陆空两栖变电站巡检机器人

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[摘 要]高压输电线路的日常维护，一直是令电力工人头疼的问题，利用巡线机器人或其他可以代替人力的设备进行输电线路的维护是研究的重要方向。本文介绍了一种新型的两栖机器人进行线路巡检的设想，其采用四轴飞行器为主干，在变电站主控室通过下达不同指令调整运行状态，可以进行空中飞行巡检和陆地巡检两种模式的切换，我们设计的巡检机器人不仅仅是飞行器和小车的简单叠加，而是将其合二为一，四旋翼的桨叶既可以提供升力进行飞行，又可以在变形之后，充当轮子使用。如果该两栖机器人能够投入市场，会大大减轻劳动强度，且能提高工作效率，具有广阔的市场前景。

[关键词]两栖机器人 变电站 巡检高压输电线路

中图分类号：F125 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0300-01

一、项目研究背景

现行高压输电线路的运行维护管理模式和常规作业方式，不仅劳动强度大、工作条件艰苦，而且劳动效率低，特别是在遇到电网紧急故障和异常气候条件下，线路维护人员要依靠地面交通工具或徒步行走、利用普通仪器或肉眼来巡查设施、处理设备缺陷。随着我国国民经济的持续快速发展，这种方式已经不能完全适应现代化电网建设与发展的需求。超、特高压电网急需先进、科学、高效的电力巡线方式。采用无人机进行常规输电线路巡查，可降低劳动强度、提高工作效率。变电站是整个电网的核心，它起着调度电力供应的重要作用。因此，保证变电站设备正常运行至关重要。另外，随着变电站自动化水平的提高以及无人值守的普及，设备运行的安全性受到更加严格的考验，变电站巡检受到了更大的重视。传统的巡视已经满足不了现代化变电站发展的要求，机器人代替人工巡视将是未来的主要发展方向。

二、项目原理

无人机行业是集多种学科，多种领域于一身的新型高科技行业。对于跨度极大的输电走廊及多山地带的电力线路的检修和巡线，四轴飞行器有着得天独厚的优势，尤其是在恶劣天气下，无人四轴可以对灾害高发地带进行重点监测，并时时传回现场数据。同时小型的无人四轴飞行器还可以应用于核电站等高危场所的安检排查工作，而在复杂地形下有足够升力的无人机可以为电力线路的架设提供极大方便。另外在无线输电技术成熟之后，四轴飞行器与无线输电技术的结合将彻底解决无人机的动力供应问题。考虑到要让无人四轴具有更好的适应性，我们设计的飞行器不仅仅是飞行器和小车的简单叠加，而是将其合二为一，四旋翼的桨叶既可以提供升力进行飞行，又可以在变形之后，充当轮子使用。

不同的行业，对无人机的需求有很大的差别。执行不同的任务，对其载荷，续航能力，起降方式，动力系统等都有不同的要求，目前市场上的飞行器都以通用型为主，但是其通用性的程度都不够高，不能胜任足够多的工作，如果对每一项应用都研发特定的一个飞行器或陆地多功能车，研发成本高，且完全没有必要。不仅如此，如果单一的用飞行器，会受限于诸多方面，载荷、巡航时间等都远不能使人满意，陆地车辆又不能通过一个复杂的障碍。我们设计这款能变形的两栖应用平台，恰恰是瞄准了这一问题，本着模块化，可移植性，多功能的目标，可以实现不同模式的快速灵活切换，既可以在飞行又可以在草地、楼道等地方行驶。我们的平台能够像04式步战车一样，在同一底盘的基础上，衍生出一个庞大家族进一步提高通用性，多功能性。

三、项目方案简介

我们设计的该两栖机器人，其采用四轴飞行器为主干，在变电站主控室通过下达不同指令调整运行状态，可以进行空中飞行巡检和陆地巡检两种模式的切换，我们设计的巡检机器人不仅仅是飞行器和小车的简单叠加，而是将其合二为一，四旋翼的桨叶既可以提供升力进行飞行，又可以在变形之后，充当轮子使用。

1、工作部分简介如下

A）空中部分巡检：机器人搭载云台及检测设备、飞控无线传输系统、图像无线传输系统、GPS导航系统、机载传感器等。地面站由飞控地面站、检测系统后台两部分组成，飞控地面站包括飞控软件和飞控无线通讯系统，负责控制飞机的飞行动作，检测系统后台主要由检测软件、数据库和无线图传系统组成，负责可见光和红外视频的展示、图像处理、云台控制等功能。在导线的侧方或侧上方，按事先设定的路径和速度沿输电线路飞行，对杆塔的损坏、变形、被盗、绝缘子的破损和污秽、线夹松脱、销钉脱落、异物悬挂、导线断股、接头接触不良、局部热点等故障进行检查，并将实时的可见光视频与红外视频展示到后台软件，为巡检人员提供事故隐患的相关数据。

B）陆地部分巡检：地面巡检系统为网络分布式架构，整体分为三层，分别为基站层、通讯层和终端层。基站层由机器人后台、硬盘录像机、硬件防火墙及智能控制与分析软件系统组成；通讯层由网络交换机、无线网桥等设备组成，负责建立基站层与智能终端层的网络通道；终端层包括智能巡检机器人、充电室和固定监测点等。系统支持集控模式，可通过集控中心对多个变电站的智能机器人巡检系统实现远程监控。该机器人系统可以携带红外热像仪、可见光CCD等有关的电站设备检测装置，以自主和遥控的方式，代替人对室外高压设备进行巡测，以便及时发现电力设备的内部热缺陷、外部机械或电气问题如：异物、损伤、发热、漏油等等，给运行人员提供诊断电力设备运行中的事故隐患和故障先兆的有关数据。该机器人系统应可以部分地代替人在合适的时间进行巡视检查工作，并且能生成报表，如机器人可以在值班人员不便于巡视的时间或恶劣天气情况，在不要监控人员的参与下按照固定的路线进行巡检，并且能自动返回出发地点。

2.机械部分的设计

本设计机械部分采用的陆空两栖机构能够随时进行变形与工作方式的转换，可以不受地形环境限制，根据远程控制指令快速执行动作，能满足各种复杂环境的监测需要，如高山、峡谷、河流等等。机器人主体由动力部分、主体、控制、通信4部分组合而成。通信部分同时采用远程、近程2种通信模式，可以根据具体情况来选择较适合的控制通信方式。机械部分由一个可以随时变换的平台组成，四旋翼。控制部分以单片机为智能控制核心，配以控制系统经纬坐标的GPS和控制方位感的数字罗盘，可使其在复杂环境下准确判别位置和方向，并能正确无误地确定地点，完成探测任务。系统配备的2.4G无线图像声音传输模块和超声波测距可协助单片机完成陆地上机器人的运动和陆空两栖之间的选择判断。控制采集方式同时兼顾了近程与远程，远程控制采集选择了短信控制与DTMF控制2种方式；通信部分根据监测范围选用了nRF905无线数传模块作为短距离的监测控制方式，远程控制则是基于GSM网络的传输，选用以TC35i为核心的GSM模块配以ATMEGA16组成一个控制系统。RS232的串口设计可实现计算机与控制板的通信并进行功能调试。

四、项目意义

该项目作品为电力巡检与搭建综合载体，基于此载体，我们可以增加不同的模块选项，在电力系统中实现不同的功能。如变电站巡检，荒僻山区电力线搭建，以及雨雪危险环境下的代人工作与看护。这种模块化设计，既有利于实现多种功能，把该机器人作为一个工作平台，适用于多种工作环境，又可以减轻重量，减小成本。该机器人还具有很高的智能化，其可以方便地进行远程操作。四旋翼与遥控智能车合为一体，可以在多种工况下工作，有很广的应用场所。该产品量产后成本会进一步减小，并且我国对该类巡线检修机器人需求很大，所以，其具有很高的经济效益和广阔的市场前景。

参考文献

[1] 《采用陆空两栖搭载平台的环境监测系统设计》，李红安杜佳佳楚明岩，ISSN 1671-0797，2011，期33，pp.157-158.

[2] 《驰骋蓝天》，ISSN 1674-1447，2010，期 8，p.16.