出现电气故障或软件故障。

1.3.3 电气故障诊断与修复

传感器故障表现为当有信号产生时，输出信号不变化，如机构运动到限位位置时，限位传感器不产生信号。但这种故障往往可采用替换方案，各个机构的单位运动都有行程的限制，还有驱动电流的限制，采用多重保护机制来抑制故障的影响。

处理板卡故障会使系统崩溃，该故障检测方法采用与基站定时交互，如果控制基站在规定的时间内没有信息反馈，可诊断出该故障，但不能自恢复。该故障产生后导致机器人无法控制，但此时机器人也会处于停滞状态，等待救援。

通信设备故障表现为通信交互失败，路由器是核心通信设备，机器人可通过与控制基站进行交互，主动发送交互指令，如果没有收到反馈信息，机器人将重启路由器，一般可自恢复故障。

驱动单元主要包括驱动器、编码器和电机，故障检测方法主要是通过读取驱动器状态信息，如果控制系统给驱动器发送指令后反馈失败，可诊断出该单元出现故障，该故障的出现会导致机器人关节无法运动，导致规划动作无法完成，机器人将停止运行，通知控制中心，等待救援。

1.3.4 软件故障诊断与修复

软件故障主要指应用程序的故障，原因也有多种，如内存操作失败、文件读写失败、硬件地址操作失败、CPU温度过高、线路短路等，当软件故障产生后，系统将响应变慢，无法响应控制指令，严重时系统出现崩溃。软件故障的检测主要采用Watchdog的功能，软件故障一般是可自恢复故障，只需将操作系统重新启动即可实现自恢复。故障的诊断与恢复流程如图8所示。

图7 机械故障诊断流程
Fig.7 Flow chart of mechanical failure diagnosis

1.4 机器人自主巡检作业

1.4.1 巡检作业方式

巡检方式包括正常巡检、故障巡检、特殊巡检3种:正常巡检是根据巡检计划安排机器人对整条线路或区段进行周期性辅助巡检，要求利用可见光摄像机、红外热成像仪、三维激光扫描仪等装置对线路本体设备和通道环境进行细致巡视和检查;故障巡检是线路发生故障或发现异常状况后，采用机器人对故障区段进行辅助巡检，巡检目的是查明故障点及故障原因，要求利用特定传感器对故障点或异常情况进行细致检查;特殊巡检是在自然灾害等特殊条件下，安排机器人对线路进行灾情检查或专项检查，一般在以下情况下进行:

1)线路通道及周围环境发生自然灾害，如山火、山体滑坡、泥石流等;

2)线路通道存在违章施工等外力破坏风险;

3)交叉跨越或特殊区段需要短期安全监控;

4)对重要线路执行重要保供电任务;

5)特殊线路区段现场作业短期需要现场监视或远程视频指导时;

6)线路处于大负荷运行或特殊运行方式时。

图8 软件故障诊断与恢复流程
Fig.8 Flow chart of software fault diagnosis and recover

1.4.2 巡检作业方法

机器人具备对输电线路杆塔、档中、通道等不同目标进行巡检的功能，巡检过程中按照预先设定的参数调整传感器方向及视场，对杆塔各种设备、档中重点部位及通道环境进行检测。自主巡检方法如图9所示。

机器人在直线段行走时，对线路及通道环境进行检测，控制摄像头在多相导线、地线及其通道上往复拍摄;当靠近杆塔时，为了获取清晰有效的图像，机器人在指定位置停留，根据杆塔结构自动从上到下进行扫描并存储杆塔细节，为区分检测得到的海量图片信息，机器人将自动以杆塔号和序列号命名图片，以便后期处理。

机器人整个作业流程包括:巡检线路分析、巡检任务规划、巡检作业申请、机器人出库检查、机器人上线前检查、机器人上线及线上检查、巡检作业、机器人下线、巡检数据导出、机器人检查入库、巡检资料整理等。

图9 自主巡检方法
Fig.9 Automatic inspection methods

1.4.3 巡检任务规划

机器人沿地线行走，对线路巡检目标总是处于俯视状态，由于存在塔身、横担遮挡，为保证清晰有效的成像角度，机器人需要与巡检目标保持一定的水平距离。以同塔四回杆塔为例，通过分析巡检目标模型，得到自上至下巡检每一相设备应保持的水平距离，分别依次为7 m、14 m、20 m、27 m、32 m、40 m，如图10所示。

由此制定同塔四回杆塔机器人巡检步骤如下:

1)机器人靠近杆塔时减速，在距离杆塔40 m处停留，检测自上至下的第五、第六相导线设备;

2)机器人继续前进，在距离杆塔27 m处停留，检测自上至下的第三、第四相导线设备;

3)机器人继续前进，在距离杆塔14 m处停留，检测自上至下的第一、第二相导线设备;

4)机器人越过杆塔后，同样在14 m、27 m、40 m处停留，对杆塔各相设备进行反向巡检。

对每相杆塔设备巡检可采取以下顺序:导线防振锤→耐张跳线压接管、引流板→水平绝缘子串连接挂板1→水平绝缘子串1→水平绝缘子串连接挂板2→杆塔塔身中部→塔顶→塔底;竖向绝缘子串连接挂板1→竖向绝缘子串→竖向绝缘子串连接挂板2→水平绝缘子串连接挂板3→水平绝缘子串2→水平绝缘子串连接挂板4→导线防振锤。

1.4.4 机器人自主运行

机器人在无人监控下自主运行，需要识别巡检线路结构信息，包括杆塔类型、两侧防振锤数量、相邻杆塔间的档距等。机器人自主运行原理如图11所示，机器人上线后，地面基站进行任务规划，将起止杆塔参数传给机器人，机器人自动生成障碍物列表和越障规划，包含障碍物类型、运行方向、越障状态、设计步骤、行驶距离等。开始运行后，机器人自主行走与越障，并具备返回功能，可在线路上往返进行巡检作业。

图10 四回路杆塔巡检方案
Fig.10 Detection scheme for quadruple circuit tower

图11 机器人自主运行原理图
Fig.11 Robot automatic operation principle diagram

1.4.5 机器人通信策略

基于通信质量、可靠性和通信成本考虑，采用WiFi/GPRS/3G融合的通信平台实现机器人与地面基站不同条件下的通信要求，如图12所示。

通信内容包括机器人状态、位置信息，控制指令信息，实时视频监控信息等3类。前两类是数据信息、数据量小，可通过任何一种方式传输;第3类为视频信息，仅在WiFi和3G下才能有效传输。三种方式都可用时，优先选择顺序为 WiFi-3GGPRS。通信内容取决于通信方式及信号强度。机器人巡检时，应实时定位机器人的位置，与基站间不能有效通信时，应采用技术手段尝试恢复通信，或将基站转移到事先设定的备用地点，实现近距离通信。

图12 通信平台示意图
Fig.12 Communication platform diagram

2 全自主巡检试验及示范应用

2.1 巡检试验

户外搭建了真型架空线路试验场地，试验线路中间设有耐张杆塔与直线杆塔。事先做好巡检任务规划，调试程序，做好试验准备。通过机器人在试验线路自主运行并进行数据处理，观察机器人整个巡检过程的运动控制及云台动作，观察云台返回的视频，巡检完成后下载记录的数据并进行分析处理。

在户外试验场进行了多次巡检试验，包括虚拟仿真试验与现场试验。对本文所述机器人全自主巡检控制技术及故障诊断、修复策略进行了验证，完成了预期的巡检任务及巡检动作。后期研究需要不断优化巡检控制方案，提高巡检精度和巡检效率，对巡检方案进行调整。

2.2 示范应用

全自主巡检机器人已在南方电网500 kV惠茅乙线进行实际带电线路全自主巡检示范应用。巡检作业范围选择在N91塔至N105塔区段，巡检区段全长5.4 km，共15基杆塔，其中1基耐张塔，机器人巡检行走的地线型号为LGJ-95/55，前期对地线进行了适应性改造，可供巡检机器人进行穿越行驶。选择N105塔作为巡检起止杆塔，安装专门为机器人巡检设计的机器人自动上下线装置，选择N92塔中继充能杆塔，安装专门为机器人巡检研发的太阳能自动充电基站。

巡检流程为机器人在N105塔自主上线，巡检至N91塔，返回至N92塔自主充电，完成充电后巡检至N105塔自主下线。巡检期间穿越耐张塔2基、双联悬垂直线塔2基、单联悬垂直线塔24基，单次巡检总里程达10.8 km。

巡检过程中，按照制定的巡检作业方案执行，利用所搭载云台设备对杆塔各回导线、绝缘子串、金具等进行可见光和红外检测。巡检过程采集图像如图13所示。

图13 可见光和红外巡检图像
Fig.13 Visible and infrared detection picture

3 结语

本文论述了架空线路机器人巡检特别是全自主巡检的必要性和重要性，研发了机器人全自主巡检技术，介绍了机器人自主越障、自主定位、自主故障诊断、自主巡检技术原理与实现方法，在机器人耐张塔越障、自主定位及故障诊断、巡检作业与任务规划方面取得突破。

采用面向对象设计的方法研发了机器人自主越障控制系统，简化了越障流程，提高了越障效率;建立了巡检线路信息结构化分类数据库，采用实时位姿信息采集和坐标变换方法实现了机器人的自主定位与运行;建立了基于WiFi/GPRS/3G多信道融合的机器人通信平台，实现了机器人本体与基站在不同条件下的可靠通信。

本文研发了机器人机械、电气及软件故障诊断及修复技术，建立了可自恢复故障、可替换故障和需修复故障等三种典型故障模式及修复策略;介绍了机器人自主巡检作业方法及任务规划案例，开展了机器人户外真型线路巡检试验，完成了南方电网首次500 kV带电线路机器人巡检应用。

基于本文研究工作和工程实践，编写了电力行业标准《架空输电线路机器人巡检技术导则》。本文研究工作对于输电线路机器人智能巡检技术发展与应用具有促进作用。

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Full-Automatic Inspection Technology of Intelligent Robot for Overhead Transmission Lines and Its Application

PENG Xiangyang1，WU Gongping2，JIN Liang3，WANG Ke1，WANG Rui1，SONG Hui4
(1．Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co．，Ltd，Guangzhou 510080，China;2．College of power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China;3．Graduate tation of Guangdong Power Grid Co．，Guangzhou 510080，China;4．Guangdong Province Transmission＆Transformer Engineering Company，Guangzhou 510160，China)

Abstract：Aiming at the practice of intelligent robot inspection of transmission lines，four key control technologies of the robot's automatic inspection operations are developed including automatically passing over obstacles，automatically positioning，automatic fault diagnosis and restoration，automatic inspection The principle and implementation method of the control technology are introduced in detail．Three typical failure modes of the robot，i.e．，the self recovery fault，the replacement fault and the fault need to repair，and their diagnosis and repair strategies are established．The robot inspection test on real outdoor line is carried out．Robot inspection demonstration application of 500 kV live line in China Southern Power Grid is completed for the first time．The robot inspection control technology，fault diagnosis and repair strategy，as well as the independent inspection process are verifid and assessed．The robot has a single time inspection mileage of over 10 km，and the inspection application has achieved good results．

Key words：overhead transmission lines;intelligent robot;automatic inspection;automatically passing over obstacles;inspection test; demonstration application

Foundation item：Supported by the National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(2006AA04Z202); Key Science＆ Technology Projects of China Southern Power Grid (K-GD2014-0621)．

文章编号：1674-0629(2017)04-0014-09

中图分类号：TM73;TM933

文献标志码：A

DOI：10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2017.04.003

收稿日期：2017-02-11

作者简介：

彭向阳(1971)，男，高级工程师(教授级)，硕士，研究方向为输电线路运行、故障诊断及智能巡检技术等;

基金项目：国家高技术研究发展计划项目(863项目)(2006AA04Z202);南方电网公司重点科技项目(K-GD2014-0621)。

吴功平(1961)，男，教授，博士生导师，博士，长期从事机器人技术及系统、复杂机电系统研究;

王柯(1985)，男，工程师，博士，研究方向为输电线路智能巡检及高电压试验技术等。