电力巡线机器人调研

电力巡线机器人调研国内研究现状目前国内外电力输送主要采用架空电力线的方式这种方式下，电力线、杆塔、间隔棒、绝缘子等电力设备长期暴露在自然环境里，电力设备在自然环境可能会被损坏,如下图1,需要及时发现和修复损坏，否则可能会出现大面积停电事故，给国民经济造成重大的损失。因此需要定期的对电力线路设备进行巡检，发现损坏和可能存在隐患的电力设备，为电力设备检修和电力故障诊断提供依据，以及时消除故障，预防事故发生。a）腿錄子料落且塔上有鸟翼b）电力钱斷股c）绝塚子a）腿錄子料落且塔上有鸟翼b）电力钱斷股c）绝塚子II冰d)图1架空电力线路常见故障目前电力线路巡检主要采用人工的方式进行，由于电力线路具有分布点多、分布面积广、地形环境复杂等特点，巡检人员需要徒步或驱车翻越山岭等进行巡检，这种巡检方式工作效率和精度都不高；攀爬到电力塔杆上进行检测的方式，在精度上虽然有所提高，但是这种巡检方式对于巡检人员来说危险度极高，存在着严重的安全隐患;而通过乘坐吊篮进行巡检的方法，不仅非常危险而且效率也非常低。国内的一些电力公司已经采用了载人直升机进行巡检工作，工作人员使用肉眼或者机载摄像设备进行观测和记录沿线的情况，这种巡检方式在安全性和效率较纯人工的方式有了较大的进步，但是它也有其自己的不足:首先我国私人飞机的飞行受到了极大的管制，在进行飞行之前首先需要国家民航部门对飞行时间和飞行线路进行批准;其次电力线路架设高度一般比较低，直升机需要在较低的高度沿着线路飞行，低空空中环境复杂，飞行人员在进行正常的飞行操作的同时还需要随时与电力线路保持视线的接触,这极大的加大了操作难度;同时由于需要较长的时间和高压线路保持平行飞行,并且飞行速度快，所以风险大，在国外已经发生了多起巡检直升机坠机的事故。随着智能机器人技术的发展，目前已经研制出能够悬挂在输电线路上，沿着输电线路进行攀爬巡检的机器人，但是这种采用攀爬机器人进行巡检的方式也有着其自身的不足，首先它的爬坡能力较差，这使得他只能在地形较为平坦的地方使用，其次还具有跨越障碍物困难、安装难道大、行进速度慢等不足，因此研究人员考虑使用具有飞行能力的飞行机器人进行电力线路的巡检。这种巡检方式是通过飞行机器人携带图像等传感器设备沿着架空电力线路飞行同时采集线路的图像等信息。它解决了人工巡检中操作人员人身安全以及巡检效率低的问题，相较于行走式电力巡检机器人，它对复杂地形环境适应能力强、检测效率高、维护成本低。线路监测方式1、 机器人巡线方式国际上对于输电线路巡检机器人技术的研究始于20世纪80年代，有代表性的研究成果包括：1988年，日本东京电力公司的Sawada等人研制的具有弧形手臂的光纤复合架空地线(OPGW)巡检移动机器人，美国TRC公司1989年研制的一台悬臂自治巡线机器人原型，1990年日本法政大学的HideoNakamura等人开发的电气列车馈电电缆巡检机器人，日本Sato公司生产的单体小车结构的电力线损伤探测器以及加拿大魁北克水电研究院Serge等人自2000年开始研发的HQLineROVer巡线遥控小车等。国内关于架空电力线路巡线机器人研究起步较晚，但随着我国经济的发展，巡线机器人的研究逐渐受到各研究机构和大学的重视d998年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了单体三驱动轮结构的架空高压线路巡线小车，武汉大学研制的采用双臂式结构的巡检机器人样机，通过遥控的方式实现了杆塔障碍的跨越，中科院自动化所提出了三臂巡检机器人结构并通过试验验证了其越障功能。中科院沈阳自动化所研制的双轮臂复合式机构越障巡检机器人样机，可以根据障碍物形状及作业要求，通过尺蠖式运动、单臂旋转等多种方式跨越障碍。山东大学、山东科技大学等在863基金项目资助下也开展了架空电力线路巡线机器人的研究。他们研制的巡检机器人可以分为两类：一类是具有翻越障碍物功能，但结构尺寸大、重量大，因而实用性差，并大多仍处在实验室研制阶段；另一类则只能在两杆塔间的线段上巡检，不具备翻越障碍物功能，因而其巡检作业范围受到极大限制。2、 无人机巡线方式利用先进无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术以及GPS差分定位技术和遥感应用技术等综合发展起来的无人机遥感技术，具有智能化、自动化和专有化的优点，能够完成对遥感数据的处理、建模和应用分析。目前，企业普遍开展了采用无人机在电力系统上作业，无人机可以根据不同的地理环境、费用以及处理效率都比较有优势，同时也不需要考虑因为飞机坠毁而造成人员伤亡。2.1无人机飞行方式在无人机飞行巡视电力线路的过程中可能会遇到极端天气或者其他的外界不可预测因素的干扰，而垂直降落造成对线路的重大破坏。为了避免这种现象的发生，在无人机飞行的时候要注意与电力线路保持恰当的距离。运用无人机进行电力线路巡视时，因光学任务吊舱系统是安装在飞机机体下方的，不仅要保证巡视质量还要避免无人机受到电力磁场的干扰，因而需要保证无人机在沿路线飞行时与电力线路之间有一定的垂直距离。综合以上的各项条件，无人机在巡视时就需要在电力线路的斜上方飞行。为了能提高巡视的质量与效率，无人机在保证光学吊舱任务系统的扫描视角做够的基础上，可以进行单向巡视。但是单向巡视不能保证在较高的电压线路中的巡视质量，这是就要调整飞行策略，在线路的两侧往返飞行，提高巡视的质量。2.2采用通信链路系统中的中继模式在进行电力线路巡视的过程中，任务机要通过无线链路直接与地面设备进行通信，就要用次系统为直通模式。那么，只有在任务机距离地面较近且没有任何障碍物的情况下才能达到直通模式。在具体的线路巡视中，要解决山体阻挡及输电线路电磁干扰，也要控制无人机巡视的距离，必须采用中继模式进行转发，而无人机的中继模式有地面中继和空中中继两种主要模式。首先是在地面中继模式是将中继设备安装在某个线路塔上，其工作程序复杂，但成本较低。需要克服不同地形的巡视困难，才能做好电力线路的巡视工作。其次空中的中继模式是要在原有的基础上增加一定数量的中继飞机，会增加巡视工作的灵活性，使巡视范围扩大，而且对其进行的维护非常简单，是实用性较强的中继模式。在电力线路巡视的过程中，采用不同的模式进行工作，它们在通信线路系统中的具体工作方式也不相同。其中直通模式主要靠任务机的终端和地面监控车终端完成工作。地面中继模式是在之前的两个终端之上再加上塔架终端进行工作的。而空中中继模式则是在任务机终端、中继飞机终端和地面监控车终端进行工作的。2.3无人机应用模式由于需要巡检的电路多铺设在地形结构复杂的区域，因此无人机的类型、中继模式与设备选择也会进行相应分类。目前我国无人机在输电线路巡检的应用有以下5种：（一） 中型任务机与地面中继联动模式针对空中任务机因为超过有效距离或地形阻隔等因素无法及时与地面的巡检车进行数据传输与处理的情况，可以采用这种模式。它的工作原理是，由中继终端作为连接任务机与地面信号塔的传接枢纽，负责将空中机采集到的图像与遥感数据传送至地面基地并进行反馈，从而保证电力巡检工作的正常进行。（二） 中型任务机与空中中继联动模式空中中继即小型无人直升机，它是为了弥补地面数据处理能力的不足而人工添加到数据链路上。与第一种应用模式不同，是由该小型无人机负责空中任务机与地面测控车的数据传输。当任务机完成测控图像与信号采集后，先将这些信息发给空中中继终端，在由该小型无人机负责地面信号塔的数据传输与反馈。这样可以有效缓解地面测控塔的工作压力,保证数据处理及时高效。（三） 中型直升机+空中中继模式在这一模式中，中继机采用续航时间长、抗风能力强、成本低、飞行和控制操作简单的固定翼无人机，来提升中继的灵活性。通过中型直升机（任务机终端）地面车载终端和固定翼无人机（中继机终端）的相互配合，来增强数据采集的准确性和效率。（四） 小型无人直升机或微型无人直升机模式在这一模式中，要求在任务机与地面测控车之间没有障碍物遮挡，两者之间可以进行较近距离的互动。任务机可以通过无线链路直接与地面车载设备进行数据通信。地面车载终端可以接收到经过任务机终端压缩过和调制过的，由任务机和吊舱拍摄到的2路视频信号和遥感测绘数据。同样的，任务机终端也可以接收到地面车载终端的遥控数据，接受地面车载终端的控制。（五） 固定翼无人机模式这一模式，在防灾减灾以及输电线路应急巡检中会常常会应用到，固定翼无人机能实现对输电线路远距离、大范围的快速巡视。比如，桑德斯公司研制的微星无人机，翼展为15厘米，重量只有100克，最大负载重量为15克，耗电为15瓦，续航时间为20到60分钟，航程距离为5公里，巡航速度55.6公里/时，飞行高度15至91米，最佳飞行高度为46至61米。我国35KV电压线路一般塔杆高度为18m，110KV电压线路塔杆高度为21m,220KV电压线路塔杆高度为24m，而500KV电压线路塔杆高度为34m，所以固定翼无人机在输电线路巡查上都能适用。无人机系统通过无人旋翼飞行平台携带检测设备、控制设备和通讯设备，可沿着输电线路走廊近距离自主飞行和跟踪巡检，能够应对复杂多变的地形地貌，完成对架空输电线路的设备缺陷检测。可以为110千伏至750千伏的输电线路巡检，每次飞行时间可达1小时，每小时巡线20公里。每飞4个架次相当于出动20名巡线员一整天的工作量，且不受地理环境的限制。大大提升了巡线检测的水平和质量，提高了作业效率，降低了人员作业劳动强度和工作风险。线路监测方法高压电力线路常用的损伤探测技术分为非接触探测方法和接触探测方法。非接触探测常采用视觉探测、红外探测、和无线频谱分析的方法；接触探测方法常采用电涡流探测法和电阻测量探测法。1、 非接触式探测方法视觉检查：视觉检查是应用最为广泛的线路检查方法，采用高分辨率CCD摄像机摄取目标图，实时传输到地面基站或存储下，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。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。红外探测:红外探测采用热成像技术（如红外摄像机）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，然后根据图像，人工或自动判读可能的故障器件，该方法已成功用于探测架空电力线上早期的发热故障点。使用时，被测点的温度要高于系统环境温度,天气应干燥晴朗。由于红外成像仪受天气环境影响较大，探测精度和准确性不高。文献［2］中吴功平等人研究了导线破损的红外检测机理和故障信号的特征提取与故障识别的综合判据，开发了一种便携式近距离红外检测与故障诊断仪器，能够识别故障类型和确定故障发生的位置。无线频谱分析法：无线频谱分析法通过对架空线路设备附近的高频扰动的测量来判断故障的类型和位置。架空线路设备的一些故障（如绝缘子处漏电、导线断股、植物生长过于靠近导线等）会导致其周围电离空气层中出现不规则强烈电子活动，这些高频扰动表现为对交变电场闭合曲线的干扰。通过对架空线上干扰信号的形状、强度和位置的分析，能够提供输电线路异常和故障的线索。2、 接触式探测方法电涡流方法：电涡流方法利用输电线出现故障时会导致电涡流发生畸变的原理，能准确探测钢芯