روبوت تفتيش ذاتي للخطوط الكهربائية بجهد 110 كيلوفولت: تصميم وتنفيذ نظام معلق ثلاثي الذراع

ملخص

لحل القيود المتأصلة في الفحص اليدوي والمسح الجوي لخطوط نقل الكهرباء ذات الجهد العالي، يقدم هذا المقترح روبوت فحص ذاتي مصمم خصيصًا لخطوط الكهرباء ذات الجهد 110 كيلو فولت. يتميز الروبوت ببنية ميكانيكية معلقة ثلاثية الذراعين ويجمع بين الزحف الذاتي والتخطي العائق، وجمع الطاقة عبر الإنترنت، وتشخيص الأعطال المتعددة. يهدف إلى تحسين التفتيش على الخطوط بشكل آلي ومعرفي، مما يعزز بكفاءة وكفاءة التشغيل والصيانة للشبكة مع تقليل التكاليف.

أ. خلفية المشروع والأهداف

1.1 الخلفية: تحديات طرق الفحص التقليدية

نظراً لتعرض خطوط نقل الكهرباء ذات الجهد العالي باستمرار للبيئة الخارجية، تكون عرضة للعيوب مثل الانقطاعات والتآكل بسبب التوتر الميكانيكي والفلاش الكهربائي وتقدم العمر، وبالتالي تتطلب فحصًا منتظمًا. تواجه الطرق الحالية قيودًا كبيرة:

• الفحص اليدوي: يستهلك الكثير من العمل، غير فعال، ذو مخاطر عالية، ويتأثر بشدة بالطقس والتضاريس.
• المسح الجوي بواسطة الطائرات بدون طيار: تكلفة تشغيل عالية، عمر البطارية محدود، تخضع لسيطرة الأجواء والطقس السيئ، وصعبة في اكتشاف العيوب القريبة.

1.2 الأهداف: بديل فحص ذكي

يهدف هذا المشروع إلى تطوير روبوت فحص ذاتي لخطوط نقل الكهرباء ذات الجهد 110 كيلو فولت قادر على استبدال العمل اليدوي. الأهداف الرئيسية تشمل:

• الاستقلالية الوظيفية: تحقيق الزحف الذاتي والتخطي الدقيق للعقبات (مثل عبور مثبطات الاهتزاز والمشابك).
• الكشف الذكي: دمج المستشعرات البصرية والأشعة تحت الحمراء لتحديد وتشخيص الأعطال النموذجية مثل الانقطاعات.
• اكتفاء ذاتي بالطاقة: استخدام تقنية جمع الطاقة غير الملامسة لتجديد الطاقة عبر الإنترنت، مما يسمح بالفحص على مسافات طويلة.
• تحسين الكفاءة: تعزيز كفاءة الفحص ودقة البيانات بشكل كبير، مما يقلل من تكاليف التشغيل والمخاطر السلامة.

ب. الحلول التقنية الأساسية

2.1 تصميم بنية ميكانيكية مبتكرة: حركة مرنة واستقرار عالي

• الهيكل العام: يعتمد على تكوين معلق ثلاثي الذراعين يجمع بين مزايا الآليات المتعددة الأجزاء المنفصلة والمركبة ذات العجلات والأذرع، مما يوازن بين كفاءة الحركة بالعجلات واستقرار الزحف مثل العناكب. الوزن الإجمالي حوالي 29 كجم.
• المكونات الرئيسية:
• الأذرع المرنة: تستخدم الذراعان الأمامية والخلفية آلية رابطة رباعية ثنائية، مدعومة بـ 16 محركًا، مما يسمح بالحركة المستقلة أو المنسقة مع القدرة على التحويل السلس بين الثبات والمرونة للتكيف مع ظروف الخط المعقدة.
• وحدة الدفع: تستخدم محركات DC سويسرية Maxon ذات قوة عالية مع عجلات دفع منفصلة في المركز، مما يوفر قدرة قوية على تجاوز العقبات (قادرة على عبور مثبطات الاهتزاز) ومعدل انحدار (روتيني 60 درجة، حتى 80 درجة مع الفرامل).
• وحدة الفرامل: تستخدم آلية تثبيت ذاتية ذات شريط مسنن ومحور مائل لمنع الانزلاق أو السقوط عن طريق الخطأ أثناء تجاوز المنحدرات أو العقبات.
• التحقق الحركي: تحليل حركي عكسي مستند إلى خوارزمية CCD التكرارية؛ تظهر المحاكاة تقاربًا في فقط 7 تكرارات، مما يؤكد بكفاءة قدرة الروبوت على تحقيق وضعيات معقدة مثل عبور مشابك التعليق والقفزات بزاوية 45 درجة.

2.2 نظام التحكم الذكي متعدد المستويات: الاستقلالية السلسة والتحكم عن بعد

• هندسة النظام: يعتمد على هيكل تحكم موزع على ثلاثة مستويات (مستوى الإدارة الأرضي الأعلى، مستوى التخطيط الروبوطي الأوسط، المستوى التنفيذي السفلي)، منسق بواسطة كمبيوتر صناعي PC/104 ومتحكم ATmega128AU للمشاركة في اتخاذ القرارات والتنفيذ في الوقت الحقيقي.
• استراتيجية التحكم الهجينة:
• الوضع الذاتي: تخطيط المسار دون اتصال بناءً على قاعدة معرفية مسبقة، مع دمج ردود فعل المستشعرات في الوقت الحقيقي لتحقيق الزحف والتخطي الذاتي للعقبات.
• التحكم عن بعد: في البيئات المعقدة للغاية، يمكن للمشغلين الأرضيين إجراء التلاعب الدقيق على مستوى المفاصل أو إصدار الأوامر الكلية عبر التدخل عن بعد، مدعومًا بفيديو عالي الدقة (25-30 هرتز) يُرسل من الروبوت.
• مقاييس الأداء: مسافة الفحص الواحد ≥ 2 كم، السرعة المتوسطة ≥ 0.9 م/ساعة، مسافة نقل الصورة ≥ 2 كم.

2.3 جمع الطاقة عبر الإنترنت وإدارة الطاقة الذكية: صمود غير محدود

• مبادئ جمع الطاقة: يستخدم محول تيار مجزأ لجمع الطاقة بشكل غير ملامس من المجال المغناطيسي حول الموصل ذو الجهد العالي. يتم تصنيع قلب المحول CT من سبيكة نانوكريستالية الحديدية ذات النفاذية العالية؛ يتم تصميمه بشكل محسن ليسمح بتيار بدء منخفض قدره 32 أمبير.
• نظام الطاقة: يوفر جهدًا مستقرًا مستقيمًا؛ يغطي نطاق تيار الخط من 32 أمبير إلى 10 كيلو أمبير. مجهز بحزمة بطاريات ليثيوم أيون ذكية 24 فولت/12 أمبير ساعة باستخدام خوارزمية الشحن الثلاثية، مع حماية من الحرارة لأمان وكفاءة وعمر طويل.

2.4 رؤية الآلة للتعرف على العقبات: توجيه دقيق

• أهداف التعرف: يتعرف بدقة على العقبات الرئيسية مثل مشابك التعليق ومشابك القفزات المستقيمة ومشابك القفزات المنحنية.
• تدفق الخوارزمية:
• تحديد الموقع: تحديد الموقع الأولي عبر تحليل الرمادي الجزئي، التعرف الدقيق على خط النقل عبر تسوية التدرج اللوني وتقسيم العتبة.
• استخراج الخصائص: استخراج محيطات العقبات باستخدام العمليات الشكلية، تحليل ميل الحواف اليسرى واليمنى كخصائص تصنيف.
• التعرف: تطبيق خوارزمية التعرف الضبابي على أساس مبدأ العضوية القصوى لتحديد سريع ودقيق لنوع العقبة.
• الأداء: وقت معالجة الصورة الواحدة ≈ 108 مللي ثانية؛ يحدد بشكل موثوق العقبات النموذجية، مما يوفر مدخلات في الوقت الحقيقي لقرارات التخطي.

2.5 تشخيص الانقطاع الذكي: تحذير دقيق للأعطال

• مبادئ الكشف: بناءً على ظاهرة زيادة المقاومة المحلية وارتفاع درجة الحرارة بسبب الانقطاعات، يستخدم مستشعر الأشعة تحت الحمراء للكشف عن إشارات الإشعاع الحراري.
• نموذج التشخيص الذكي:
• معالجة الإشارة: يستخدم الأساس الموجي db4 لتحليل 6 طبقات لإزالة الضوضاء وتركيز الاهتمام على النطاقات الترددية التي تحتوي على ميزات الأعطال.
• استخراج الخصائص: يُقدم الطاقة الموجية للإنتروبيا لتوصيف تعقيد الإشارة، مجتمعة مع قيم الذروة إلى الذروة للمكونات التفصيلية، لتشكيل متجه خصائص رباعي الأبعاد.
• قرار التشخيص: يستخدم شبكة عصبية BP ثلاثية الطبقات للتشخيص. أظهرت التجارب التحقق 100% دقة على العينات الاختبارية و成功率似乎在您的请求中被意外截断了。请允许我继续完成翻译： ```html
• 决策诊断：使用三层BP神经网络进行诊断。实验验证显示，在测试样本上的准确率为100%，在线检测成功率为98%。

Ⅲ. 解决方案优势总结

• 高适应性：三臂柔性结构提供了出色的障碍穿越和地形适应能力。
• 高度自主性：混合控制系统能够实现远程干预的长距离自主检查。
• 长时间续航：创新的在线感应能量收集从根本上解决了续航限制问题。
• 精确检测：结合机器视觉和红外热成像与智能算法，确保高故障识别精度。
• 安全且经济：取代高风险的人工工作，减少安全隐患和长期运营成本。

Ⅳ. 当前局限性和未来展望

4.1 当前局限性

• 在极其复杂的线路环境中仍需要少量人工辅助。
• 机制尺寸和越障行程有进一步优化的空间，以实现更紧凑的设计。
• 电源系统启动电流仍然相对较高，限制了在低负载线路上的应用。
• 当前故障检测类型主要集中在断股上，可扩展检测范围。

4.2 未来展望

• 机制轻量化和平衡优化，提高越障效率和稳定性。
• 集成多传感器导航，提高定位和环境感知精度。
• 优化能量收集电路，进一步降低启动电流并扩大应用范围。
• 扩展故障诊断库，包括损坏的绝缘子和污染等缺陷。
• 提高机器人的可靠性，改进工业级保护（如防尘、防水和电磁兼容能力）。

ملخص

لحل القيود المتأصلة في الفحص اليدوي والمسح الجوي لخطوط نقل الكهرباء ذات الجهد العالي، يقدم هذا المقترح روبوت فحص ذاتي مصمم خصيصًا لخطوط الكهرباء ذات الجهد 110 كيلو فولت. يتميز الروبوت ببنية ميكانيكية معلقة ثلاثية الذراعين ويجمع بين الزحف الذاتي والتخطي العائق، وجمع الطاقة عبر الإنترنت، وتشخيص الأعطال المتعددة. يهدف إلى تحسين التفتيش على الخطوط بشكل آلي ومعرفي، مما يعزز بكفاءة وكفاءة التشغيل والصيانة للشبكة مع تقليل التكاليف.

أ. خلفية المشروع والأهداف

1.1 الخلفية: تحديات طرق الفحص التقليدية

نظراً لتعرض خطوط نقل الكهرباء ذات الجهد العالي باستمرار للبيئة الخارجية، تكون عرضة للعيوب مثل الانقطاعات والتآكل بسبب التوتر الميكانيكي والفلاش الكهربائي وتقدم العمر، وبالتالي تتطلب فحصًا منتظمًا. تواجه الطرق الحالية قيودًا كبيرة:

• الفحص اليدوي: يستهلك الكثير من العمل، غير فعال، ذو مخاطر عالية، ويتأثر بشدة بالطقس والتضاريس.
• المسح الجوي بواسطة الطائرات بدون طيار: تكلفة تشغيل عالية، عمر البطارية محدود، تخضع لسيطرة الأجواء والطقس السيئ، وصعبة في اكتشاف العيوب القريبة.

1.2 الأهداف: بديل فحص ذكي

يهدف هذا المشروع إلى تطوير روبوت فحص ذاتي لخطوط نقل الكهرباء ذات الجهد 110 كيلو فولت قادر على استبدال العمل اليدوي. الأهداف الرئيسية تشمل:

• الاستقلالية الوظيفية: تحقيق الزحف الذاتي والتخطي الدقيق للعقبات (مثل عبور مثبطات الاهتزاز والمشابك).
• الكشف الذكي: دمج المستشعرات البصرية والأشعة تحت الحمراء لتحديد وتشخيص الأعطال النموذجية مثل الانقطاعات.
• اكتفاء ذاتي بالطاقة: استخدام تقنية جمع الطاقة غير الملامسة لتجديد الطاقة عبر الإنترنت، مما يسمح بالفحص على مسافات طويلة.
• تحسين الكفاءة: تعزيز كفاءة الفحص ودقة البيانات بشكل كبير، مما يقلل من تكاليف التشغيل والمخاطر السلامة.

ب. الحلول التقنية الأساسية

2.1 تصميم بنية ميكانيكية مبتكرة: حركة مرنة واستقرار عالي

• الهيكل العام: يعتمد على تكوين معلق ثلاثي الذراعين يجمع بين مزايا الآليات المتعددة الأجزاء المنفصلة والمركبة ذات العجلات والأذرع، مما يوازن بين كفاءة الحركة بالعجلات واستقرار الزحف مثل العناكب. الوزن الإجمالي حوالي 29 كجم.
• المكونات الرئيسية:
• الأذرع المرنة: تستخدم الذراعان الأمامية والخلفية آلية رابطة رباعية ثنائية، مدعومة بـ 16 محركًا، مما يسمح بالحركة المستقلة أو المنسقة مع القدرة على التحويل السلس بين الثبات والمرونة للتكيف مع ظروف الخط المعقدة.
• وحدة الدفع: تستخدم محركات DC سويسرية Maxon ذات قوة عالية مع عجلات دفع منفصلة في المركز، مما يوفر قدرة قوية على تجاوز العقبات (قادرة على عبور مثبطات الاهتزاز) ومعدل انحدار (روتيني 60 درجة، حتى 80 درجة مع الفرامل).
• وحدة الفرامل: تستخدم آلية تثبيت ذاتية ذات شريط مسنن ومحور مائل لمنع الانزلاق أو السقوط عن طريق الخطأ أثناء تجاوز المنحدرات أو العقبات.
• التحقق الحركي: تحليل حركي عكسي مستند إلى خوارزمية CCD التكرارية؛ تظهر المحاكاة تقاربًا في فقط 7 تكرارات، مما يؤكد بكفاءة قدرة الروبوت على تحقيق وضعيات معقدة مثل عبور مشابك التعليق والقفزات بزاوية 45 درجة.

2.2 نظام التحكم الذكي متعدد المستويات: الاستقلالية السلسة والتحكم عن بعد

• هندسة النظام: يعتمد على هيكل تحكم موزع على ثلاثة مستويات (مستوى الإدارة الأرضي الأعلى، مستوى التخطيط الروبوطي الأوسط، المستوى التنفيذي السفلي)، منسق بواسطة كمبيوتر صناعي PC/104 ومتحكم ATmega128AU للمشاركة في اتخاذ القرارات والتنفيذ في الوقت الحقيقي.
• استراتيجية التحكم الهجينة:
• الوضع الذاتي: تخطيط المسار دون اتصال بناءً على قاعدة معرفية مسبقة، مع دمج ردود فعل المستشعرات في الوقت الحقيقي لتحقيق الزحف والتخطي الذاتي للعقبات.
• التحكم عن بعد: في البيئات المعقدة للغاية، يمكن للمشغلين الأرضيين إجراء التلاعب الدقيق على مستوى المفاصل أو إصدار الأوامر الكلية عبر التدخل عن بعد، مدعومًا بفيديو عالي الدقة (25-30 هرتز) يُرسل من الروبوت.
• مقاييس الأداء: مسافة الفحص الواحد ≥ 2 كم، السرعة المتوسطة ≥ 0.9 م/ساعة، مسافة نقل الصورة ≥ 2 كم.

2.3 جمع الطاقة عبر الإنترنت وإدارة الطاقة الذكية: صمود غير محدود

• مبادئ جمع الطاقة: يستخدم محول تيار مجزأ لجمع الطاقة بشكل غير ملامس من المجال المغناطيسي حول الموصل ذو الجهد العالي. يتم تصنيع قلب المحول CT من سبيكة نانوكريستالية الحديدية ذات النفاذية العالية؛ يتم تصميمه بشكل محسن ليسمح بتيار بدء منخفض قدره 32 أمبير.
• نظام الطاقة: يوفر جهدًا مستقرًا مستقيمًا؛ يغطي نطاق تيار الخط من 32 أمبير إلى 10 كيلو أمبير. مجهز بحزمة بطاريات ليثيوم أيون ذكية 24 فولت/12 أمبير ساعة باستخدام خوارزمية الشحن الثلاثية، مع حماية من الحرارة لأمان وكفاءة وعمر طويل.

2.4 رؤية الآلة للتعرف على العقبات: توجيه دقيق

• أهداف التعرف: يتعرف بدقة على العقبات الرئيسية مثل مشابك التعليق ومشابك القفزات المستقيمة ومشابك القفزات المنحنية.
• تدفق الخوارزمية:
• تحديد الموقع: تحديد الموقع الأولي عبر تحليل الرمادي الجزئي، التعرف الدقيق على خط النقل عبر تسوية التدرج اللوني وتقسيم العتبة.
• استخراج الخصائص: استخراج محيطات العقبات باستخدام العمليات الشكلية، تحليل ميل الحواف اليسرى واليمنى كخصائص تصنيف.
• التعرف: تطبيق خوارزمية التعرف الضبابي على أساس مبدأ العضوية القصوى لتحديد سريع ودقيق لنوع العقبة.
• الأداء: وقت معالجة الصورة الواحدة ≈ 108 مللي ثانية؛ يحدد بشكل موثوق العقبات النموذجية، مما يوفر مدخلات في الوقت الحقيقي لقرارات التخطي.

2.5 تشخيص الانقطاع الذكي: تحذير دقيق للأعطال

• مبادئ الكشف: بناءً على ظاهرة زيادة المقاومة المحلية وارتفاع درجة الحرارة بسبب الانقطاعات، يستخدم مستشعر الأشعة تحت الحمراء للكشف عن إشارات الإشعاع الحراري.
• نموذج التشخيص الذكي:
• معالجة الإشارة: يستخدم الأساس الموجي db4 لتحليل 6 طبقات لإزالة الضوضاء وتركيز الاهتمام على النطاقات الترددية التي تحتوي على ميزات الأعطال.
• استخراج الخصائص: يُقدم الطاقة الموجية للإنتروبيا لتوصيف تعقيد الإشارة، مجتمعة مع قيم الذروة إلى الذروة للمكونات التفصيلية، لتشكيل متجه خصائص رباعي الأبعاد.
• قرار التشخيص: يستخدم شبكة عصبية BP ثلاثية الطبقات للتشخيص. أظهرت التجارب التحقق 100% دقة على العينات الاختبارية و98% نسبة نجاح الكشف عبر الإنترنت.

Ⅲ. ملخص مزايا الحل

• عالية التكيف: البنية المرنة ثلاثية الذراعين توفر قدرة تخطي عقبات ممتازة وتكيفًا جيدًا مع التضاريس.
• عالية الاستقلالية: نظام التحكم الهجين يتيح الفحص الذاتي على مسافات طويلة مع قابلية التدخل عن بعد.
• طول عمر التشغيل: تقنية جمع الطاقة عبر الإنترنت المبتكرة تحل بشكل جذري مشكلة محدودية التشغيل.
• اكتشاف دقيق: دمج الرؤية الآلية والتصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء مع الخوارزميات الذكية يضمن دقة عالية في تحديد الأعطال.
• آمن واقتصادي: يحل محل العمل اليدوي ذو المخاطر العالية، مما يقلل من المخاطر السلامة والتكلفة التشغيلية على المدى الطويل.

Ⅳ. القيود الحالية والآفاق المستقبلية

4.1 القيود الحالية

• لا يزال يحتاج إلى مساعدة يدوية محدودة في بيئات الخطوط المعقدة للغاية.
• هناك مجال للتحسين في حجم الآلية وسكتة التخطي العقبات لتحقيق تصميم أكثر ضيقًا.
• تيار بدء نظام الطاقة لا يزال مرتفعًا نسبيًا، مما يحد من تطبيقه على الخطوط ذات الحمل المنخفض جدًا.
• أنواع الأعطال التي يمكن اكتشافها حالياً تركز بشكل أساسي على الانقطاعات، ويمكن توسيع نطاق الأعطال القابلة للاكتشاف.

4.2 الآفاق المستقبلية

• تخفيض وزن الآلية وتحسين التوازن لتحسين كفاءة تخطي العقبات والاستقرار.
• تكامل التنقل متعدد المستشعرات لتعزيز دقة التوضع والإدراك البيئي.
• تحسين دارة جمع الطاقة لخفض تيار البدء وتوسيع نطاق التطبيق.
• توسيع مكتبة تشخيص الأعطال لتشمل عيوب مثل الأعطال في العوازل والتلوث.
• تحسين موثوقية الروبوت، وتحسين الحماية الصناعية (مثل مقاومة الغبار والماء والتوافق الكهرومغناطيسي).