Pagsasaliksik at Pagsusuri sa Teknolohiyang Pambatilya Batay sa Drone para sa Pagpapanumbalik ng mga Linyang Ultra-High-Voltage Transmission

Sa isang rehiyon, pagkatapos ng pamamahala sa ultra-high-voltage (UHV) transmission lines, ang mga sumusunod na isyu ay natuklasan: ang umiiral na mga drone ay kulang sa sapat na kakayahan upang matugunan ang kasalukuyang malawak at malaking pangangailangan sa pagsisiyasat at pamamahala ng UHV lines. Sa aktwal na operasyon, ang mga drone ay nagpapakita ng hindi sapat na endurance, limitadong kakayahan sa pagkuha ng imahe, at mahinang resistensya sa electromagnetic interference (EMI), na negatibong nakakaapekto sa epektividad ng pagsisiyasat at nagbabawas ng tiyak na pagkilala sa mga kaputanan ng UHV line.

Dahil sa napakataas na haba ng UHV transmission lines at ang impluwensiya ng lokal na kalikasan, ang mga drone na may mga detektor ay hindi maaaring lumipad nang mahabang panahon, na nagbabawas ng epektibidad ng pagsisiyasat. Sa binanggit na kaso, kahit ang mga oil-electric hybrid drones ay lamang nakamit ang tatlong oras na paglipad, kaya kinakailangan ng madalas na pagpalit ng bateria sa panahon ng pagsisiyasat. Bukod dito, ang kasalukuyang mga sistema ng pagsisiyasat batay sa drone ay kulang sa punong-puno na kakayahan—hindi ito sumusuporta sa multi-dimensional, multi-functional na kakayahan sa pagsisiyasat—na nagreresulta sa hindi sapat na epektibidad ng pagsisiyasat. Ito ay maaaring magdulot ng pagkaantala sa pagtukoy at pagproseso ng mga kaputanan o iba pang kaputanan, na direktang nakakaapekto sa normal na transmisyon ng kuryente.

Upang tugunan ang mga hamon na ito, ang aming kompanya ay gumawa ng bagong teknolohiya para sa pagsisiyasat ng UHV transmission line na may manipulator na nakapaloob sa drone. Ang solusyon na ito ay ginawa upang tugunan ang partikular na UHV infrastructure sa rehiyon at batay sa kasalukuyang performance ng drone sa pamamahala ng linya. Layunin nito na matugunan ang nabanggit na isyu habang tumutugon sa mga pangunahing pangangailangan: mababang power consumption, pinahabaang endurance, mababang gastos, mataas na payload capacity, at matibay na environmental perception.

1.Teknikal na Solusyon: Drone-Mounted Robotic Arm para sa Pagsisiyasat ng UHV Line
1.1 Konsepto ng disenyo
Ang mga kritikal na konsiderasyon para sa teknolohiyang ito ay kasama ang disenyo ng insulation, motion control ng robotic arm, at suporta ng subsystems. Mahalagang masiguro ang makatarungan na teknikal na disenyo upang epektibong matugunan ang umiiral na mga hamon sa pamamahala ng UHV at mapalampas ang mga botelya ng implementasyon.

Ang aming kompanya ay komprehensibong pinag-aralan ang mga pangangailangan sa insulation na inilaan ng kapaligiran ng pamamahala ng UHV para sa robotic arm. Batay dito, kumalkula tayo ng maximum na electric field strength at voltage variations na dinaranas ng braso, rotors, frame, at fuselage sa iba't ibang distansya mula sa live conductors. Pagkatapos, in disenyo namin ang mga target na performance tests upang magbigay ng impormasyon para sa susunod na refinements ng teknikal na solusyon.

Pumili tayo ng representatibong mga scenario ng pamamahala ng UHV upang tukuyin ang standard na operating procedures at safety protocols. Ang multi-degree-of-freedom na estruktura ng robotic arm ay na-optimize upang matukoy ang pinakakompatibleng drone–manipulator configuration. Dahil sa unikong operational na kapaligiran, ipinroponso rin namin ang pag-upgrade ng orihinal na image acquisition hardware at data transmission software/hardware sa case study upang palakasin ang real-time na kalidad ng imahe.

1.2 Mga Tindakan para sa Electromagnetic Interference (EMI)
Ang mga UHV lines sa kaso ay may mahabang span at crossings, na nagpapalikha ng komplikado at dynamic na electromagnetic environment. Ang malakas na electromagnetic fields sa paligid ng mga linya at matinding mga signal mula sa mga nearby communication base stations ay maaaring malubhang makapinsala sa communications ng drone–manipulator system. Bukod dito, ang long-distance data transmission sa panahon ng operasyon ng manipulator ay maaaring magdulot ng crosstalk, na nagpapabigla sa operational na seguridad.

Upang labanan ito, ang aming kompanya ay ipinroponso ang mga sumusunod na EMI shielding measures:

• Analisa ang potensyal na pinsala mula sa high-intensity electromagnetic fields malapit sa UHV lines sa internal circuitry ng drone.

• Mag-apply ng shielding treatments sa surface ng airframe, signal cables, at lahat ng housing seams.

• Uniformly spray a conductive coating of specified thickness onto the drone’s exterior to mitigate electromagnetic interference. For components unsuitable for coating, copper wire bonding is used to achieve equivalent shielding effectiveness.

1.3 Structural Design ng Robotic Arm
Tulad ng ipinakita sa Figure 1, ang robotic arm ay binubuo ng:
(1) Gripper; (2) Servo protection box; (3) Zero-value detector adapter; (4) High-voltage tester adapter; (5) Insulating rod; (6) Limiting rod; (7) Epoxy resin insulating layer; (8) Pitch-specific bearing sleeve; (9) Linkage rod; (10) Roll-specific bearing sleeve.

Kapag inisip ang mga pangangailangan sa insulation sa UHV environments, ang aming kompanya ay ipinroponso ang pag-install ng insulating bolts sa ilalim ng drone at landing gear. Isang steel frame ang kumokonekta sa ilalim ng insulating layer sa pitch-specific bearing sleeve, na nakafix sa labas ng metal bearing. Ang pitch servo motor ay nakainstalla sa kanan ng bearing, na nagpapatakbo ng pitch mechanism upang maaaring i-move pababa at pataas ang robotic arm.

Kapag inisip ang interference na dulot ng high-intensity electromagnetic fields sa espasyo sa paligid ng transmission lines, ang aming kompanya ay ipinroponso ang pag-install ng servo motor drive lines sa loob ng insulating rod at pag-equip ng servo ng dedicated insulated protective enclosure. Ito ay epektibong nag-i-isolate ng servo mula sa electromagnetic surges na dulot ng external high-voltage environment. Bukod dito, ang copper wire bonding ay in-apply sa gaps sa paligid ng servo upang makamit ang equipotential bonding, na nagbabawas ng panganib ng electromagnetic wave-induced breakdown sa internal circuitry ng servo.

2.Simulation Experiment ng Pagsisiyasat ng UHV Transmission Line Gamit ang Drone-Mounted Robotic Arm
2.1 Simulation Design
Batay sa maintenance records ng UHV transmission lines sa case study, ang mga sumusunod na structural parameters ang nakuha: ang kabuuang taas ng straight-line tower ay 3200 mm; ang large shed radius ay 2400 mm; ang medium shed radius ay 3200 mm; ang small shed radius ay 2700 mm; at ang conductor diameter ay 17.48 mm, tulad ng ipinakita sa Figure 2.

Sa eksperimentong simulasyon, ang sistema ng drone ay nagpili ng mga materyales na carbon fiber para sa mga propeller, frame, at fuselage upang mapabuti ang kanyang pangkalahatang pagganap.

Kasama ang pagtingin sa impluwensya ng nakapaligid na espasyal na elektrikong field sa mga operasyon ng pagmamanage ng drone para sa ultra-high-voltage (UHV) transmission lines, ang aming kompanya ay unang lumikha ng isang modelo ng simulasyon para sa inspeksyon ng sistema ng robotic arm na nakamit sa drone. Gamit ang finite element analysis, tinala namin ang tiyak na epekto ng elektrikong field sa paligid ng mga UHV lines sa mga operasyon ng pagmamanage ng drone. Bukod dito, pinag-aring namin ang pinakamataas na lakas ng elektrikong field at pagbabago ng voltage na dinaranas ng robotic arm, airframe, rotors, at fuselage sa iba't ibang distansya sa pagitan ng kaliwa side ng robotic arm at ang conductor. Ito ay nagbibigay-daan sa amin na asesahin kung mayroong potensyal na mga panganib sa seguridad sa mga gawain ng inspeksyon sa malapit na distansya.

2.2 Proseso ng Simulasyon
2.2.1 Pagganap ng Sistema ng Inspeksyon sa 0.84 m mula sa UHV Transmission Line
Nagsagawa ang aming kompanya ng mga eksperimentong simulasyon sa sistema ng inspeksyon ng robotic arm na nakamit sa drone upang mas lalong aralin ang kanyang estado ng operasyon at ang distribusyon ng espasyal na elektrikong field malapit sa conductor kapag nakalagay 0.84 m mula sa UHV transmission line.

Ang resulta ng simulasyon ay nagpapakita na, sa ilalim ng kondisyong ito, walang napansinin na masamang epekto ng elektrikong field sa kabuuang sistema ng inspeksyon. Gayunpaman, natuklasan namin ang kaunti lang na pagtaas ng lakas ng elektrikong field sa kaliwa side ng robotic arm. Sa pangkalahatan, kung ang lokal na lakas ng elektrikong field ay lumampas sa dielectric breakdown strength ng hangin (30 kV/cm), ang panganib ng pagkasira ng mga komponente ay tumataas, na siyang nangangahulugan ng pagbawas ng estabilidad at seguridad ng sistema.

Bukod dito, sa pamamagitan ng pag-aaral ng potensyal (voltage) distribution sa mga komponente ng sistema, natuklasan namin na habang tumataas ang distansya sa pagitan ng sistema ng inspeksyon na nakamit sa drone at ang UHV line, ang elektrikong potensyal ng lahat ng mga komponente ay bumababa nang proporsyonal. Batay sa mga pagbabago ng potensyal na ito, tinala namin ang antas ng voltage at ang pinakamataas na lakas ng elektrikong field na dinaranas ng bawat komponente sa kapaligiran ng pagmamanage.

Tulad ng ipinapakita sa Table 1, kapag ang sistema ng inspeksyon ay 0.84 m mula sa UHV line, ang robotic arm ay dinaraanan ng 3712 V/m na lakas ng elektrikong field at 2069 V na voltage. Ang paghahambing sa pagitan ng kaliwa at kanang rotors ay nagpapakita na ang kaliwang rotor ay patuloy na nagdaraan ng mas mataas na lakas ng elektrikong field at voltage kaysa sa kanang rotor. Ang lahat ng data ay nagpapakita na, sa ilalim ng 0.84 m na distansya ng operasyon, ang elektrikong field ay nananatiling naka-set sa mas mababa sa threshold ng pagkasira ng hangin, na walang panganib ng electrical discharge at nag-uugnay sa ligtas na operasyon ng sistema ng inspeksyon ng robotic arm na nakamit sa drone.

2.2.2 Pagganap ng Sistema ng Inspeksyon sa 0.34 m mula sa UHV Transmission Line
Nagsagawa rin ang aming kompanya ng mga eksperimentong simulasyon upang suriin ang estado ng operasyon ng sistema ng inspeksyon ng robotic arm na nakamit sa drone at ang distribusyon ng espasyal na elektrikong field malapit sa conductor kapag nakalagay lamang 0.34 m mula sa UHV transmission line.

Table 1: Pinakamataas na Lakas ng Elektrikong Field at Halaga ng Voltage na Tumutugon sa Bawat Komponente ng Sistema ng Inspeksyon ng Robotic Arm na Nakamit sa Drone

Nagpapakita ang mga resulta ng pag-simulate na, sa ilalim ng kondisyon ng pag-maintain ng layong ito, nag-iba ang distribusyon ng elektrikong field sa paligid ng transmission line sa kaliwang bahagi ng robotic arm. Dahil sa natatanging kapaligiran ng ultra-high-voltage (UHV) transmission lines, malaki ang posibilidad ng pag-occur ng arcing at surface flashover issues dahil sa mataas na elektrikong field.

Sa parehong oras, sa pamamagitan ng pagsusuri ng mga pagbabago ng potensyal ng iba't ibang komponente sa sistema, natuklasan na habang tumataas ang layo ng drone-mounted robotic arm inspection system mula sa UHV transmission line, ang elektrikong potensyal ng lahat ng komponente ay nagsisimulang bumaba nang proporsyonal.

Ayon sa datos sa Table 2, kapag nakalagay ang inspection system na 0.34 m ang layo mula sa UHV transmission line, ang pinakamataas na lakas ng elektrikong field na dinaranas ng anumang komponente sa sistema ay hindi lumalampas sa dielectric breakdown strength ng hangin. Kaya, inuugnay na walang panganib ng pag-breakdown sa panahon ng operasyon ng maintenance, na siyang nagse-secure ng seguridad at reliabilidad ng drone-mounted robotic arm inspection system sa praktikal na aplikasyon.

Table 2: Pinakamataas na Lakas ng Elektrikong Field at Voltage Values na Tumutugon sa Bawat Komponente ng Drone-Mounted Robotic Arm Inspection System

2.3 Mga Pagsusulit sa Kakayahan ng Anti-Pagkakaiba ng Drone-Mounted Robotic Arm sa Pagsasauli ng Transmission Line

Para sa pagsusulit sa kakayahan ng drone sa pagtanggol, ang mga kagamitan para sa pagsusulit ay kinabibilangan ng isang drone na may pintura na nagdudukal at multimeter. Ang pintura na nagdudukal ay pantay-pantay na ipinasya sa ibabaw ng drone na may kapal na hindi lumalampas sa 0.05 mm. Sa normal na kondisyon ng kapaligiran, inukit ang resistensya sa loob ng dalawang punto sa ibabaw ng drone; ang halaga na mas mababa sa 1 Ω ay nagsasaad na sumasabay ito sa tinukoy na pamantayan.

Pagsusulit sa distorsyon ng imahe: Kapag ginagamit ang teknolohiya ng drone-mounted robotic arm para sa inspeksyon ng linya, maaaring mangyari ang distorsyon ng imahe dahil sa mga katangian tulad ng inherent na akurasiya ng lens ng gimbal camera at kalidad ng proseso ng pag-ugnay. Ang distorsyon na ito ay nagdudulot ng pagkakaiba sa pagitan ng nakuhang imahe at tunay na tanaw, na maaaring mapahina ang kakayahang ma-identify ng mga tauhan sa pagsasauli ang mga kasalanan o defekto sa UHV transmission lines.

Upang tugunan ang isyu na ito, ang aming teknikal na koponan ay lumikha ng modelo ng koreksyon ng distorsyon ng imahe batay sa mga katangian ng distorsyon ng lens ng gimbal camera. Ang modelo na ito ay ipinapakita sa sumusunod na formula:

Sa formula:
x,y ay ang orihinal na koordinado ng isang tangential distortion point sa imaging system;
x′,y′ ay ang bagong koordinado ng punto pagkatapos ng koreksyon ng distorsyon;
p1,p2 ay ang tangential distortion parameters;
r ay ang radial distance mula sa sentro ng imahe.

Ang distorsyon ng lens ng camera ay pangunahing nahahati sa dalawang uri: tangential at radial distorsyon. Ang tangential distorsyon ay pangunahing nangyayari dahil ang mga elemento ng lens at ang plane ng imahe ng camera ay hindi perpektong parallel. Ang radial distorsyon, naman, ay nangyayari dahil ang mga sinag ng liwanag ay lumiliko nang mas malaki sa mga posisyon na mas malayo mula sa optical center ng lens, na nagreresulta sa distorsyon na nababahagi sa direksyon ng radius ng lens. Ang radial distorsyon ay maaaring ipakita sa sumusunod na formula:

Sa formula:
x,y ay ang orihinal na koordinado ng isang radially distorted point sa imaging system;
x′,y′ ay ang bagong koordinado ng punto pagkatapos ng koreksyon ng distorsyon;
k1,k2,k3 ay ang radial distortion parameters;
r ay ang radial distance mula sa sentro ng imahe.

Sa batayan na ito, ang aming kompanya ay nagpopropona ng paggamit ng pamamaraan ni Zhang upang matukoy ang mga komponente ng radial distorsyon na may pinakamalaking epekto sa pagbuo ng imahe, at muling i-construct ang mga parameter ng modelo. Ito ay nagbibigay-daan sa mutual na mapping ng coordinates ng object sa inilalarawan na world coordinate system at pixel coordinates sa image plane, na siyang nagtatapos sa calibration ng gimbal camera. Ang pamamaraang ito ay epektibong binabawasan ang epekto ng toleransiya sa paggawa ng lens at proseso ng pag-ugnay sa akurasiya ng imahe, pinapataas ang klaridad ng imahe, at sinisiguro na ang high-definition images ng ultra-high-voltage (UHV) transmission lines ay ina-transmit pabalik sa sistema nang walang pagkaantala. Ito ay nagbibigay ng maasahan na visual data para sa mga tauhan sa pagsasauli upang ma-accurately assess kung may mga kasalanan o defekto sa mga linya.

Sa kabuuan, ang teknolohiya ng inspeksyon ng drone-mounted robotic arm na inipon sa paper na ito ay sumasabay sa kasalukuyang mga pangangailangan sa pagsasauli ng UHV transmission line para sa mababang pagkonsumo ng lakas, mahabang tagal, mababang gastos, mataas na kapasidad ng load, at malakas na environmental perception. Ito ay nalalampasan ang mga pangunahing teknikal na bottleneck sa pagpalit ng tradisyonal na manual inspection methods gamit ang mga drone, itinaas ang pangkalahatang antas ng operasyon sa pagsasauli, at pinapatatag ang seguridad at reliabilidad ng power transmission at supply.