Robot d'inspecció autònoma per a línies de transmissió de 110kV: Disseny i implementació d'un sistema sospès de tres braços

Resum

Per abordar les limitacions inherent a l'inspecció manual i la prospecció aèria de les línies d'alta tensió, aquesta proposta presenta un robot d'inspecció autònom específicament dissenyat per a línies elèctriques de 110 kV. Amb una estructura mecànica suspesa innovadora de tres braços, el robot integra la cua automàtica, la negociació d'obstacles, la recol·lecció de energia en línia i el diagnòstic de múltiples falles. El seu objectiu és automatitzar i intel·lectualitzar la inspecció de línies, millorant significativament tant l'eficiència com la seguretat de l'operació i manteniment de la xarxa, alhora que redueix els costos.

I. Antecedents del projecte i objectius

1.1 Antecedents: Desafiaments dels mètodes tradicionals d'inspecció

Les línies d'alta tensió, estant exposades contínuament a l'entorn exterior, són propenses a defectes com fils trencats i desgast per tensió mecànica, flashover elèctric i envejecimiento del material, necessitant per tant inspeccions regulars. Els mètodes actuals enfronten botellers significatius:

• Inspecció manual: Intensiva en mà d'obra, ineficient, d'alt risc i fortement condicionada pel clima i el terreny.
• Prospecció aèria amb drones: Cost operatiu elevat, durada limitada, subjecta al control de l'espai aeri i a les condicions meteorològiques adverses, i difícil per a la detecció de defectes a curt terme.

1.2 Objectius: Una alternativa d'inspecció intel·ligent

Aquest projecte té com a objectiu desenvolupar un robot d'inspecció autònom per a línies d'alta tensió de 110 kV capaç de substituir la mà d'obra humana. Els objectius principals inclouen:

• Autonomia funcional: Assolir la cua automàtica i la negociació precisa d'obstacles (p. ex., creuar amortidors de vibració i pinzes).
• Detecció intel·ligent: Integrar sensors visuals i infrarojos per identificar i diagnosticar automàticament falles típiques com fils trencats.
• Autosuficiència energètica: Utilitzar tecnologia de recol·lecció de energia inductiva sense contacte per a la repleció en línia, permetent la inspecció a llarga distància.
• Maximització de l'eficiència: Millorar enormement l'eficiència de la inspecció i la precisió de les dades, reduint els costos operatius i els riscos de seguretat.

II. Solucions tècniques centrals

2.1 Disseny mecànic innovador: Alta mobilitat i estabilitat

• Estructura global: Adopça una configuració suspesa de tres braços que combina les avantatges de mecanismes separats en diversos segments i mecanismes compostos de rodes-braços, equilibrant l'eficiència del moviment amb rodes amb la estabilitat de la cua inchworm. El pes total és aproximadament de 29 kg.
• Components clau:
• Braços flexibles: Els braços frontal i posterior utilitzen un mecanisme de doble barra de quatre varets, impulsat per un total de 16 motors, permetent el moviment de pitch independent o coordinat amb una transició suau entre la rigidesa i la flexibilitat de les articulacions per adaptar-se a condicions complexes de línia.
• Unitat de propulsió: Utilitza motors DC Maxon de alta potència amb rodes motrius separades al centre, proporcionant una forta capacitat de superació d'obstacles (capaces de passar amortidors de vibració) i capacitat de pujada (rutinariament 60°, fins a 80° amb frenat).
• Unitat de frenat: Emplea un mecanisme d'autoblocatge de cremallera helicoidal per prevenir eficientment esllissaments o caigudes accidentals durant la travessia de pendents o la negociació d'obstacles.
• Validació cinemàtica: Anàlisi de cinemàtica inversa basada en l'algoritme iteratiu CCD; les simulacions mostren convergència en només 7 iteracions, validant eficientment la capacitat del robot per assolir poses complexes com el creuat de pinzes de suspensió i saltadors de 45°.

2.2 Sistema de control intel·ligent jeràrquic: Autonomia fluida i control remot

• Arquitectura del sistema: Adopça una estructura de control distribuïda en tres nivells (capa superior de gestió al terra, capa mitjana de planificació del robot, capa inferior d'execució), coordinada per un ordinador industrial PC/104 i un microcontrolador ATmega128AU per a la presa de decisions i execució en temps real.
• Estratègia de control híbrid:
• Mode autònom: Planificació de camins offline basada en una base de coneixements preestablerta, combinada amb retroalimentació de sensors en temps real per a la cua i la negociació d'obstacles totalment autònoma.
• Mode de control remot: En entorns extremadament complexos, els operadors al terra poden realitzar manipulacions finas a nivell de juntures o emitir ordres macro a través d'intervencions remotes, suportades per vídeo HD (25-30 Hz) transmès des del robot.
• Mètriques de rendiment: Distància d'inspecció única ≥ 2 km, velocitat mitjana ≥ 0,9 m/h, distància de transmissió d'imatges ≥ 2 km.

2.3 Recol·lecció de energia inductiva en línia i gestió intel·ligent de l'energia: Endurada il·limitada

• Principi de recol·lecció de energia: Utilitza un transformador de corrent de nucli dividit per recol·lectar energia inductivament del camp magnètic al voltant del conductor d'alta tensió. El nucli del TC està fet d'una alliota nanocristal·lina de ferro de alta permeabilitat; un disseny optimitzat permet una corrent d'inici baixa de 32 A.
• Sistema d'energia: Proporciona una tensió rectificada estable; la potència de sortida cobreix un rang de corrent de línia de 32 A a 10 kA. Equipat amb un paquet de bateries Li-ion intel·ligents de 24 V/12 A·h que utilitza un algoritme de càrrega en tres etapes, amb protecció contra sobrecalentament per a seguretat, eficiència i llarga vida útil.

2.4 Reconeixement d'obstacles amb visió per computador: Navegació precisa

• Objectius de reconeixement: Identifica amb precisió obstacles clau com pinzes de suspensió, pinzes de saltadors rectilinis i pinzes de saltadors de gir.
• Flux de l'algoritme:
• Posicionament: Posicionament groc a través de l'anàlisi de nivells de gris en subbloques, identificació precisa de la línia de transmissió a través de l'igualació d'histogrames i segmentació de llindar.
• Extracció de característiques: Extrau contorns d'obstacles utilitzant operacions morfològiques, analitzant les pendents de les vores esquerra/dreta com a característiques de classificació.
• Reconeixement: Aplica un algoritme de reconeixement de patrons difus basat en el principi de la màxima pertinença per a una identificació ràpida i precisa del tipus d'obstacle.
• Rendiment: Temps de processament d'una imatge ≈ 108 ms; identifica de manera fiable obstacles típics, proporcionant entrada en temps real per a decisions de negociació d'obstacles.

2.5 Diagnòstic intel·ligent de fils trencats: Avís de falles precís

• Principi de detecció: Basat en el fenomen de l'augment localitzat de resistència i temperatura degut a fils trencats, utilitza un sensor infraroig per detectar senyals de radiació tèrmica.
• Model de diagnòstic intel·ligent:
• Processament de senyals: Utilitza la base wavelet db4 per a una descomposició en 6 nivells per filtrar soroll i centrar-se en bandes de freqüència que contenen característiques de falla.
• Extracció de característiques: Introdueix l'entropia d'energia wavelet per caracteritzar la complexitat del senyal, combinada amb els valors de pic a pic de les components de detall, formant un vector de característiques de 4 dimensions.
• Decisió de diagnòstic: Utilitza una xarxa neuronal BP de 3 nivells per al diagnòstic. La verificació experimental mostra una precisió del 100% en mostres de prova i un èxit de detecció en línia del 98%.

III. Resum d'avanços de la solució

• Alta adaptabilitat: L'estructura flexible de tres braços proporciona excel·lents habilitats de negociació d'obstacles i adaptabilitat al terreny.
• Alta autonomia: El sistema de control híbrid permet la inspecció autònoma a llarga distància amb capacitat d'intervenció remota.
• Longa endurada: La recol·lecció de energia en línia innovadora resol fonamentalment les limitacions d'endurada.
• Detecció precisa: La integració de la visió per computador i la termografia infraroja amb algoritmes intel·ligents assegura una alta precisió en el reconeixement de falles.
• Segur i econòmic: Substitueix la feina manual d'alt risc, reduint els perills de seguretat i els costos operatius a llarg termini.

IV. Limitacions actuals i perspectives futures

4.1 Limitacions actuals

• Todavía requereix assistència manual mínima en entorns de línia extremadament complexos.
• Potentcial per a una optimització addicional de la mida del mecanisme i la carrera de negociació d'obstacles per a un disseny més compacte.
• La corrent d'inici del sistema d'energia encara és relativament alta, limitant l'aplicació en línies de molt baixa càrrega.
• El tipus de detecció de falles actuals es centra principalment en fils trencats; el rang de falles detectables pot ser ampliat.

4.2 Perspectiva futura

• Lleugeresa i optimització de l'equilibri del mecanisme per millorar l'eficiència i la estabilitat de la negociació d'obstacles.
• Integració de la navegació multisensorial per millorar la precisió de la posició i la percepció ambiental.
• Optimització del circuit de recol·lecció de energia per reduir encara més la corrent d'inici i expandir el rang d'aplicació.
• Ampliació de la biblioteca de diagnòstic de falles per incloure defectes com aïllants dañats i contaminació.
• Millora de la fiabilitat del robot, millorant la protecció industrial (p. ex., protecció contra pols, aigua i EMC).