架空输电线路巡检机器人关键技术研究

It is efficient and Low labor intensity to inspect the high voltage power transmission lines with inspection robot. But the lack of abilities for obstacle crossing, line environment perception and defect detection restricts the application and promotion of the inspection robot. This proposal aims at extensive research on the above key technologies, on the basis of integrative utilization of multiple theories and disciplines such as bionics, robotics, machine vision, and machine learning. Firstly, we will research the amphibious locomotion mechanism of the hybrid inspection robot and design the suitable mechanical structure for the power line environment. Secondly, we work on the real time perception of dynamic flexible line environment with the combined information of rotated 2D lidar and camera. And we will implement the autonomous locomotion of the robot with the research of real time motion planning based on the principle of minimum energy consumption. Thirdly, using machine learning and deep learning theories, and based on expert experience and learning and reasoning, we will implement the autonomous defect detection under complex background. At last, the effectiveness and applicability of the proposed robot prototype and methods will be verified by laboratory simulation and power simulation environment experiments. The implementation of this proposal can break through the bottleneck of the key technologies of autonomous inspection for power transmission lines, and lay a solid foundation for the practical application of the inspection robot and the development of the intelligent grid.

输电线路巡检机器人可提高线路巡检效率、降低劳动强度，而目前巡检机器人在跨越线上障碍、线路环境感知、缺陷自主检测方面的不足制约了其应用和推广。本项目综合仿生学、机器人学、机器视觉、机器学习等学科理论和方法，针对当前巡检机器人存在的上述关键问题开展深入研究。首先基于仿生学原理进行混合式机器人“两栖式”运动机理研究，设计出适应电力线路环境的新型机构；其次结合旋转式2D激光雷达和视觉信息，进行动态柔性线路环境的实时感知，并基于最小能耗原则进行机器人实时运动规划，实现机器人自主导航；然后基于专家经验和学习推理，利用机器学习和深度学习框架，通过高低分辨率图像处理，实现复杂背景下线路缺陷的自主检测；最后通过实验室模拟和电力仿真环境实验，验证所提机理和方法的有效性和适应性。通过本项目的实施，突破制约输电线路自主巡检的关键技术瓶颈，为巡检机器人的实用化和电网的智能化奠定坚实基础。

目前的架空输电线路巡检手段在巡检精度、速度、续航能力、防护能力及自主性方面均存在不足之处，亟需一种新型巡检方式和智能化巡检技术，提升架空线路巡检智能化水平。.本项目基于仿生学原理，研制了具有飞行、爬行混合结构的巡检机器人，通过飞、爬结合的方式实现对线路、杆塔、走廊的巡检：在档间利用线上爬行的方式进行巡检；遇到杆塔、防震锤等障碍，通过飞行的方式跨越；通过视觉、激光雷达等传感器，结合环境感知、自主导航等算法进一步提升机器人的自主性。.在机构设计方面，有机融合无人机、攀爬式巡检机器人结构，设计了飞爬结合运动机构，并通过仿真计算、机构优化将机器人整体重心合理布置，确保机器人运动过程中的稳定。爬行机构同时设有抱线装置，在遇到剧烈扰动、爬坡等情况时，通过自动抱线提升运动稳定性和抗干扰能力。.在自主性方面，基于多传感信息融合技术，对机器人环境感知、定位、运动规划与导航等进行了深入研究：基于GAN网络，实现了线路典型目标的多尺度快速发现及环境精确感知；基于改进的扩展卡尔曼滤波方法，通过Lidar+IMU数据融合实现机器人的高精定位和稳定控制；基于模仿学习方法，进行了机器人全线路运动轨迹规划，有效降低功耗，提升续航能力。.在目标识别与缺陷检测方面，进行了基于轻量级平行分支的实时导线位姿检测，实现了对输电导线的实时检测；基于条件生成对抗网络，进行了复杂电力环境下的绝缘子分割，具备高准确率和高速度的特点；基于多尺度特征融合的神经网路框架，实现了架空线环境下的小目标绝缘子及其缺陷检测。.通过本项目，完成了两代两栖式巡检机器人样机的研发，并基本形成了结合飞、爬两栖运动的巡检机器人、地面控制站、巡检数据存储与缺陷自动检测平台为一体的架空输电线路巡检系统样机。在模拟线路上进行了起飞、落线、巡检实验，结果表明所提出的巡检方式、巡检结构、控制方法均能够很好的满足架空输电线路精细化巡检要求。.该项目成果已成功产业化并与国家电网签订采购合同。