中图分类号：TM932

0简介

我国电力输送主要依赖以铁塔为主的地上输电线路。线路约占全国总线路90%。根据大城市发展的经验来看，地下管廊输电是世界潮流。英国伦敦、德国汉堡等城市的地下供电系统占比超过95%。日本东京地下供电总里程占比85%以上，甚至500千伏输电线路也可布设于地下管廊。我国大城市城市在地下管廊输电方面也进行了尝试。2006年我国上海市，建设长达17000米的电力电缆沟道为世博会供电，在使用中实现了较好的社会效益。

我国目前是电力沟道发展初期，对沟道采用人工方式进行检查。在常规巡视中，电缆运行状况通常无法发现的问题包括是否存在危险源、腐蚀、破损、绝缘性能下降等。同时沟道环境存在湿度大、有积水且伴生有害气体等问题，对电力巡检人员造成人身安全威胁，给巡检工作带来巨大困难。此外，人工巡检频率低、间隔大，责任单位无法实时掌握巡视期间所有问题，无法对电缆运行的历史数据进行实时收集、整理与分析。因此想要准确掌握设备运行状况，急需一款用于电力沟道的巡检机器人。

1巡检机器人功能分析

1.1人工巡检时效低问题

通过对人工巡检工作，从不同视角进行观察，可以总结出如下问题（见表1）。

表1 人工巡检问题汇总表

因此，采取机器人巡检，可以解决大量的人工重复性工作，数据存档便利，4公里的工作量可在4小时完成，数据更具客观性与准确性，站点实现无人值守，避免了环境中不安全因素对人的影响。

1.2沟道环境中运动适应性问题

地下沟道常规宽度1.5m，高度2.3m，中心通道宽0.8m左右。为了防止漏水等环境问题，在沟道地面还设置有格栅排水设施。除了直线运行以外，还有转弯与坡道升降问题。

由于通道宽度限制，该机器人设计宽度280mm，长度410mm。满足中心通道运行，并能通过90°弯角。由于沟道地面存在格栅排水设施，无法采用地面轮式或履带式机器人运行方式，必须在通道中央采取悬轨式机器人运行方式。整体轨道采取直线工字型轨道配合90°弯角工字轨道组合使用，由于管廊中铺设为主线电缆，转弯半径均大于90°的钝角，利用90°弯角工字轨切割组合来形成所需转弯角度。

图1地下管廊现场环境图

1.3机器人运行中精确定位问题

作为一种巡检机器人，要求每次巡检走过的路径误差不能过大，应当保持匀速运行，且能对距离进行误差校正。因此采用步进电机来提供动力，通过给定脉冲数来测算运行距离，每200米一个测量段，防止误差积累。同时配合图形信标，在运行图像中，进行标识识别，进一步减少误差。

2 巡检机器人技术方案

根据以上对于巡检中问题的分析和总结，将巡检机器人的设计分为五大系统。包括信息系统、运动系统、核心监测系统、辅助监测系统、电源系统。以下对核心的运动系统设计、核心监测系统设计及精准定位方法进行介绍。

图2 巡检机器人系统架构图

图3电力沟道机器人方案图

2.1 运动系统设计

主驱动机构为一部带减速器步进电机，采取双出轴动力输出，同步带动力换向方式实现前进后退运动。2个尼龙驱动轮、2个尼龙支撑轮承载机器人全重，悬挂于工字型轨道下缘。4个弹簧顶紧转向轮，以运动支架为基础，抵紧工字型轨道外缘，跟随轨道弧度实现弹簧伸展压缩，完成机器人本体转向运动。

主驱动机构的构架以机器人主体底板为基础。上方预留导槽，满足轮系组件分别从左右两侧插入，至中间部分的定位钩处，外侧用螺钉限位锁止。下方留有安装柱，满足步进电机组件与底板的组装，居中布局，左右对称。步进电机组件上的同步轮与轮系组件的同步轮，用同步带进行连接，满足动力的传输。

轮系组件上的驱动轮组件，要满足内外侧受力平衡，因此采取双轴承结构，保证整体受力的合理性。

轮系组件上的导向轮组件，由导向管的安装座、伸缩杆、与压缩弹簧、尼龙导向轮构成。直线运行时，底板上四个导向轮组件均匀受力，使得直线运行状态平稳。过弯运行时，弯道内侧的导向轮继续压缩，弯道外侧的导向轮则逐渐拉伸，但均与轨道外沿紧密贴合。使得过弯运行状态平稳。

图4 主驱动机构示意图

升降机构为2个电机驱动二节制伸缩杆、采集平台安装底板、距离检测电路组成。实现对于机器人下部采集平台的高度控制。伸缩杆长度可以根据具体使用环境进行长度定制40cm-150cm。环境辅助监测单元因为配置不同、且无方向性要求，可以直接安装于采集平台之上。

采集平台旋转与俯仰合并设计成一体化装置，作为核心检测系统的安装基础。旋转角度达到0-350°，俯仰角度达到±35°。

运动控制板与中央信息处理单元双向通信，并对所有驱动电机进行控制。

图5 升降机构与采集平台示意图

2.2核心功能检测系统

核心检测系统包括热成像检测单元、可见光监控单元、局部放电传感器。其中热成像与可见光单元为一组配合使用。如需检测局部放电特性时，换装局部放电传感器。

热成像检测单元选择高精度电动热成像模组，分辨率达到381*288，NETD≤60mk,测温范围-20℃-150℃；100℃-350℃，测温精度±2℃。可见光监控单元，选择1200万像素工业面阵相机，分辨率达到4024*3036，自动变焦、自动补光。

热成像技术作为一种非接触式检测手段，依托红外辐射传感原理，在保障电力系统持续供电的前提下，通过远程采集设备表面温度场分布数据，构建可视化热力图谱，实现设备运行状态的动态监控。行业数据显示，电力系统超过60%的故障源于设备异常发热。该技术通过精准解析热辐射特征值，可有效识别接点氧化、绝缘劣化、载流异常等内外缺陷，其空间分辨率达到厘米级定位精度。相较于传统接触式检测方法，该技术将设备维护模式由事后应急抢修升级为事前主动防控。运维人员可提前发现隐性缺陷，使设备可用率提升18%以上，年平均停电时长缩减42%。这种基于热力学特征的诊断体系，为构建智能化电网监测网络提供了可靠的技术支撑。

本系统对于热成像故障识别及定位的工作流程详见图6。

图6 热成像故障识别及定位流程图

局部放电监测装置采用超声波与暂态对地电波复合检测技术实现故障诊断。该方案通过超声传感单元接收电力设备外泄的振动信号，构建非接触式检测模式，该特性既可规避磁场干扰风险，亦具备优秀的环境噪音抑制作用。关联的对地电压监测系统采用差分电容耦合技术，针对微秒级瞬态脉冲信号实施高频带（1-15MHz）降噪处理及增益放大，双重检测体系协同工作形成复合判据，在完整保留信号特征的同时显著提升信噪比。

2.3 精准定位方法

2.3.1二次分步定位方法

本系统采用二次分步定位方法，基于闭环控制架构进行优化设计，通过移除前馈补偿模块并增设两级位置反馈单元，构建由粗定位环与精定位环组成的复合控制结构。该方案采用分段递进式定位策略，首先依托粗位反馈回路完成大范围运动轨迹规划，随后通过精位反馈回路对末端执行器进行亚毫米级微调校正。此方法可同步抑制步进电机失步偏差、运动累积误差及机械传动间隙误差等干扰因素，显著提升长行程运动系统的动态响应特性与稳态定位精度。

在传统闭环位置控制系统中引入双反馈协同机制，可显著提升运动控制精度与动态响应性能。本方案采用分层检测架构，首先通过末端位置传感器建立粗定位反馈环，在高速运动阶段实时采集执行机构末端位移数据，形成首次定位基准。该粗定位信息通过总线协议传输至驱动控制器，作为前馈补偿参数参与控制算法运算，实现宏观运动轨迹的动态修正。与此同时，在驱动执行单元内部构建精定位反馈子系统，采用高分辨率编码器对传动机构进行精确位移量测。该精密反馈数据与粗定位信息形成互补校正，在末端定位阶段启动二次闭环控制，通过PID参数实时调谐和反向间隙补偿算法，有效抑制传动误差与机械谐振，最终实现高精度精度定位。

图7 二次分步定位控制系统框图

2.3.2射频识别定位

对于地下的电力沟道中运行的机器人而言，无法接收室外卫星定位信号。而常用的室内定位技术包括WiFi定位、RFID定位、Bluetooth定位、ZigBee定位、可见光定位。其中射频识别（RFID）俗称电子标签。是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可以适用各种恶劣环境。本系统采用相位差分定位技术路线，利用射频载波相位差变化计算位移，配合多频率传输消除相位模糊，理论上可实现厘米级精度，但对读写器时钟同步要求严苛。

2.3.3系统融合定位

本系统采用步进电机二次分步定位与RFID技术相结合的混合定位方案。步进电机定位作为主动控制手段，通过执行机构运动过程实现精确定位；RFID定位则作为环境感知手段，通过被动响应环境变化获取位置信息。两种技术基于不同物理原理独立运行，在工程实践中形成双冗余保障机制。其协同优势体现在：在长距离运动场景下，当单一定位数据出现异常波动时，可通过另一系统的实时数据进行交叉验证与误差校准，既保持了系统运行的持续稳定性，又有效避免了定位信息失准风险。这种互补式架构显著提升了整体系统的鲁棒性与容错能力。

3总结

本系统设计的实现，为电力沟道中设备热故障检测提供了专用设备，满足运行位置高精度定位要求，解决了热成像图像与可见光图像匹配故障识别问题。实现整机无人操作、自动运行、自动充电、自动故障识别、自动故障点定位。在可能出现安全隐患的特殊环境中，代替了人工线路巡检，并提高了工作效率、数据客观性、数据准确性，为电力设备智能化提供了新的选择。

基金支持：国网陕西省电力有限公司2024年第一批本部管理研究开发项目（5226YL240006）。

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作者简介：杨程普（1995.10-），男，汉族，陕西人，工程师，本科，主要从事高压电缆运检管理及生产信息化管理。