電力巡線機器人調(diào)研

電力巡線機器人調(diào)研國內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外電力輸送主要采用架空電力線的方式這種方式下，電力線、桿塔、間隔棒、絕緣子等電力設(shè)備長期暴露在自然環(huán)境里，電力設(shè)備在自然環(huán)境可能會被損壞,如下圖1,需要及時發(fā)現(xiàn)和修復損壞，否則可能會出現(xiàn)大面積停電事故，給國民經(jīng)濟造成重大的損失。因此需要定期的對電力線路設(shè)備進行巡檢，發(fā)現(xiàn)損壞和可能存在隱患的電力設(shè)備，為電力設(shè)備檢修和電力故障診斷提供依據(jù)，以及時消除故障，預防事故發(fā)生。a）腿錄子料落且塔上有鳥翼b）電力錢斷股c）絕塚子a）腿錄子料落且塔上有鳥翼b）電力錢斷股c）絕塚子II冰d)圖1架空電力線路常見故障目前電力線路巡檢主要采用人工的方式進行，由于電力線路具有分布點多、分布面積廣、地形環(huán)境復雜等特點，巡檢人員需要徒步或驅(qū)車翻越山嶺等進行巡檢，這種巡檢方式工作效率和精度都不高；攀爬到電力塔桿上進行檢測的方式，在精度上雖然有所提高，但是這種巡檢方式對于巡檢人員來說危險度極高，存在著嚴重的安全隱患;而通過乘坐吊籃進行巡檢的方法，不僅非常危險而且效率也非常低。國內(nèi)的一些電力公司已經(jīng)采用了載人直升機進行巡檢工作，工作人員使用肉眼或者機載攝像設(shè)備進行觀測和記錄沿線的情況，這種巡檢方式在安全性和效率較純?nèi)斯さ姆绞接辛溯^大的進步，但是它也有其自己的不足:首先我國私人飛機的飛行受到了極大的管制，在進行飛行之前首先需要國家民航部門對飛行時間和飛行線路進行批準;其次電力線路架設(shè)高度一般比較低，直升機需要在較低的高度沿著線路飛行，低空空中環(huán)境復雜，飛行人員在進行正常的飛行操作的同時還需要隨時與電力線路保持視線的接觸,這極大的加大了操作難度;同時由于需要較長的時間和高壓線路保持平行飛行,并且飛行速度快，所以風險大，在國外已經(jīng)發(fā)生了多起巡檢直升機墜機的事故。隨著智能機器人技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出能夠懸掛在輸電線路上，沿著輸電線路進行攀爬巡檢的機器人，但是這種采用攀爬機器人進行巡檢的方式也有著其自身的不足，首先它的爬坡能力較差，這使得他只能在地形較為平坦的地方使用，其次還具有跨越障礙物困難、安裝難道大、行進速度慢等不足，因此研究人員考慮使用具有飛行能力的飛行機器人進行電力線路的巡檢。這種巡檢方式是通過飛行機器人攜帶圖像等傳感器設(shè)備沿著架空電力線路飛行同時采集線路的圖像等信息。它解決了人工巡檢中操作人員人身安全以及巡檢效率低的問題，相較于行走式電力巡檢機器人，它對復雜地形環(huán)境適應(yīng)能力強、檢測效率高、維護成本低。線路監(jiān)測方式1、 機器人巡線方式國際上對于輸電線路巡檢機器人技術(shù)的研究始于20世紀80年代，有代表性的研究成果包括：1988年，日本東京電力公司的Sawada等人研制的具有弧形手臂的光纖復合架空地線(OPGW)巡檢移動機器人，美國TRC公司1989年研制的一臺懸臂自治巡線機器人原型，1990年日本法政大學的HideoNakamura等人開發(fā)的電氣列車饋電電纜巡檢機器人，日本Sato公司生產(chǎn)的單體小車結(jié)構(gòu)的電力線損傷探測器以及加拿大魁北克水電研究院Serge等人自2000年開始研發(fā)的HQLineROVer巡線遙控小車等。國內(nèi)關(guān)于架空電力線路巡線機器人研究起步較晚，但隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，巡線機器人的研究逐漸受到各研究機構(gòu)和大學的重視d998年武漢水利電力大學的吳功平教授研制出了單體三驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)的架空高壓線路巡線小車，武漢大學研制的采用雙臂式結(jié)構(gòu)的巡檢機器人樣機，通過遙控的方式實現(xiàn)了桿塔障礙的跨越，中科院自動化所提出了三臂巡檢機器人結(jié)構(gòu)并通過試驗驗證了其越障功能。中科院沈陽自動化所研制的雙輪臂復合式機構(gòu)越障巡檢機器人樣機，可以根據(jù)障礙物形狀及作業(yè)要求，通過尺蠖式運動、單臂旋轉(zhuǎn)等多種方式跨越障礙。山東大學、山東科技大學等在863基金項目資助下也開展了架空電力線路巡線機器人的研究。他們研制的巡檢機器人可以分為兩類：一類是具有翻越障礙物功能，但結(jié)構(gòu)尺寸大、重量大，因而實用性差，并大多仍處在實驗室研制階段；另一類則只能在兩桿塔間的線段上巡檢，不具備翻越障礙物功能，因而其巡檢作業(yè)范圍受到極大限制。2、 無人機巡線方式利用先進無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)以及GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)等綜合發(fā)展起來的無人機遙感技術(shù)，具有智能化、自動化和專有化的優(yōu)點，能夠完成對遙感數(shù)據(jù)的處理、建模和應(yīng)用分析。目前，企業(yè)普遍開展了采用無人機在電力系統(tǒng)上作業(yè)，無人機可以根據(jù)不同的地理環(huán)境、費用以及處理效率都比較有優(yōu)勢，同時也不需要考慮因為飛機墜毀而造成人員傷亡。2.1無人機飛行方式在無人機飛行巡視電力線路的過程中可能會遇到極端天氣或者其他的外界不可預測因素的干擾，而垂直降落造成對線路的重大破壞。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在無人機飛行的時候要注意與電力線路保持恰當?shù)木嚯x。運用無人機進行電力線路巡視時，因光學任務(wù)吊艙系統(tǒng)是安裝在飛機機體下方的，不僅要保證巡視質(zhì)量還要避免無人機受到電力磁場的干擾，因而需要保證無人機在沿路線飛行時與電力線路之間有一定的垂直距離。綜合以上的各項條件，無人機在巡視時就需要在電力線路的斜上方飛行。為了能提高巡視的質(zhì)量與效率，無人機在保證光學吊艙任務(wù)系統(tǒng)的掃描視角做夠的基礎(chǔ)上，可以進行單向巡視。但是單向巡視不能保證在較高的電壓線路中的巡視質(zhì)量，這是就要調(diào)整飛行策略，在線路的兩側(cè)往返飛行，提高巡視的質(zhì)量。2.2采用通信鏈路系統(tǒng)中的中繼模式在進行電力線路巡視的過程中，任務(wù)機要通過無線鏈路直接與地面設(shè)備進行通信，就要用次系統(tǒng)為直通模式。那么，只有在任務(wù)機距離地面較近且沒有任何障礙物的情況下才能達到直通模式。在具體的線路巡視中，要解決山體阻擋及輸電線路電磁干擾，也要控制無人機巡視的距離，必須采用中繼模式進行轉(zhuǎn)發(fā)，而無人機的中繼模式有地面中繼和空中中繼兩種主要模式。首先是在地面中繼模式是將中繼設(shè)備安裝在某個線路塔上，其工作程序復雜，但成本較低。需要克服不同地形的巡視困難，才能做好電力線路的巡視工作。其次空中的中繼模式是要在原有的基礎(chǔ)上增加一定數(shù)量的中繼飛機，會增加巡視工作的靈活性，使巡視范圍擴大，而且對其進行的維護非常簡單，是實用性較強的中繼模式。在電力線路巡視的過程中，采用不同的模式進行工作，它們在通信線路系統(tǒng)中的具體工作方式也不相同。其中直通模式主要靠任務(wù)機的終端和地面監(jiān)控車終端完成工作。地面中繼模式是在之前的兩個終端之上再加上塔架終端進行工作的。而空中中繼模式則是在任務(wù)機終端、中繼飛機終端和地面監(jiān)控車終端進行工作的。2.3無人機應(yīng)用模式由于需要巡檢的電路多鋪設(shè)在地形結(jié)構(gòu)復雜的區(qū)域，因此無人機的類型、中繼模式與設(shè)備選擇也會進行相應(yīng)分類。目前我國無人機在輸電線路巡檢的應(yīng)用有以下5種：（一） 中型任務(wù)機與地面中繼聯(lián)動模式針對空中任務(wù)機因為超過有效距離或地形阻隔等因素無法及時與地面的巡檢車進行數(shù)據(jù)傳輸與處理的情況，可以采用這種模式。它的工作原理是，由中繼終端作為連接任務(wù)機與地面信號塔的傳接樞紐，負責將空中機采集到的圖像與遙感數(shù)據(jù)傳送至地面基地并進行反饋，從而保證電力巡檢工作的正常進行。（二） 中型任務(wù)機與空中中繼聯(lián)動模式空中中繼即小型無人直升機，它是為了彌補地面數(shù)據(jù)處理能力的不足而人工添加到數(shù)據(jù)鏈路上。與第一種應(yīng)用模式不同，是由該小型無人機負責空中任務(wù)機與地面測控車的數(shù)據(jù)傳輸。當任務(wù)機完成測控圖像與信號采集后，先將這些信息發(fā)給空中中繼終端，在由該小型無人機負責地面信號塔的數(shù)據(jù)傳輸與反饋。這樣可以有效緩解地面測控塔的工作壓力,保證數(shù)據(jù)處理及時高效。（三） 中型直升機+空中中繼模式在這一模式中，中繼機采用續(xù)航時間長、抗風能力強、成本低、飛行和控制操作簡單的固定翼無人機，來提升中繼的靈活性。通過中型直升機（任務(wù)機終端）地面車載終端和固定翼無人機（中繼機終端）的相互配合，來增強數(shù)據(jù)采集的準確性和效率。（四） 小型無人直升機或微型無人直升機模式在這一模式中，要求在任務(wù)機與地面測控車之間沒有障礙物遮擋，兩者之間可以進行較近距離的互動。任務(wù)機可以通過無線鏈路直接與地面車載設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。地面車載終端可以接收到經(jīng)過任務(wù)機終端壓縮過和調(diào)制過的，由任務(wù)機和吊艙拍攝到的2路視頻信號和遙感測繪數(shù)據(jù)。同樣的，任務(wù)機終端也可以接收到地面車載終端的遙控數(shù)據(jù)，接受地面車載終端的控制。（五） 固定翼無人機模式這一模式，在防災(zāi)減災(zāi)以及輸電線路應(yīng)急巡檢中會常常會應(yīng)用到，固定翼無人機能實現(xiàn)對輸電線路遠距離、大范圍的快速巡視。比如，桑德斯公司研制的微星無人機，翼展為15厘米，重量只有100克，最大負載重量為15克，耗電為15瓦，續(xù)航時間為20到60分鐘，航程距離為5公里，巡航速度55.6公里/時，飛行高度15至91米，最佳飛行高度為46至61米。我國35KV電壓線路一般塔桿高度為18m，110KV電壓線路塔桿高度為21m,220KV電壓線路塔桿高度為24m，而500KV電壓線路塔桿高度為34m，所以固定翼無人機在輸電線路巡查上都能適用。無人機系統(tǒng)通過無人旋翼飛行平臺攜帶檢測設(shè)備、控制設(shè)備和通訊設(shè)備，可沿著輸電線路走廊近距離自主飛行和跟蹤巡檢，能夠應(yīng)對復雜多變的地形地貌，完成對架空輸電線路的設(shè)備缺陷檢測?？梢詾?10千伏至750千伏的輸電線路巡檢，每次飛行時間可達1小時，每小時巡線20公里。每飛4個架次相當于出動20名巡線員一整天的工作量，且不受地理環(huán)境的限制。大大提升了巡線檢測的水平和質(zhì)量，提高了作業(yè)效率，降低了人員作業(yè)勞動強度和工作風險。線路監(jiān)測方法高壓電力線路常用的損傷探測技術(shù)分為非接觸探測方法和接觸探測方法。非接觸探測常采用視覺探測、紅外探測、和無線頻譜分析的方法；接觸探測方法常采用電渦流探測法和電阻測量探測法。1、 非接觸式探測方法視覺檢查：視覺檢查是應(yīng)用最為廣泛的線路檢查方法，采用高分辨率CCD攝像機攝取目標圖，實時傳輸?shù)降孛婊净虼鎯ο?，由基站操作人員根據(jù)圖像中導線、絕緣子等設(shè)施的外觀確定是否損壞。視覺檢查一般能發(fā)現(xiàn)架空線大部分表面故障現(xiàn)象，精度和準確度取決于圖像質(zhì)量。紅外探測:紅外探測采用熱成像技術(shù)（如紅外攝像機）攝取表面溫度超過周圍環(huán)境溫度的異常溫升點的紅外光譜圖，然后根據(jù)圖像，人工或自動判讀可能的故障器件，該方法已成功用于探測架空電力線上早期的發(fā)熱故障點。使用時，被測點的溫度要高于系統(tǒng)環(huán)境溫度,天氣應(yīng)干燥晴朗。由于紅外成像儀受天氣環(huán)境影響較大，探測精度和準確性不高。文獻［2］中吳功平等人研究了導線破損的紅外檢測機理和故障信號的特征提取與故障識別的綜合判據(jù)，開發(fā)了一種便攜式近距離紅外檢測與故障診斷儀器，能夠識別故障類型和確定故障發(fā)生的位置。無線頻譜分析法：無線頻譜分析法通過對架空線路設(shè)備附近的高頻擾動的測量來判斷故障的類型和位置。架空線路設(shè)備的一些故障（如絕緣子處漏電、導線斷股、植物生長過于靠近導線等）會導致其周圍電離空氣層中出現(xiàn)不規(guī)則強烈電子活動，這些高頻擾動表現(xiàn)為對交變電場閉合曲線的干擾。通過對架空線上干擾信號的形狀、強度和位置的分析，能夠提供輸電線路異常和故障的線索。2、 接觸式探測方法電渦流方法：電渦流方法利用輸電線出現(xiàn)故障時會導致電渦流發(fā)生畸變的原理，能準確探測鋼芯