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一種非接天線pos機(jī)
臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院、杭州電子科技大學(xué)的研究人員錢(qián)丹楊、周衛(wèi)華、帥學(xué)超，在2022年第7期《電氣技術(shù)》上撰文，提出一種智能電力線路巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案。首先，分析線路巡檢機(jī)器人的功能需求，采用輕量化設(shè)計(jì)思路，提出線路巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使其具有自主行走、越障、爬坡等功能；其次，設(shè)計(jì)基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的電氣控制平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取三維激光點(diǎn)云、定位定姿系統(tǒng)（POS）數(shù)據(jù)、正射數(shù)字影像等；然后，融合三維激光、位姿、視覺(jué)等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合方法；最后，對(duì)制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明相關(guān)參數(shù)能夠滿足工程應(yīng)用研究的要求。
中國(guó)智能電網(wǎng)40億產(chǎn)業(yè)鏈即將形成
輸電線路的巡檢工作關(guān)乎整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、高端制造等技術(shù)，在輸變電設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域開(kāi)展智能作業(yè)可以有效提升勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度。
輸電線路具有跨度大、中間障礙物多等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的科研工作者做了大量研究，設(shè)計(jì)了很多電力線路巡檢機(jī)器人，并進(jìn)行了試驗(yàn)。
有科研人員研制的巡檢機(jī)器人應(yīng)用于220kV單相線路巡檢，具有越障、圖像識(shí)別、自主行走、遠(yuǎn)程通信、自主上下塔桿等功能，制作的樣機(jī)運(yùn)行效果良好，對(duì)后續(xù)的研究具有很高的參考價(jià)值。
有科研人員針對(duì)500kV線路設(shè)計(jì)可自主行走的巡檢機(jī)器人，具有跨越障礙物的功能，機(jī)械部分包含紅外相機(jī)和機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的安裝裝置，通過(guò)采集圖像數(shù)據(jù)檢測(cè)輸電線路、絕緣子、抗震錘及其他輸電設(shè)備的損壞情況，地面基站通過(guò)遠(yuǎn)程通信控制巡檢機(jī)器人。
有科研人員創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出具有除冰、在線充電等功能的巡檢機(jī)器人，同時(shí)，融合了多種傳感器對(duì)輸電線路、絕緣子、線路接頭、桿塔等進(jìn)行檢測(cè)，可實(shí)時(shí)進(jìn)行除冰工作，具有很高的參考意義。
有科研人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作條件，提出巡檢機(jī)器人應(yīng)該具有自主行走、電池電量監(jiān)控、越障等功能，結(jié)合實(shí)際工況設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人能同時(shí)滿足輸電線路異物檢查、線路斷股等缺陷檢測(cè)要求。
由上述研究可知，巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：①具有越障爬坡功能、輕量化的巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)；②采用合適的傳感器，能快速檢測(cè)到故障點(diǎn)的檢測(cè)方式及控制算法；③環(huán)境信息量大，需要融合各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析判斷。
本文提出的電力線路巡檢機(jī)器人采用輕量化設(shè)計(jì)方案，具有自主越障功能，并通過(guò)多傳感器集成標(biāo)定與多通道融合技術(shù)，為電力線路巡檢提供豐富的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為電力大數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)支撐。
1 巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能電力線路巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括爬塔機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)及任務(wù)吊艙三個(gè)模塊。行走機(jī)構(gòu)及任務(wù)吊艙組成機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體，爬塔機(jī)構(gòu)與機(jī)器人本體是可分離的。爬塔機(jī)構(gòu)采用仿生式蠕動(dòng)爬行方式，可跨越電塔橫梁，可將巡檢機(jī)器人本體從地面送到電塔上部順利實(shí)現(xiàn)掛載。爬塔機(jī)構(gòu)如圖2所示。
圖1 巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)
圖2 爬塔機(jī)構(gòu)
任務(wù)吊艙內(nèi)部主要用于固定電氣控制部件，包括三維機(jī)載激光雷達(dá)miniVUX—1UAV、樹(shù)莓派控制板、數(shù)碼相機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、鋰電池、導(dǎo)航單元、電源轉(zhuǎn)換模塊、定位天線等，如圖3所示。
激光雷達(dá)的下端安裝面固定在定制的光滑安裝板上，機(jī)械開(kāi)口，保證三維激光雷達(dá)的探頭裸露在外部，可以檢測(cè)到外部信息，通過(guò)合理布局，慣性導(dǎo)航單元與數(shù)碼相機(jī)的安裝面也固定在安裝板上。為了減少通信干擾，定位天線通過(guò)額外加工的支桿固定在方形外殼的上表面，電源開(kāi)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)接口、接插件等分布在后端蓋的內(nèi)表面及線槽周邊。
圖3 電氣部件安裝示意圖
以架空電力線路巡檢機(jī)器人為主打產(chǎn)品的公司主要有廣東科凱達(dá)和國(guó)電南瑞公司。目前，兩公司的架空線路巡檢機(jī)器人在行走機(jī)構(gòu)方面主要采用兩臂式機(jī)構(gòu)，越障性能有限，且沒(méi)有配備相應(yīng)的上下塔機(jī)構(gòu)，機(jī)器人還需要采用人工吊裝的方式進(jìn)行掛載，機(jī)器人過(guò)于笨重，質(zhì)量達(dá)到50kg，對(duì)線路磨損較大。
本文設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人，相較于上述兩公司產(chǎn)品，具有自主上下塔功能，真正實(shí)現(xiàn)了自主巡檢，機(jī)器人總體質(zhì)量可控制在30kg以內(nèi)，大大減少了行走輪對(duì)電線的磨損。
2 基于機(jī)器人操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system, ROS）軟件平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源管理部分，融合視覺(jué)、雷達(dá)等傳感器，構(gòu)建軟件框架，具有可操作性強(qiáng)、代碼靈活、數(shù)據(jù)傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)控制站上傳的任務(wù)文件或?qū)崟r(shí)指令執(zhí)行三維激光點(diǎn)云、定位定姿系統(tǒng)（position orientation system, POS）數(shù)據(jù)記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)獲取與同步采集，電氣控制框圖如圖4所示。
圖4 電氣控制框圖
地面站可以分析巡檢日志，對(duì)巡檢的結(jié)果進(jìn)行回放，方便及時(shí)總結(jié)。地面站支持軟件模擬巡檢，以最小的代價(jià)，達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)控制站上傳的任務(wù)文件或?qū)崟r(shí)指令執(zhí)行三維激光點(diǎn)云、POS數(shù)據(jù)記錄、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)獲取與同步采集。任務(wù)完成后地面站可通過(guò)有線或無(wú)線方式快速下載巡檢數(shù)據(jù)，包括原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、POS航跡數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光照片、曝光同步數(shù)據(jù)及巡檢任務(wù)執(zhí)行日志文件等。
3 數(shù)據(jù)采集與融合數(shù)據(jù)采集由傳感器集成部件完成，主要包括激光雷達(dá)、POS及正射數(shù)碼相機(jī)等部分，主要執(zhí)行三維激光點(diǎn)云、位姿數(shù)據(jù)、正射數(shù)字影像等數(shù)據(jù)同步獲取。
三維激光雷達(dá)選用美國(guó)Riegl公司提供的三維機(jī)載激光雷達(dá)miniVUX—1UAV，具有小型化、精度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，適合移動(dòng)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等搭載。激光雷達(dá)通過(guò)多回波檢測(cè)、數(shù)字化回波信號(hào)、在線波形處理等技術(shù)，生成電力線路設(shè)備的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部控制器的自動(dòng)分類(lèi)和濾波，快速生成高程模型和數(shù)字表面模型，支撐后續(xù)的交叉跨越障礙物檢測(cè)、電力線路走廊三維可視化、電力線弧垂信息提取等研究。
定位定姿系統(tǒng)作為激光掃描空間位置姿態(tài)元素測(cè)量的基準(zhǔn)，對(duì)三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)的計(jì)算起著非常重要的作用，其測(cè)量誤差直接影響電力線路及相關(guān)設(shè)備點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。
本文綜合考慮精度、體積、質(zhì)量、成本等因素，采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS）的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，將具有高精度定位功能的GNSS接收機(jī)與穩(wěn)定的慣性測(cè)量單元（inertial measurement units, IMUs）進(jìn)行組合，可實(shí)時(shí)提供可靠、高精度的位置、速度、姿態(tài)等信息。在短期時(shí)間內(nèi)，即使導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)受遮擋或因故障不可用時(shí)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)仍可提供連續(xù)可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。組合導(dǎo)航精度見(jiàn)表1。
表1 組合導(dǎo)航精度
正射數(shù)碼相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)正射影像采集，為輔助點(diǎn)進(jìn)行電力線故障信息提取和定位提供高分辨率的基礎(chǔ)影像資料。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖5所示，三維激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字影像數(shù)據(jù)、定位模塊的位姿數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步采集，保存到樹(shù)莓派控制器中，通過(guò)無(wú)線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴挠?jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的融合計(jì)算處理，并實(shí)時(shí)構(gòu)建傳輸線路電氣設(shè)備的三維模型。
在三維模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力線、走廊地物、電塔及其他設(shè)備的特點(diǎn)，分析提取故障點(diǎn)的特征，并建立故障模型數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步的電力線路數(shù)據(jù)分析及深化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。后續(xù)，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)電力線路及相關(guān)設(shè)備的可視化及危險(xiǎn)點(diǎn)、故障點(diǎn)等檢測(cè)。
圖5 數(shù)據(jù)處理過(guò)程
4 樣機(jī)與測(cè)試本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作的巡檢機(jī)器人尺寸為1923mm× 720mm×968mm，總質(zhì)量≤30kg；定位精度：平面及高程＜10cm；運(yùn)動(dòng)速度精度：0.04m/s；掃描視場(chǎng)角為330°；遙控距離≥350m；相機(jī)像素：全畫(huà)幅5 060萬(wàn)。目前，已制作出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖6所示。傳感器與控制系統(tǒng)的精度滿足測(cè)試的需求。后續(xù)，將與當(dāng)?shù)氐碾娍圃郝?lián)合測(cè)試巡檢機(jī)器人，并在實(shí)際測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制算法等。
圖6 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)
5 結(jié)論本文分析了電力線路巡檢機(jī)器人的功能需求，設(shè)計(jì)并制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，具有如下優(yōu)勢(shì)：
1）采用輕量化的巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，具有自主爬塔功能，替代了現(xiàn)存的人工吊裝上下塔的方式，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)巡檢功能。
2）基于ROS的電氣控制系統(tǒng)，開(kāi)放性好，功能擴(kuò)展方便。
3）引入多源數(shù)據(jù)的自動(dòng)自標(biāo)定融合，極大地簡(jiǎn)化了后續(xù)數(shù)據(jù)處理流程，為電力線路準(zhǔn)實(shí)時(shí)全景重構(gòu)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理提供技術(shù)支撐。
本文編自2022年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“智能電力線路巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)施”，作者為錢(qián)丹楊、周衛(wèi)華 等，本課題得到2021年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃和臺(tái)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
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