Pagsasaliksik at Pagsusuri sa Teknolohiyang Pamalitan Batay sa Drone para sa Pagpapanumbalik ng Ultra-High-Voltage Transmission Line

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 ekstensibong pangangailangan sa inspeksyon 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 resistensiya sa electromagnetic interference (EMI), na negatibong nakaapekto sa epektividad ng inspeksyon at nagpapahinto sa tumpak na pag-identify ng mga kapinsalaan sa UHV lines.

Dahil sa mahabang haba ng UHV transmission lines at ang impluwensya ng lokal na natural na kapaligiran, ang mga drone na may mga detektor ay hindi maaaring magpatuloy sa matagal na paglipad, na nagbabawas ng epektividad ng inspeksyon. Sa binanggit na kaso, kahit ang mga oil-electric hybrid drones ay nakamit lang ang isang kurso ng higit sa 3 oras, na nangangailangan ng madalas na palitan ng baterya sa panahon ng inspeksyon. Bukod dito, ang kasalukuyang mga sistema ng inspeksyon na batay sa drone ay kulang sa kompletong pagganap—hindi ito sumusuporta sa multi-dimensional, multi-functional inspeksyon capabilities—na nagreresulta sa hindi sapat na epektividad ng inspeksyon. Ito ay maaaring ipagpaliban ang pagtuklas at pagproseso ng mga kapinsalaan o iba pang kaputian, na direktang nakakaapekto sa normal na transmisyon ng kuryente.

Upang tugunan ang mga hamon na ito, ang aming kompanya ay lumikha ng bagong teknolohiya para sa inspeksyon ng UHV transmission line na naglalaman ng robotic manipulator na nakapaloob sa drone. Ang solusyon na ito ay ginawa para sa partikular na UHV infrastructure sa rehiyon at batay sa kasalukuyang performance ng aplikasyon ng drone sa pamamahala ng linya. Layunin nito na matugunan ang nabanggit na isyu habang sinusunod ang mga pangunahing pangangailangan: mababang power consumption, extended endurance, mababang gastos, mataas na payload capacity, at malakas na environmental perception.

1.Teknikal na Solusyon: Drone-Mounted Robotic Arm para sa Pamamahala ng UHV Line
1.1 Konsepto ng disenyo
Ang mga pangunahing konsiderasyon para sa teknolohiyang ito ay ang disenyo ng insulation, motion control ng robotic arm, at suportado ng mga subsystem. Mahalaga ang masusing teknikal na disenyo upang makatugon sa umiiral na mga hamon sa pamamahala ng UHV at mapagtagumpayan ang mga botelya ng implementasyon.

Ang aming kompanya ay komprehensibong pinuri ang mga pangangailangan sa insulation na idinidiktado ng kapaligirang pamamahala ng UHV sa robotic arm. Batay dito, kami ay kumalkula ng maximum 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 targeted performance tests upang mailarawan ang susunod na refinements ng teknikal na solusyon.

Pili namin ang representatibong mga scenario ng pamamahala ng UHV upang ilarawan ang standard operating procedures at safety protocols. Ang multi-degree-of-freedom structure ng robotic arm ay i-optimize upang matukoy ang pinakakompatibong drone–manipulator configuration. Dahil sa unique operational environment, kami rin ay nagpropose ng pag-upgrade sa original na image acquisition hardware at data transmission software/hardware sa case study upang mapataas ang kalidad ng real-time image.

1.2 Electromagnetic Interference (EMI) Mitigation Measures
Ang mga UHV lines sa kaso ay may mahabang span at crossing, na nagpapabuo ng isang komplikado at dynamic na electromagnetic environment. Ang malakas na electromagnetic fields sa paligid ng linya at intense signals mula sa nearby communication base stations ay maaaring malubhang makapag-interfere sa communications ng drone–manipulator system. Bukod dito, ang long-distance data transmission sa panahon ng operasyon ng manipulator ay maaaring magsanhi ng crosstalk, na nagpapahina sa operational safety.

Upang labanan ito, ang aming kompanya ay nag-propose ng 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 mga 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 Disenyo ng Struktura ng Robotic Arm
Tulad ng ipinapakita 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.

Bilang isang pag-uugnay sa mga pangangailangan sa insulation sa UHV environments, ang aming kompanya ay nag-propose ng pag-install ng insulating bolts sa ilalim ng drone at landing gear. Ang isang steel frame ay nag-uugnay sa ilalim ng insulating layer sa pitch-specific bearing sleeve, na itinatakda sa labas ng metal bearing. Ang pitch servo motor ay nakainstal sa kanan ng bearing, na nagpapatakbo ng pitch mechanism upang mapayagan ang up-and-down movement ng robotic arm.

Bilang isang pag-uugnay sa interference na dulot ng high-intensity electromagnetic fields sa espasyo sa paligid ng transmission lines, ang aming kompanya ay nag-propose ng pag-install ng servo motor drive lines sa loob ng insulating rod at pagsuot ng dedicated insulated protective enclosure sa servo. Ito ay epektibong nag-iisolate ng servo mula sa electromagnetic surges na idinudulot 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 sa risk ng electromagnetic wave-induced breakdown sa internal circuitry ng servo.

2.Simulation Experiment of UHV Transmission Line Inspection Using a Drone-Mounted Robotic Arm
2.1 Simulation Design
Batay sa maintenance records ng UHV transmission lines sa kaso, ang mga sumusunod na structural parameters ay 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 ipinapakita sa Figure 2.

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

Tinutukoy ang impluwensya ng elektrikong patlang sa paligid sa mga operasyon ng pagmamanntento ng drone para sa ultra-high-voltage (UHV) transmission lines, ang aming kompanya unang lumikha ng isang modelo ng simulasyon para sa sistema ng inspeksyon ng robotic arm na nakalakip sa drone. Gamit ang finite element analysis, tinala namin ang partikular na epekto ng elektrikong patlang sa paligid ng mga linya ng UHV sa mga operasyon ng pagmamanntento ng drone. Bukod dito, inanalisa namin ang pinakamataas na lakas ng elektrikong patlang at pagbabago ng voltage na dinaranas ng robotic arm, airframe, rotors, at fuselage sa iba't ibang distansya mula sa kaliwa ng robotic arm hanggang sa conductor. Ito ay nagbibigay-daan sa amin na asesahin kung mayroong potensyal na panganib sa kaligtasan 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 Linya ng UHV Transmission
Isinasagawa ng aming kompanya ang mga eksperimentong simulasyon sa sistema ng inspeksyon ng robotic arm na nakalakip sa drone upang mas maanalisa ang kanyang estado ng operasyon at ang distribusyon ng elektrikong patlang sa paligid ng conductor kapag nasa 0.84 m ang layo mula sa linya ng UHV transmission.

Ang mga resulta ng simulasyon ay nagpakita na, sa ilalim ng kondisyong ito, walang mahalagang negatibong epekto ng elektrikong patlang ang naitala sa kabuuang sistema ng inspeksyon. Gayunpaman, natuklasan ang kaunti pang pagtaas ng lakas ng elektrikong patlang sa kaliwa ng robotic arm. Sa pangkalahatan, kung ang lokal na lakas ng elektrikong patlang ay lumampas sa dielectric breakdown strength ng hangin (30 kV/cm), tataas ang panganib ng pagkasira ng mga komponente, na nakakabawas sa estabilidad at kaligtasan ng sistema.

Karagdagan pa, sa pamamagitan ng pagsusuri sa distribusyon ng potential (voltage) sa mga komponente ng sistema, natuklasan namin na habang tumataas ang layo mula sa sistema ng inspeksyon na nakalakip sa drone hanggang sa linya ng UHV, bumababa ang electric potential ng lahat ng mga komponente. Batay sa mga pagbabago ng potential na ito, tinala namin ang antas ng voltage at pinakamataas na lakas ng elektrikong patlang na dinaranas ng bawat komponente sa kapaligiran ng pagmamanntento.

Tulad ng ipinapakita sa Table 1, kapag ang sistema ng inspeksyon ay nasa 0.84 m mula sa linya ng UHV, ang robotic arm ay nagdaraos ng lakas ng elektrikong patlang na 3712 V/m at voltage na 2069 V. Ang paghahambing sa pagitan ng kaliwa at kanang rotors ay nagpakita na ang kaliwang rotor ay patuloy na nagdaraos ng mas mataas na lakas ng elektrikong patlang at voltage kaysa sa kanang rotor. Ang lahat ng datos ay nagpapakita na, sa ilalim ng 0.84 m na layo ng operasyon, ang elektrikong patlang ay nasa mas mababang antas kaysa sa threshold ng dielectric breakdown ng hangin, na walang panganib ng electrical discharge at sinisigurado ang ligtas na operasyon ng sistema ng inspeksyon ng robotic arm na nakalakip sa drone.

2.2.2 Pagganap ng Sistema ng Inspeksyon sa 0.34 m mula sa Linya ng UHV Transmission
Isinasagawa rin ng aming kompanya ang mga eksperimentong simulasyon upang analisin ang estado ng operasyon ng sistema ng inspeksyon ng robotic arm na nakalakip sa drone at ang distribusyon ng elektrikong patlang sa paligid ng conductor kapag nasa 0.34 m lamang ang layo mula sa linya ng UHV transmission.

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

Nagpapakita ang mga resulta ng simulasyon na, sa ilalim ng kondisyon ng pagmamanman ng layong ito, nag-iba ang pamamahala ng elektrikong field sa paligid ng linyang pang-transmission sa kaliwa ng robotic arm. Dahil sa natatanging kapaligiran ng ultra-high-voltage (UHV) transmission lines, ang mataas na elektrikong field ay may malaking posibilidad na magdulot ng arcing at surface flashover issues.

Sa parehong oras, sa pamamagitan ng pagsusuri sa 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 electric potential ng lahat ng komponente ay nagsisimulang bumaba nang proporsyonal.

Ayon sa data sa Table 2, kapag nakalagay ang inspection system sa layong 0.34 m 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 breakdown na mangyari sa panahon ng operasyon ng maintenance, na nagbibigay-daan sa kaligtasan at reliabilidad ng drone-mounted robotic arm inspection system sa praktikal na aplikasyon.

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

2.3 Mga Pagsubok sa Kakayahan ng Drone na Nakapaloob na Robotic Arm Laban sa Interference sa Pagsasagawa ng Pagsasauli sa Transmission Line

Para sa pagsubok sa kakayahan ng drone na naka-shield, ang mga kagamitan para sa pagsusubok ay kinabibilangan ng isang drone na nakapinta ng conductive paint at multimeter. Ang conductive paint ay pantay-pantay na ipinasprit sa ibabaw ng drone na may kapal na hindi lumalampas sa 0.05 mm. Sa normal na kondisyon ng kapaligiran, inukit ang internal resistance sa pagitan ng dalawang punto sa ibabaw ng drone; ang halaga na mas mababa sa 1 Ω ay nagpapahiwatig ng pagtugon sa itinakdang pamantayan.

Pagsubok sa distorsyon ng imahe: Kapag ginagamit ang teknolohiya ng drone na nakapaloob na robotic arm para sa inspeksyon ng linya, maaaring magkaroon ng distorsyon ng imahe dahil sa mga kadahilanan tulad ng inherent na katumpakan ng gimbal camera lens at kalidad ng proseso ng pagkakasama. Ang distorsyon na ito ay nagdudulot ng pagkakaiba-iba sa pagitan ng nahuhuli na imahe at ang aktwal na pangyayari, na maaaring makasira sa kakayahang ma-identify ng mga tauhan ng pagsasauli ang mga kaputulan o defekto sa UHV transmission lines.

Upang tugunan ang isyu na ito, ang aming teknikal na koponan ay bumuo ng isang modelo ng pagwawasto ng distorsyon ng imahe batay sa mga katangian ng distorsyon ng gimbal camera lens. Ang modelo na ito ay inihahayag ng sumusunod na formula:

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

Ang distorsyon ng camera lens ay pangunahing nahahati sa dalawang uri: tangential at radial distorsyon. Ang tangential distorsyon ay pangunahing nagmumula sa hindi perpektong paralelo ng mga elemento ng lens at ang image plane ng camera. Sa kabilang banda, ang radial distorsyon ay nangyayari dahil ang mga sinag ng liwanag ay kumukuha ng mas mahalagang pagbabago sa mga posisyon na mas malayo mula sa optical center ng lens, na nagreresulta sa distorsyon na nakapaloob sa radial direction ng lens. Ang radial distorsyon ay maaaring inihahayag ng sumusunod na formula:

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

Sa pundasyon na ito, ang aming kompanya ay nagpopropona na gamitin ang Zhang’s calibration method upang matukoy ang mga komponente ng radial distorsyon na may pinakamalaking epekto sa pagbuo ng imahe, at muling buuin ang mga parameter ng modelo. Ito ay nagbibigay-daan para sa mutual na mapping sa pagitan ng object coordinates sa isang inilalarawan na world coordinate system at pixel coordinates sa image plane, na nagpapatapos sa calibration ng gimbal camera. Ang pamamaraang ito ay epektibong binabawasan ang epekto ng toleransiya sa paggawa ng lens at proseso ng pagkakasama sa katumpakan ng imahe, nagpapataas ng karunungan ng imahe, at sinisiguro na ang high-definition na imahe ng ultra-high-voltage (UHV) transmission lines ay inililipat pabalik sa sistema nang walang delay. Ito ay nagbibigay ng mapagkakatiwalaang visual data para sa mga tauhan ng pagsasauli upang ma-accurately assess kung may kaputulan o defekto ang mga linya.

Sa kabuuan, ang teknolohiya ng inspeksyon ng drone na nakapaloob na robotic arm na inihahain sa papel na ito ay natutugon sa kasalukuyang pangangailangan ng pagsasauli ng UHV transmission line para sa mababang konsumo ng lakas, mahabang tagal, mababang gastos, mataas na capacity ng load, at malakas na environmental perception. Ito ay nanalo sa mga pangunahing teknikal na bottleneck sa pagpalit ng tradisyonal na manual inspection methods sa pamamagitan ng drones, itinaas ang kabuuang antas ng operasyon ng pagsasauli, at pinagtibay ang seguridad at reliabilidad ng power transmission at supply.