高压输电线路巡检对保证输电线路安全稳定运行具有十分重要的意义，目前对线路的巡检主要有人工巡检、直升机巡检和机器人巡检3种方式，由于机器人巡检相对于前两种具有接近巡检对象、安全性高和成本相对低廉的优势，因而巡检机器人成为了国内外研究热点.国外的研究始于上世纪80年代^[1-5]，近年来取得了较大的进展.日本的Debenestt等人研制用于高压多分裂导线的巡检机器人Expliner^[6]，可以通过地面观测或机载摄像头观测遥控机器人跨越直线杆塔和间隔棒，在500 kV线路上进行了带电运行试验.加拿大的Pouliot等人研制了巡检机器人LineScout^[7-8]，该机器人采用并列机械臂结构，以相线为行驶路径，能够跨越防振锤和悬垂线夹等障碍物.国内研究起步相对较晚，但自2000年以来也对巡检机器人开展了大量的研究.武汉大学和中科院沈阳自动化所分别研制了以相线和地线为行驶路径的巡检机器人^[9-12]，二者均实现了自主运行；山东大学和上海大学等机构也对巡线机器人样机进行了研究^[13-14].上述的巡检机器人越障时均采用跨越方式，越障难度大、动作规划复杂，安全性和效率均有待提高.武汉大学于2010年提出了一种基于地线线路金具改造的穿越越障巡检机器人^[15]，该机器人在越障过程中，相较于采用跨越方式越障的巡检机器人在安全性和效率上均有较大提高，但由于该机器人受到其自身机械结构、电能补给和智能控制等方面的限制，不具备在高压输电线路上长距离(10 km以上)运行的能力.

为了提高穿越越障巡检机器人的长距离高效运行能力，本文在武汉大学研制的穿越越障巡检机器人^[16]的基础上，对机器人的机械结构、电能在线补给和智能控制进行了进一步的研究和完善，研制了新型的穿越越障巡检机器人系统.

1 穿越越障巡检机器人系统 1.1 系统组成

巡检机器人系统是由终端层、基站层和通信层组成的网络分布式系统.

终端层由巡检机器人本体、太阳能充电基站和地线道路改造结构3部分组成，是整个系统实现巡检功能的核心部分.通过机器人本体与地线道路改造结构的一体化设计，实现了巡检机器人安全高效越障的目标；机器人本体电量不足时，会自动在太阳能充电基站处进行充电，以满足长距离运行的电能在线补给需求.

基站层由地面控制基站组成，其为车载或人工携带的地面移动监控操作平台，与巡检机器人本体间通过以太网或3G公网通信，实时接收机器人的状态信息、发送地面遥控指令、接收并保存巡检图像与数据、对巡线机器人本体进行视频监控.

通信层由安装在巡检机器人本体上的无线网络移动站和3G无线路由器等设备组成，其通过以太网和3G无线公网数据传输技术为终端层和基站层提供高效透明的数据传输通道.

1.2 主要功能

穿越越障巡检机器人具备以下主要功能.

1) 行驶越障功能：沿改造后的架空地线穿越行驶，小坡度(不大于8°)下自主滚动行驶穿越防振锤、悬垂线夹和耐张线夹等组合障碍物，大坡度(大于8°)下自主蠕动行驶穿越上述障碍物.

2) 电能在线补给功能：通过与安装在杆塔塔头处的太阳能充电基站的对接充电，在不更换巡检机器人本体蓄电池的前提条件下，实现电能的在线补给，为巡检机器人长距离运行提供电能基础.

3) 巡检功能：通过对机器人本体上安装的云台进行控制，可以实现其上搭载的可见光摄像机和红外成像仪等设备对通道走廊、输电线路和杆塔地基连续录像与定点拍摄，在巡检机器人系统的整个作业过程中，所有图像均存储在机器人本体中并可实时传输至地面控制基站.

4) 图像分析处理功能：开发了后台分析诊断管理软件，可实现自动导入巡检图像和数据信息、可见光图像处理、红外热图像分析与诊断与线路外观缺陷识别、报表生成与打印、绝缘子污秽评价、导线动态增容决策等功能.

2 新型穿越越障巡检机器人关键技术 2.1 机器人本体机械结构

机器人本体机械结构是巡检机器人系统中的关键技术.巡检机器人本体沿架空地线行驶，在机构运动学方面，要求机构能采用滚动和蠕动两种运动方式穿越障碍物；在运动控制方面，要求机构的自由度少、控制精度高；在实际应用方面，要求机构简单紧凑、易于在高压输电线路上进行机器人上下线的带电作业.

根据巡检作业的任务要求和架空地线的线路结构特征，经过大量的试验和改进，提出了由2个机械臂、1个公共变长大臂、2个机械臂与变长大臂间各有1个绕铅垂轴旋转的关节和1个沿水平方向平移的关节组成的机构模型.巡线机器人机构原理图如图 1所示，2只机械臂由行走轮1、小臂2、绕铅垂轴回转的关节4、沿铅垂方向的移动关节3及与其相联的压紧机构组成.压紧机构由压紧支架7和压紧轮8组成；行走轮实现沿地线的行驶，压紧机构可以根据线路坡度大小及越障时的需求调节机器人行驶时的压紧力.2只机械臂和与其相连的移动关节5沿水平方向对称布置在机体6上，实现2只机械臂在机体上的平动.该机构满足巡线工作对巡检机器人在机械结构各方面的要求，相对于其他巡线机器人机构，该机构具有自由度少、结构紧凑、尺寸小、重量轻的特点.另外，以往机器人行走轮表面的防滑层大都采用牛皮制作，而该机器人行走轮采用新型的聚胺酯材料制作防滑层，极大提高了行走轮的耐磨性和使用寿命.

2.2 电能在线补给

机器人在输电线路上长距离运行，需要在线取电.在杆塔上建立太阳能充电基站来解决机器人电能不足的问题.安装在杆塔顶端的太阳能板将太阳能转化为电能储存在太阳能充电基站的蓄电池中，当机器人运行至安装有太阳能充电基站的杆塔处时，若其检测到自身电池电量不足以完成后续巡检任务，即可与充电基站对接充电获取电能补给.

综合分析地线线路结构和巡检机器人的机械结构，采取将充电基站安装在直线杆塔上的布局方案.充电对接装置由充电座和充电头组成，充电座安装在直线杆塔处悬垂线夹挂板的正下方，充电头则安装在巡检机器人本体机械臂的压紧轮支架上.

由于在充电头与充电座的对接过程中会存在定位偏差，故将充电座和充电头设计为如图 2所示的弹性楔形结构，以确保充电对接可靠性.图 2(a)为充电座的结构示意图，其底部安装的支撑弹簧使整个充电座为弹性结构，而球头弹簧座则使充电座在三维空间中具有3个旋转自由度和沿竖直方向的1个移动自由度；图 2 (b)为充电头示意图，其安装在具有缓冲弹簧的压紧轮支架上，充电座内表面和充电头上的电极片均为弹性簧片.弹簧、球头弹簧座以及弹性簧片共同确保了充电头与充电座对接时二者相互间作用力的自适应缓冲和电极片的可靠接触.

巡检机器人在现场与太阳能充电基站的充电对接过程如图 3所示.巡检机器人可以根据充电头上安装的霍尔传感器检测到的信号来识别充电头与充电座的成功对接，随即机器人即可开启充电模式在线补给电能.

2.3 自主运行智能控制

输电线路在建设完毕后，其结构参数，如杆塔类型、两侧防震锤数量、相邻杆塔间档距等为先验信息.如图 4所示，杆塔1至杆塔N，每个杆塔的类型为已知，杆塔之间档段的距离d_i(i=1,2,…,N)已知，在役线路上这些参数信息不会更改，将其格式化后存储在数据库中，数据库主要结构设计图如图 5所示.数据表line_info用来存储线路的结构参数，如杆塔、杆塔类型、杆塔编号、杆塔两侧的防震锤数量、杆塔两侧的档段距离、杆塔两侧的坡度.机器人巡检规划时，只需告知机器人起始杆塔、终止杆塔便可完整规划机器人的行驶路径和障碍物列表信息，并按照规则添加到数据表ob_list中，主要包含障碍物类型、运行方向、过障状态、设计步骤、行驶距离等.由于输电线路是单向延伸，机器人巡检作业时，有时还需要机器人返回起始杆塔处，故该机器人具有往返巡检的功能.机器人获取这些参数信息后，就可以进行全局的自主规划与控制，无需人工进行干预.

机器人自主运行原理如图 6所示.机器人上线完成后，地面基站设置机器人巡检运动规划，将起始杆塔、终止杆塔、返回杆塔经通信系统传输给机器人，机器人接收到巡检参数后，根据数据库存储的线路信息自动生成障碍物列表，自动配置过障规划，并存储在数据库中.当开始运行后，自动从数据库中获取过障规划，根据自主越障功能完成机器人的行走与过障.并将日志记录到数据库，以便机器人自我恢复和离线分析.

3 现场示范应用

巡检机器人在吉林省电力公司白山供电局管辖的松长甲线上进行了示范应用，试验线路总长20 km.该线路地处长白山区，大部分线路工作人员和地面基站难以到达，在原始森林里，没有3G信号，机器人运行过程中无线通信无法远距离覆盖.若采用以往的巡检机器人运行，由于地面基站通讯信号覆盖半径仅为2 km，而不具备自主运行能力的机器人必须要处于地面基站通讯信号所覆盖的范围之内，而且当输电线路通过高山、河流和高树林等复杂走廊环境时，通信距离更为受限，所以只能将20 km的线路分为近10个线路段分段巡检，且需要A、B两台工作基站对机器人进行交替监控(见图 7).在进行每个线路段的具体巡检时，将地面基站A及其操作人员安置在该线路段，地面基站B及其操作人员安置在下一线路段，待巡检机器人在基站A的监控下完成第一段线路的巡检任务后，将机器人交由基站B接管，并将基站A运输至下一线路段等待再次接管巡检机器人，其接管成功后，再以同样方法运输基站B，以此交替方式完成整条线路的巡检工作.采用这种方式进行巡检，在每一个线路段都需要给机器人下达开始巡检的指令，有时甚至会出现机器人已经完成某一线路段的巡检任务，但需要等待地面基站运输到位的情况.不难看出，这种运行模式不仅效率低，而且增大了运行成本，浪费人力和物力资源.相较于以往机器人的运行模式，本文研制的巡检机器人在进行巡检工作时，整个巡检过程靠机器人自主控制完成，地面基站的操作人员只需向机器人给定巡检线路的起始杆塔号和终止杆塔号，机器人即可自主完成巡检工作(见图 7).

本文研制的机器人和以往机器人的性能及技术指标对比情况如表 1所示.改进前机器人行走轮防滑层可支持机器人行走10 km，超过10 km后防滑层磨损严重需要将巡检机器人下线，更换行走轮；而改进后机器人行走轮的聚胺酯防滑层的耐磨性相较于以往的机器人有了极大提高，行走寿命达到了50 km，足以支持机器人完成整段线路20 km的巡检任务.以往的机器人重量达50 kg，机器人携带电源的续航时间为6 h，当机器人电量不足时，需要人工登塔更换电池或将机器人下线更换电池，浪费时间和人力资源；本文机器人的机械结构经过优化设计，结构尺寸更为紧凑，重量降低到41 kg，机器人携带电源的续航时间为7 h，在电源供电不足时，可以在杆塔上建立的太阳能充电基站处充电完成在线电能补给，不需要更换电池即可完成整条线路的巡检工作.由于巡检机器人工作模式及性能的差异，改进前的机器人完成20 km试验线路的巡检，需耗时14 h；而改进后的机器人仅需4 h，巡检效率得到了很大提高.

机器人自动示范应用的现场运行效果如图 8所示.在跨越原始森林线路的工程应用示范中，机器人系统设备平台运行稳定可靠，没有出现故障，表明了巡检机器人系统设备具有很高的安全可靠性.尤其是在通信阻断的情况下，机器人自主地执行给定的任务，各项智能行为能力得到了有效体现，表明巡检机器人具有极高的智能行为能力.

巡检机器人搭载的两台全球云台摄像机自主拍摄的巡检图片如图 9所示.其中图 9(a)和图 9(b)分别为直线杆塔和耐张杆塔相线处安装的绝缘子串，图 9(c)为线路走廊.图 9(d)至图 9(f)分别为压接管、相线塔头和防振锤的局部细节图.由细节图可以发现，图 9(d)中的压接管弯曲变形，图 9(e)中的相线塔头缺失螺栓，图 9(f)中的防振锤表面老化锈蚀，这些均属于高压输电线路的线路缺陷，需要通过巡检及时发现并解决，消除线路的安全隐患.巡检图表明机器人的巡检视场能有效覆盖巡检线路及其局部细节，实现无盲区巡检，获得的巡检视频图像和照片十分清晰，能及时发现高压输电线路存在的安全隐患，达到了采用机器人进行巡检工作的最终目的.

4 总结

本文针对目前的高压输电线路穿越越障巡检机器人无法长距离自主运行的问题，提出了一种新型智能巡检机器人系统方案.以原有的穿越越障巡检机器人为基础，在机器人系统的机械结构、在线取电和智能控制等方面作了大量工作.本文研制的巡检机器人机械结构简单、紧凑，有效地控制了设备的结构尺寸、重量和能耗；通过太阳能充电基站实现机器人在线补给电能，提高了巡检机器人的续航能力；并进一步研究了机器人巡检运行方法，完善了基于作业环境信息和机器人运行状态信息的自主行为控制方法，最终形成了具备长距离运行能力的智能巡检机器人的完备体系结构.在吉林白山跨越原始森林的 20 km松长甲线进行了工程示范运行，结果表明，本文设计的机器人结构和提出的优化自动控制方法，使机器人具备了长距离自主运行的能力，且相较于以往机器人巡检，有效缩短了巡检时间.机器人巡检图片清晰，能及时发现线路安全隐患，说明本文研制的机器人具有良好的巡检效果，满足了高效、长距离运行的实际巡检要求.