Автономен инспекционен робот за високонапрегнати линии от 110 кВ: Проект и изпълнение на система с три подавани ръце

Резюме

За да се преодолеят вродените ограничения на ръчния преглед и аерофотосъёмката на високонапрегнати електропредавателни линии, този проект въвежда автономен инспекционен робот, специално предназначен за 110 кВ електролинии. С иновативна три-раменна подвесена механична структура, роботът интегрира автономно движение, преодоляване на пречки, онлайн попълване на енергия и многократна диагностика на дефектите. Целта му е да автоматизира и интелектуализира инспекцията на линиите, значително подобрявайки ефективността и безопасността на операциите и поддръжката на мрежата, като същевременно намалява разходите.

I. Фон и цели на проекта

1.1 Фон: Предизвикателства на традиционните методи на инспекция

Високонапрегнатите предавателни линии, които са непрекъснато изложени на външна среда, са склонни към дефекти като прекъснати жици и износ поради механично напрежение, електрическо пробиване и стареене на материала, затова са необходими регулярни инспекции. Текущите методи срещат значителни бутилнеци:

• Ръчен преглед: Трудоемък, неефективен, с висок риск и силно ограничен от времето и терена.
• Аерофотосъёмка с дронове: Висока оперативна цена, ограничена продължителност, подлежаща на контрол на въздушното пространство и лоши метеорологични условия, трудно за детектиране на дефекти на близко разстояние.

1.2 Цели: Интелигентна алтернатива за инспекция

Целта на проекта е да се разработи автономен инспекционен робот за високонапрегнати електролинии от 110 кВ, способен да замести ръчния труд. Основните цели включват:

• Функционална автономия: Достижение на автономно движение и прецизно преодоляване на пречки (например, преминаване през гасители на вибрации и клампи).
• Интелигентна детекция: Интегриране на визуални и инфрачервени сензори за автоматично разпознаване и диагностика на типични дефекти като прекъснати жици.
• Енергийна самозадоволяваемост: Използване на технология за индуктивно попълване на енергия без контакт за онлайн само-попълване, позволяващо дългоразстоятен преглед.
• Максимизирана ефективност: Значително повишаване на ефективността на инспекцията и точността на данните, с цел намаляване на оперативните разходи и рисковете за безопасност.

II. Основни технически решения

2.1 Иновативен дизайн на механичната структура: Висока мобилност и стабилност

• Обща структура: Прилага три-раменна подвесена конфигурация, която комбинира преимуществата на многосегментни разделени и колело-раменни композитни механизми, балансирайки ефективността на движение с колела със стабилността на кълмачесто движение. Общата тегло е приблизително 29 кг.
• Основни компоненти:
• Гъвкави рамена: Предните и задните рамена използват двойно четирисвързово връзочен механизм, задвижван от общо 16 мотора, позволяващи независими или координирани движения на нагласяване с плавен преход между твърдост и гъвкавост, за да се адаптира към комплексни условия на линиите.
• Приводна единица: Използва високомощни DC мотори Maxon с централно разделени приводни колела, предоставящи силна способност за преодоляване на пречки (способни да минават през гасители на вибрации) и проходимост (стандартно 60°, до 80° с тормоз).
• Тормозна единица: Използва спирално-кривошипно схлузован самозаключващ механизъм, за да предотврати случайно хлъзгане или падане по време на преодоляване на наклони или пречки.
• Кинематична валидация: Анализ на обратната кинематика, основан на алгоритъма за итеративна CCD; симулации показват сходимост след само 7 итерации, ефективно валидиращи способността на робота да постига комплексни положения като преминаване през подвесни клампи и 45° превратни преминавания.

2.2 Иерархична интелигентна система за управление: Безшовна автономия и дистанционно управление

• Архитектура на системата: Прилага трислоево разпределено управление (горен слой за управление на земята, среден слой за планиране на робота, долен слой за изпълнение), координирано от PC/104 индустриален компютър и микроконтролер ATmega128AU за реално-време вземане на решения и изпълнение.
• Хибридна стратегия за управление:
• Автономен режим: Офлайн планиране на път, основано на предварително зададена база на знания, комбинирано с реално-време обратна връзка от сензори за пълно автономно движение и преодоляване на пречки.
• Дистанционно управление: В много комплексни условия, операторите на земята могат да извършват фини манипулации на ниво възли или да издават макро-команди чрез дистанционно вмешателство, поддържано от HD видео (25-30 Hz), предавано от робота.
• Показатели на производителност: Разстояние на един преглед ≥ 2 км, средна скорост ≥ 0.9 м/ч, разстояние на предаване на изображения ≥ 2 км.

2.3 Онлайн индуктивно попълване на енергия и интелигентно управление на енергията: Неограничена продължителност

• Принцип на попълване на енергия: Използва раздельно-ядро токов трансформатор, за да индуктивно попълни енергия от магнитното поле около високонапрегнатия проводник. Ядрото на трансформатора е направено от високопермеабилен железен нанокристален сплав; оптимизиран дизайн позволява нисък стартиращ ток от 32 A.
• Система за енергия: Предоставя стабилно правоизправен напрежение; изходната мощност покрива диапазон на линейния ток от 32 A до 10 kA. Екипирана с 24 V/12 A·h интелигентен Li-ion акумуляторен комплект, използващ три-етапен алгоритъм за зареждане, с защита от прекомерна температура за безопасност, ефективност и дълъг срок на служба.

2.4 Машино зрение за разпознаване на пречки: Точна навигация

• Цел на разпознаване: Точно разпознава ключови пречки като подвесни клампи, праволинейни преминаващи клампи и превратни преминаващи клампи.
• Алгоритъм на процеса:
• Позициониране: Груб позициониране чрез анализ на градационните нива на подблокове, точно разпознаване на предавателната линия чрез еквиализация на гистограмата и порогово деление.
• Извличане на характеристики: Използва морфологични операции за извличане на контури на пречки, анализирайки наклоните на лявата/дясната страна като класификационни характеристики.
• Разпознаване: Прилага фузионен алгоритъм за разпознаване на образец, основаващ се на принципа на максималното членство, за бързо и точно идентифициране на типа пречка.
• Производителност: Време за обработка на едно изображение ≈ 108 ms; надеждно разпознава типични пречки, предоставяйки реално-време вход за решения за преодоляване на пречки.

2.5 Интелигентна диагностика на прекъснати жици: Точни предупреждения за дефекти

• Принцип на детекция: На базата на явленията на местно увеличение на съпротивлението и температурата, причинени от прекъснати жици, използва инфрачервен сензор за детектиране на сигналите на термално излъчване.
• Интелигентна диагностична модель:
• Обработка на сигнала: Използва db4 вълнова база за 6-слойно декомпозиране, за да филтрира шума и да се съсредоточи върху честотните ленти, съдържащи характеристики на дефектите.
• Извличане на характеристики: Въвежда енергийна ентропия на вълнови форми, за да карактеризира сложността на сигнала, комбинирана с пикови стойности на детайлните компоненти, формирайки 4-мерен вектор на характеристики.
• Решение за диагностика: Използва 3-слойна BP невронна мрежа за диагностика. Експерименталната проверка показва 100% точност на тестовите образци и 98% успех на онлайн детекция.

III. Резюме на преимуществата на решението

• Висока адаптивност: Три-раменна гъвкава структура предоставя отлична способност за преодоляване на пречки и адаптивност към терена.
• Висока автономия: Хибридната система за управление позволява дългоразстоячен автономен преглед с възможност за дистанционно вмешателство.
• Дълга продължителност: Иновативното онлайн попълване на енергия фундаментално решава ограниченията на продължителността.
• Точна детекция: Интеграцията на машино зрение и инфрачервена термография с интелигентни алгоритми осигурява висока точност на разпознаване на дефекти.
• Безопасно и икономично: Замества високорисковата ръчна работа, намалявайки опасностите за безопасността и дългосрочните оперативни разходи.

IV. Текущи ограничения и бъдещи перспективи

4.1 Текущи ограничения

• Още изисква минимална ръчна помощ в много комплексни условия на линиите.
• Възможност за допълнителна оптимизация на размера на механизма и хода на преодоляване на пречки за по-компактен дизайн.
• Стартиращият ток на системата за енергия остава относително висок, ограничавайки приложението на линии с много ниска нагрузка.
• Текущите видове дефекти, които се детектират, са главно фокусирани върху прекъснати жици; диапазонът на дефекти, които могат да се детектират, може да бъде разширен.

4.2 Бъдещи перспективи

• Лекосятране на механизма и оптимизация на баланса, за да се подобри ефективността и стабилността при преодоляване на пречки.
• Интеграция на многосензорна навигация, за да се подобри точността на позиционирането и восприятието на околната среда.
• Оптимизация на схемата за попълване на енергия, за да се намали стартиращият ток и да се разширят приложенията.
• Разширяване на библиотеката за диагностика на дефекти, за да включи дефекти като повредени изолатори и замърсяване.
• Подобряване на надеждността на робота, подобряване на индустриалната защита (например, против прах, вода и EMC способности).