电塔机器人巡检功能系统设计

第一章 引言

电塔作为电力传输网络的核心支撑结构，其安全运行直接关系到电网的稳定性和可靠性。当前电塔巡检工作仍以人工为主导模式，面临诸多现实困境与技术挑战。人工巡检需在复杂地理环境与极端气候条件下开展，作业人员需攀爬至数十米乃至百米高度，不仅存在高空坠落、触电等重大安全隐患，且巡检效率受限于人员体力与主观判断能力。在地形崎岖或恶劣天气条件下，巡检周期被迫延长，关键设备状态的实时监测难以实现。尽管部分技术尝试通过网络摄像头构建施工期监控系统，能够有效提升信息传输与风险管控能力，但此类设备的应用场景主要集中在建设阶段，无法满足长期、动态的运维需求。

第二章 电塔机器人巡检功能系统概述

2.1 系统总体架构设计

电塔机器人巡检功能系统的总体架构设计以硬件与软件协同优化为核心，构建了包含多模块的智能化巡检体系。硬件系统由机器人主体结构、感知单元、执行机构及能源管理系统构成，其中主体结构采用轻量化复合材料框架，通过模块化设计实现负载与运动功能的扩展性 [23]。感知单元集成多类型传感器网络，包括高精度视觉传感器、红外热成像仪和激光雷达，形成多模态数据采集系统，能够实时获取电塔设备的温度分布、绝缘子破损状态及塔体结构形变等关键指标。控制系统采用嵌入式处理器与边缘计算单元的混合架构，通过Intel J1900 平台实现对运动机构的精准控制，并支持有线 / 无线双模式数据传输，确保在复杂电磁环境下的稳定通信。

2.2 巡检功能需求分析

电塔机器人巡检功能系统作为保障输电线路安全运行的关键技术装备，其核心需求分析需紧密结合实际巡检场景中的技术挑战与功能要求。在自主导航方面，系统需通过高精度定位与路径规划技术实现对复杂地形下电塔位置的精准识别与定位。针对输电线路路径长、环境多变的特点，并联缆索驱动结构因具备可扩展性强、适应复杂地形等优势成为主流方案之一，但其位置误差问题可通过张力测量补偿技术进行动态修正，从而提升移动平台导航的准确性。针对越障能力不足与效率低下的问题，新型四臂协同式机械结构通过两组行走臂的协调动作，配合矩形框架支撑结构，可显著提升跨越应变塔等障碍物的能力，有效解决传统机器人因结构刚性不足导致的越障效率瓶颈。

第三章 机器人硬件平台设计

3.1 机器人主体结构设计

电塔机器人主体结构设计作为系统功能实现的核心载体，需综合考虑机械强度、运动性能及环境适应性要求。在行走机构设计中，基于电塔周边复杂地形特征，采用模块化履带式底盘与轮式底盘的复合结构方案。履带组件选用高耐磨橡胶材质，并通过仿生学原理设计菱形波浪形纹路，以提升在松软泥土、碎石路面及冰雪覆盖环境中的附着力。底盘框架采用航空级铝合金型材构建，通过有限元分析优化截面形状与壁厚参数，在保证抗冲击性能的同时实现轻量化目标。驱动系统配置双电机差速转向机构，配合编码器实时反馈的位置数据，确保在坡度超过30^∘ 的陡峭地形中保持稳定行进姿态。为应对强风环境，底盘增设可调节配重块与四点式平衡检测模块，通过压力传感器阵列动态调整重心位置，使机器人在风速达 20m/s 条件下仍能保持稳定作业。

3.2 传感器与控制系统设计

电塔机器人硬件平台的传感器与控制系统设计是实现其环境感知与自主作业功能的核心技术模块。为适应复杂电塔结构及户外多变环境，传感器系统需集成多模态感知设备以满足差异化巡检需求。视觉传感器方面，采用高分辨率可见光摄像头与热成像红外传感器的双通道配置方案。可见光摄像头通过 2000 万像素 CMOS 传感器与大光圈镜头组合，可获取电塔设备表面的细微裂纹、锈蚀及标识信息，配合可变焦云台实现 30 倍光学变焦与 -90^∘ ～90^∘ 俯仰角度调节，满足不同高度设备的观测需求。

第四章 巡检功能模块设计与实现

图像识别模块作为电塔机器人巡检系统的核心感知单元，承担着环境感知与缺陷识别的双重功能，其设计需兼顾环境适应性、算法精度及实时性。本模块采用多传感器融合架构，通过搭载可见光、红外及激光雷达等多光谱成像设备，构建电塔结构及周边环境的立体化观测网络。其中，可见光摄像头采用工业级高速相机，具备4K分辨率与宽动态范围，可适应强光、阴影等复杂光照条件；红外热像仪则用于检测设备热缺陷，其测温精度可达 ±2% ，有效覆盖导线连接点、绝缘子等关键区域的温度异常监测。图像采集系统通过同步控制模块实现多模态数据的时间对齐，为后续融合分析提供时空一致性保障。

第五章 巡检系统测试与优化

为系统性验证电塔机器人巡检功能的综合性能，本研究设计了包含环境构建、指标体系和测试方法的完整测试方案。测试环境通过物理模拟与数字建模相结合的方式构建，以保证实验条件与实际工况的高度契合。在物理环境搭建中，采用钢制桁架结构复刻典型输电塔体结构特征，包括横担间距、塔材截面尺寸及节点构造等关键参数，并设置模拟导线、绝缘子串及典型缺陷样件。同时，通过可控气候箱与风扇系统实现风速、温湿度及雨雾等环境参数的动态调节，其中风速范围覆盖0-15m/s ，相对湿度控制区间为 20%-95% ，模拟雨量强度可达 5-10mm/ h 。数字环境则基于 ROS 机器人操作系统搭建仿真平台，集成激光雷达点云数据、视觉图像及运动控制信号的实时交互模块，通过 MATLAB/Simulink 进行多传感器数据融合算法的虚拟验证。

第六章 结论与展望

未来，电塔机器人巡检功能系统的优化与拓展将聚焦于智能化升级、硬件可靠性提升、应用场景延伸及安全保障强化四大方向。在智能化层面，人工智能技术的深度融入将成为核心驱动力。通过引入深度学习算法与计算机视觉技术，系统可实现对电塔缺陷的高精度识别，例如绝缘子破损、导线断股等典型故障的检测准确率有望进一步提升。同时，结合多传感器融合与强化学习策略，机器人在复杂地形中的自主导航能力将得到增强，其避障路径规划可实时响应环境变化，减少对预设地图的依赖。此外，边缘计算技术的整合将缩短决策延迟，使机器人能够更快响应突发状况，从而提升巡检效率与可靠性。

参考文献

[1] 周翔 自旋转式红外扫描的高压电塔状态巡检系统的研制 现代电子技术 2018 10.16652/j.issn.1004-373x.2018.14.025

[2] Siguo Zheng;S Zheng Application of the Webcam for High Voltage Transmission Towers Constructing and Building 201210.1007/978-3-642-35211-9_75

[3] 刘宏胜 混合ACA-SA 算法的无人机巡检电塔路径优化方法 自动化与仪器仪表 2024

[4] 祝文姬 无人机输电杆塔作业空间视点规划方法 2023

作者简介：郝越邦（1982—02），男，汉族，辽宁沈阳人，硕士，高级工程师，从事电气自动化技术方向理论研究

基金项目：2023 年度辽宁省教育厅基本科研项目（JYTMS20231139）