Nghiên cứu và Phân tích về Công nghệ Thay thế Dựa trên Drone cho Bảo trì Đường dây Truyền tải Siêu Cao Áp

Trong một khu vực nhất định, sau khi bảo trì đường dây truyền tải điện siêu cao áp (UHV), các vấn đề sau đây đã được xác định: các máy bay không người lái hiện tại không đủ hiệu suất để đáp ứng nhu cầu kiểm tra và bảo dưỡng quy mô lớn và rộng rãi của đường dây UHV. Trong hoạt động thực tế, máy bay không người lái thể hiện độ bền không đủ, khả năng thu thập hình ảnh hạn chế và khả năng chống nhiễu điện từ (EMI) kém, điều này tác động tiêu cực đến hiệu quả kiểm tra và ngăn chặn việc xác định chính xác các khuyết tật của đường dây UHV.

Do chiều dài đáng kể của đường dây truyền tải UHV và ảnh hưởng của môi trường tự nhiên địa phương, các máy bay không người lái được trang bị thiết bị phát hiện không thể duy trì thời gian bay kéo dài, giảm hiệu quả kiểm tra. Trong trường hợp được dẫn chiếu, ngay cả máy bay không người lái lai dầu-điện cũng chỉ đạt được thời gian bay dưới 3 giờ, đòi hỏi phải thay pin thường xuyên trong quá trình kiểm tra. Hơn nữa, các hệ thống kiểm tra dựa trên máy bay không người lái hiện tại thiếu tính hoàn thiện chức năng - chúng không hỗ trợ khả năng kiểm tra đa chiều, đa chức năng - dẫn đến độ chính xác kiểm tra không đủ. Điều này có thể làm chậm việc phát hiện và xử lý sự cố hoặc các khuyết tật khác của đường dây, trực tiếp ảnh hưởng đến việc truyền tải điện bình thường.

Để giải quyết những thách thức này, công ty chúng tôi đã phát triển một công nghệ kiểm tra đường dây truyền tải UHV mới tích hợp cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái. Giải pháp này được tùy chỉnh cho cơ sở hạ tầng UHV cụ thể trong khu vực và dựa trên hiệu suất sử dụng máy bay không người lái hiện tại trong việc bảo dưỡng đường dây. Nó nhằm mục đích giải quyết các vấn đề nêu trên đồng thời đáp ứng các yêu cầu chính: tiêu thụ điện năng thấp, thời gian hoạt động kéo dài, chi phí thấp, khả năng tải trọng cao và cảm nhận môi trường mạnh mẽ.

1.Giải pháp kỹ thuật: Cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái cho bảo dưỡng đường dây UHV
1.1 Ý tưởng thiết kế
Các cân nhắc quan trọng đối với công nghệ này bao gồm thiết kế cách điện, điều khiển chuyển động cánh tay robot và các hệ thống phụ trợ. Đảm bảo thiết kế kỹ thuật hợp lý là cần thiết để giải quyết hiệu quả các thách thức bảo dưỡng UHV hiện tại và vượt qua các điểm nghẽn trong việc triển khai.

Công ty chúng tôi đã đánh giá toàn diện các yêu cầu cách điện do môi trường bảo dưỡng UHV đặt ra đối với cánh tay robot. Dựa trên đó, chúng tôi đã tính toán cường độ điện trường và biến đổi điện áp tối đa mà cánh tay, rotor, khung và thân máy chịu ở các khoảng cách khác nhau từ các dây dẫn đang hoạt động. Sau đó, các bài kiểm tra hiệu suất có mục tiêu đã được thiết kế để thông tin cho các cải tiến tiếp theo của giải pháp kỹ thuật.

Chúng tôi đã chọn các kịch bản bảo dưỡng UHV đại diện để xác định các quy trình hoạt động chuẩn và các giao thức an toàn. Cấu trúc nhiều bậc tự do của cánh tay robot đã được tối ưu hóa để xác định cấu hình máy bay-cánh tay tương thích nhất. Do môi trường hoạt động độc đáo, chúng tôi cũng đề xuất nâng cấp phần cứng thu hình và phần mềm/phần cứng truyền dữ liệu trong nghiên cứu điển hình để tăng cường chất lượng hình ảnh theo thời gian thực.

1.2 Các biện pháp giảm nhiễu điện từ (EMI)
Các đường dây UHV trong trường hợp này có các đoạn dài và chéo, tạo ra một môi trường điện từ phức tạp và động. Các trường điện từ mạnh xung quanh các đường dây và tín hiệu mạnh từ các trạm cơ sở truyền thông gần đó có thể can thiệp nghiêm trọng vào hệ thống truyền thông của máy bay-cánh tay. Ngoài ra, việc truyền dữ liệu xa trong quá trình hoạt động của cánh tay có thể gây ra nhiễu chéo, làm giảm an toàn hoạt động.

Để đối phó với điều này, công ty chúng tôi đề xuất các biện pháp che chắn EMI sau:

• Phân tích thiệt hại tiềm năng từ các trường điện từ cường độ cao gần đường dây UHV đối với mạch nội bộ của máy bay.

• Áp dụng các biện pháp che chắn cho bề mặt thân máy, cáp tín hiệu và tất cả các khe hở của vỏ.

• Phun đều một lớp phủ dẫn điện có độ dày quy định lên bên ngoài máy bay để giảm nhiễu điện từ. Đối với các thành phần không phù hợp để phun, sử dụng dây đồng nối để đạt hiệu quả che chắn tương đương.

1.3 Thiết kế cấu trúc cánh tay robot
Như được hiển thị trong Hình 1, cánh tay robot bao gồm:
(1) Bộ gắp; (2) Hộp bảo vệ servo; (3) Bộ chuyển đổi bộ dò trị số không; (4) Bộ chuyển đổi bộ thử điện áp cao; (5) Thanh cách điện; (6) Thanh giới hạn; (7) Lớp cách điện nhựa epoxy; (8) Vòng bi chuyên dụng cho góc nghiêng; (9) Thanh liên kết; (10) Vòng bi chuyên dụng cho góc lăn.

Xem xét các yêu cầu cách điện trong môi trường UHV, công ty chúng tôi đề xuất lắp đặt các vít cách điện giữa đáy máy bay và càng đáp. Một khung thép kết nối phía dưới của lớp cách điện với vòng bi chuyên dụng cho góc nghiêng, được cố định bên ngoài quanh một ổ đỡ kim loại. Động cơ servo góc nghiêng được gắn ở bên phải của ổ đỡ, điều khiển cơ chế góc nghiêng để cho phép cánh tay robot di chuyển lên và xuống.

Xem xét sự can thiệp từ các trường điện từ cường độ cao trong không gian xung quanh các đường dây truyền tải, công ty chúng tôi đề xuất lắp đặt các đường dẫn động cơ servo bên trong thanh cách điện và trang bị cho servo một vỏ bảo vệ cách điện chuyên dụng. Điều này cách ly hiệu quả servo khỏi các xung điện từ do môi trường điện áp cao bên ngoài tạo ra. Ngoài ra, dây đồng nối được áp dụng vào các khe hở xung quanh servo để đạt được kết nối đẳng điện, do đó giảm thiểu rủi ro của sự hỏng hóc do sóng điện từ gây ra trong mạch nội bộ của servo.

2.Thí nghiệm mô phỏng kiểm tra đường dây truyền tải UHV sử dụng cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái
2.1 Thiết kế mô phỏng
Dựa trên các hồ sơ bảo dưỡng của đường dây truyền tải UHV trong nghiên cứu, các thông số cấu trúc sau đây đã được thu được: chiều cao tổng cộng của cột tháp thẳng là 3200 mm; bán kính mái lớn là 2400 mm; bán kính mái trung bình là 3200 mm; bán kính mái nhỏ là 2700 mm; và đường kính dây dẫn là 17,48 mm, như được hiển thị trong Hình 2.

Trong thí nghiệm mô phỏng, hệ thống máy bay không người lái đã chọn các tính năng vật liệu sợi carbon cho cánh quạt, khung và thân máy để tăng cường hiệu suất tổng thể của nó.

Để xem xét ảnh hưởng của trường điện xung quanh không gian đến các hoạt động bảo dưỡng dựa trên máy bay không người lái cho đường dây truyền tải điện siêu cao áp (UHV), công ty chúng tôi đã phát triển đầu tiên một mô hình mô phỏng của hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái. Sử dụng phân tích phần tử finite, chúng tôi đã xác định tác động cụ thể của trường điện xung quanh đường dây UHV đối với các hoạt động bảo dưỡng máy bay không người lái. Ngoài ra, chúng tôi đã phân tích cường độ điện trường và biến đổi điện áp lớn nhất mà cánh tay robot, khung máy, cánh quạt và thân máy trải qua ở các khoảng cách khác nhau giữa phía trái của cánh tay robot và dây dẫn. Điều này cho phép chúng tôi đánh giá xem liệu có tồn tại nguy cơ an toàn tiềm ẩn trong quá trình kiểm tra từ gần.

2.2 Quá trình Mô phỏng
2.2.1 Hiệu suất Hệ thống Kiểm tra ở Khoảng Cách 0.84 m từ Đường Dây Truyền Tải Điện Siêu Cao Áp
Công ty chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm mô phỏng trên hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái để phân tích thêm trạng thái hoạt động và sự phân bố của trường điện không gian gần dây dẫn khi đặt ở khoảng cách 0.84 m từ đường dây truyền tải điện siêu cao áp.

Kết quả mô phỏng cho thấy, dưới điều kiện làm việc này, không có tác động tiêu cực đáng kể nào của trường điện được quan sát trên toàn bộ hệ thống kiểm tra. Tuy nhiên, một mức tăng nhẹ về cường độ điện trường đã được phát hiện ở phía trái của cánh tay robot. Nhìn chung, nếu cường độ điện trường cục bộ vượt quá sức chịu đựng điện môi của không khí (30 kV/cm), nguy cơ hỏng hóc thành phần sẽ tăng lên, làm giảm ổn định và an toàn của hệ thống.

Ngoài ra, bằng cách kiểm tra sự phân bố tiềm năng (điện áp) trên các thành phần của hệ thống, chúng tôi đã phát hiện rằng khi khoảng cách giữa hệ thống kiểm tra gắn trên máy bay không người lái và đường dây UHV tăng lên, điện势能（电压）分布在整个系统组件上，我们发现随着安装在无人机上的检查系统与特高压线路之间的距离增加，所有组件的电位都会相应降低。基于这些电位变化，我们确定了每个组件在维护环境中所经历的电压水平和最大电场强度。 此外，表1显示，当检查系统距离特高压线路0.84米时，机械臂经历的电场强度为3712 V/m，电压为2069 V。左旋翼和右旋翼之间的比较表明，左旋翼始终承受比右旋翼更高的电场强度和电压。所有数据表明，在0.84米的操作距离下，电场远低于空气击穿阈值，不存在放电风险，确保了安装在无人机上的机械臂检查系统的安全运行。 **2.2.2 检查系统在距离特高压输电线路0.34米处的性能** 公司还进行了模拟实验，以分析无人机安装的机械臂检查系统在距离特高压输电线路仅0.34米时的操作状态和导体附近的空间电场分布。 表1：无人机安装的机械臂检查系统各组件对应的电场强度和电压最大值 我将严格按照要求翻译成越南语，并保持原文的结构和格式不变：

Trong thí nghiệm mô phỏng, hệ thống máy bay không người lái đã chọn các tính năng vật liệu sợi carbon cho cánh quạt, khung và thân máy để tăng cường hiệu suất tổng thể của nó.

Để xem xét ảnh hưởng của trường điện xung quanh không gian đến các hoạt động bảo dưỡng dựa trên máy bay không người lái cho đường dây truyền tải điện siêu cao áp (UHV), công ty chúng tôi đã phát triển đầu tiên một mô hình mô phỏng của hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái. Sử dụng phân tích phần tử finite, chúng tôi đã xác định tác động cụ thể của trường điện xung quanh đường dây UHV đối với các hoạt động bảo dưỡng máy bay không người lái. Ngoài ra, chúng tôi đã phân tích cường độ điện trường và biến đổi điện áp lớn nhất mà cánh tay robot, khung máy, cánh quạt và thân máy trải qua ở các khoảng cách khác nhau giữa phía trái của cánh tay robot và dây dẫn. Điều này cho phép chúng tôi đánh giá xem liệu có tồn tại nguy cơ an toàn tiềm ẩn trong quá trình kiểm tra từ gần.

2.2 Quá trình Mô phỏng
2.2.1 Hiệu suất Hệ thống Kiểm tra ở Khoảng Cách 0.84 m từ Đường Dây Truyền Tải Điện Siêu Cao Áp
Công ty chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm mô phỏng trên hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái để phân tích thêm trạng thái hoạt động và sự phân bố của trường điện không gian gần dây dẫn khi đặt ở khoảng cách 0.84 m từ đường dây truyền tải điện siêu cao áp.

Kết quả mô phỏng cho thấy, dưới điều kiện làm việc này, không có tác động tiêu cực đáng kể nào của trường điện được quan sát trên toàn bộ hệ thống kiểm tra. Tuy nhiên, một mức tăng nhẹ về cường độ điện trường đã được phát hiện ở phía trái của cánh tay robot. Nhìn chung, nếu cường độ điện trường cục bộ vượt quá sức chịu đựng điện môi của không khí (30 kV/cm), nguy cơ hỏng hóc thành phần sẽ tăng lên, làm giảm ổn định và an toàn của hệ thống.

Ngoài ra, bằng cách kiểm tra sự phân bố tiềm năng (điện áp) trên các thành phần của hệ thống, chúng tôi đã phát hiện rằng khi khoảng cách giữa hệ thống kiểm tra gắn trên máy bay không người lái và đường dây UHV tăng lên, điện vị tất cả các thành phần cũng giảm theo. Dựa vào những biến đổi tiềm năng này, chúng tôi đã xác định mức điện áp và cường độ điện trường lớn nhất mà mỗi thành phần trải qua trong môi trường bảo dưỡng.

Như được hiển thị trong Bảng 1, khi hệ thống kiểm tra ở khoảng cách 0.84 m từ đường dây UHV, cánh tay robot trải qua cường độ điện trường là 3712 V/m và điện áp là 2069 V. So sánh giữa cánh quạt bên trái và cánh quạt bên phải cho thấy cánh quạt bên trái luôn chịu cường độ điện trường và điện áp cao hơn so với cánh quạt bên phải. Tất cả dữ liệu cho thấy, ở khoảng cách hoạt động 0.84 m, trường điện vẫn duy trì ở mức thấp hơn nhiều so với ngưỡng phá vỡ của không khí, không gây ra nguy cơ phóng điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái.

2.2.2 Hiệu suất Hệ thống Kiểm tra ở Khoảng Cách 0.34 m từ Đường Dây Truyền Tải Điện Siêu Cao Áp
Công ty chúng tôi cũng đã tiến hành các thí nghiệm mô phỏng để phân tích trạng thái hoạt động của hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái và sự phân bố của trường điện không gian gần dây dẫn khi đặt ở khoảng cách chỉ 0.34 m từ đường dây truyền tải điện siêu cao áp.

Bảng 1: Giá trị Cường Độ Điện Trường và Điện Áp Lớn Nhất tương ứng với Mỗi Thành Phần của Hệ thống Kiểm tra Cánh Tay Robot Gắn Trên Máy Bay Không Người Lái

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, trong điều kiện duy trì khoảng cách này, phân bố điện trường không gian xung quanh đường dây truyền tải bên trái của cánh tay robot đã thay đổi. Do môi trường đặc biệt của đường dây truyền tải siêu cao áp (UHV), điện trường cao rất dễ gây ra hiện tượng hồ quang và chập bề mặt.

Cùng lúc đó, thông qua việc phân tích sự biến đổi tiềm năng của các thành phần trong hệ thống, đã phát hiện rằng khi khoảng cách giữa hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái và đường dây truyền tải UHV tăng lên, điện thế của tất cả các thành phần tương ứng giảm đi.

Theo dữ liệu trong Bảng 2, khi hệ thống kiểm tra được đặt ở vị trí cách đường dây truyền tải UHV 0,34 m, cường độ điện trường tối đa mà bất kỳ thành phần nào trong hệ thống trải qua không vượt quá cường độ điện trường làm hỏng chất cách điện của không khí. Do đó, kết luận rằng sẽ không có nguy cơ hỏng hóc xảy ra trong quá trình bảo dưỡng, đảm bảo an toàn và tin cậy của hệ thống kiểm tra cánh tay robot gắn trên máy bay không người lái trong ứng dụng thực tế.

Bảng 2: Cường Độ Điện Trường Tối Đa và Giá Trị Điện Áp Tương ứng với Mỗi Thành Phần của Hệ Thống Kiểm Tra Cánh Tay Robot Gắn Trên Máy Bay Không Người Lái

2.3 Thử nghiệm Khả năng Chống nhiễu của Cánh tay Robot gắn trên Drone trong Bảo dưỡng Đường dây Truyền tải

Đối với thử nghiệm hiệu suất che chắn của drone, thiết bị thử nghiệm bao gồm một drone được phủ sơn dẫn điện và một đồng hồ đo đa năng. Sơn dẫn điện được phun đều lên bề mặt drone với độ dày không vượt quá 0,05 mm. Trong điều kiện môi trường bình thường, điện trở nội bộ giữa hai điểm trên bề mặt drone được đo; giá trị nhỏ hơn 1 Ω cho thấy đáp ứng tiêu chuẩn quy định.

Thử nghiệm méo hình ảnh: Khi áp dụng công nghệ cánh tay robot gắn trên drone để kiểm tra đường dây, méo hình ảnh có thể xảy ra do các yếu tố như độ chính xác cố hữu của ống kính gimbal và chất lượng quy trình lắp ráp. Sự méo này gây ra sự khác biệt giữa hình ảnh chụp và cảnh thực tế, có thể làm suy giảm khả năng nhận biết chính xác lỗi hoặc khuyết tật trên đường dây truyền tải UHV của nhân viên bảo dưỡng.

Để giải quyết vấn đề này, đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi đã phát triển mô hình chỉnh sửa méo hình ảnh dựa trên đặc điểm méo của ống kính gimbal. Mô hình này được biểu diễn bởi công thức sau:

Trong công thức:
x, y là tọa độ gốc của điểm méo tiếp tuyến trong hệ thống tạo hình;
x′, y′ là tọa độ mới của điểm sau khi chỉnh sửa méo;
p1, p2 là tham số méo tiếp tuyến;
r là khoảng cách bán kính từ tâm hình ảnh.

Méo ống kính camera chủ yếu được phân thành hai loại: méo tiếp tuyến và méo bán kính. Méo tiếp tuyến chủ yếu xuất hiện vì các phần tử ống kính và mặt phẳng hình ảnh của camera không song song hoàn toàn. Mặt khác, méo bán kính xảy ra vì tia sáng cong nhiều hơn ở vị trí xa trung tâm quang học của ống kính, dẫn đến méo phân bố theo hướng bán kính của ống kính. Méo bán kính có thể được biểu diễn bằng công thức sau:

Trong công thức:
x, y là tọa độ gốc của điểm méo bán kính trong hệ thống tạo hình;
x′, y′ là tọa độ mới của điểm sau khi chỉnh sửa méo;
k1, k2, k3 là tham số méo bán kính;
r là khoảng cách bán kính từ tâm hình ảnh.

Dựa trên cơ sở này, công ty chúng tôi đề xuất sử dụng phương pháp hiệu chỉnh của Zhang để xác định các thành phần méo bán kính ảnh hưởng đáng kể nhất đến việc tạo hình, và tái cấu trúc các tham số mô hình. Điều này cho phép ánh xạ lẫn nhau giữa tọa độ đối tượng trong hệ tọa độ thế giới đã xác định và tọa độ pixel trên mặt phẳng hình ảnh, do đó hoàn thành hiệu chỉnh ống kính gimbal. Phương pháp này giúp giảm thiểu tác động của sai số sản xuất ống kính và quy trình lắp ráp đối với độ chính xác hình ảnh, tăng cường độ rõ nét của hình ảnh, và đảm bảo rằng hình ảnh độ phân giải cao của đường dây truyền tải UHV được truyền về hệ thống mà không có độ trễ. Điều này cung cấp cho nhân viên bảo dưỡng dữ liệu thị giác đáng tin cậy để đánh giá chính xác xem có lỗi hoặc khuyết tật trên đường dây hay không.

Tóm lại, công nghệ kiểm tra cánh tay robot gắn trên drone được đề xuất trong bài viết này đáp ứng yêu cầu bảo dưỡng đường dây truyền tải UHV hiện tại về tiêu thụ điện năng thấp, thời gian hoạt động dài, chi phí thấp, khả năng tải trọng lớn, và cảm biến môi trường mạnh mẽ. Nó khắc phục các nút thắt kỹ thuật chính trong việc thay thế phương pháp kiểm tra thủ công truyền thống bằng drone, nâng cao mức độ tổng thể của hoạt động bảo dưỡng, và tăng cường an toàn và độ tin cậy của việc truyền tải và cung cấp điện.