Autonomní inspekční robot pro 110kV přenosové linky: Návrh a implementace tříramenného pověšeného systému

Abstrakt

Pro řešení vrozených omezení ruční inspekce a leteckého průzkumu vysokonapěťových přenosových linek tento návrh představuje autonomní inspekční robota speciálně navrženou pro 110 kV elektrické vedení. S inovativní tříramennou visutou mechanickou strukturou integruje robot autonomní plazení, překonávání překážek, online získávání energie a diagnostiku více poruch. Cílem je automatizovat a inteligentně provést inspekcí linky, což výrazně zlepší efektivitu a bezpečnost provozu a údržby sítě a zároveň sníží náklady.

I. Pozadí projektu a cíle

1.1 Pozadí: Výzvy tradičních metod inspekce

Vysokonapěťové přenosové linky, které jsou neustále vystaveny venkovnímu prostředí, jsou náchylné k vadám jako je roztržení drátů a opotřebení kvůli mechanickému napětí, elektrickému prosvícení a stárnutí materiálů, což vyžaduje pravidelnou inspekci. Současné metody čelí významným omezujícím faktorům:

• Ruční inspekce: Náročná na práci, neefektivní, vysoké riziko a silně omezovaná počasím a terénem.
• Letecký průzkum pomocí dronů: Vysoké provozní náklady, omezená doba letu, podléhají kontrole leteckého prostoru a nepříznivému počasí, a je obtížné detekovat vadu v blízkosti.

1.2 Cíle: Inteligentní alternativa k inspekci

Tento projekt má za cíl vyvinout autonomní inspekční robota pro 110 kV vysokonapěťové přenosové linky schopnou nahradit ruční práci. Klíčové cíle zahrnují:

• Funkční autonomie: Dosáhnout autonomního plazení a přesného překonávání překážek (např. přechod tlumičů vibrací a kleští) na lince.
• Inteligentní detekce: Integrace vizuálních a infračervených senzorů pro automatickou identifikaci a diagnostiku typických vad jako je roztržení drátů.
• Energetická sebezpěčení: Využití technologie nekontaktní induktivního získávání energie pro online sebezásobení, umožňující dlouhé vzdálenosti inspekce.
• Maximalizace efektivity: Velmi zvýšit efektivitu inspekce a přesnost dat, čímž snížit provozní náklady a bezpečnostní rizika.

II. Klíčová technická řešení

2.1 Inovativní návrh mechanické struktury: Vysoká pohyblivost a stabilita

• Celková struktura: Používá tříramennou visutou konfiguraci, která kombinuje výhody vícesegmentových oddělených a kolových kompozitních mechanismů, vyvažuje efektivitu kolového pohybu s stabilitou dvojitého plazeni. Celková hmotnost je přibližně 29 kg.
• Klíčové komponenty:
• Pohyblivé ramena: Přední a zadní rameno používá dvoudílný čtyřpruhový vazební mechanismus, poháněn celkově 16 motory, umožňující nezávislé nebo koordinované sklonové pohyby s hladkým přechodem mezi tuhostí a pohyblivostí kloubů pro adaptaci na složité podmínky linky.
• Pohon jednotky: Používá vysokovýkonové švýcarské Maxon DC motory s centrálně oddělenými pohonnými koly, poskytující silnou schopnost překonávání překážek (schopnost projít tlumičem vibrací) a schopnost stoupání (běžně 60°, až 80° s brzděním).
• Jednotka brzdění: Používá spirálový klikový skluzák samozařizující se mechanismus, který efektivně brání náhodnému klouzání nebo pádu během přechodu svahu nebo překonávání překážek.
• Kinematická validace: Inverzní kinematická analýza založená na iterativním algoritmu CCD; simulace ukazují konvergenci pouze v 7 iteracích, což efektivně ověřuje schopnost robota dosáhnout složitých poloh, jako je přechod suspendační kleště a 45° skokové přeskoky.

2.2 Hierarchický inteligentní řídicí systém: Bezproblémová autonomie a dálkové ovládání

• Aplikační architektura: Používá třívrstvou distribuovanou řídicí strukturu (horní vrstva správy země, střední vrstva plánování robota, spodní vrstva provádění), koordinovanou PC/104 průmyslovým počítačem a mikrokontrolerem ATmega128AU pro reálně časové rozhodování a provádění.
• Kombinovaná strategie řízení:
• Autonomní režim: Offline plánování cesty založené na předem nastavené znalostní bázi, kombinované s reálně časovým zpětným vztahem senzorů pro plně autonomní plazení a překonávání překážek.
• Dálkově ovládaný režim: V extrémně složitých prostředích mohou operátoři na zemi provádět jemné manipulace na úrovni kloubů nebo vydávat makropříkazy prostřednictvím dálkové intervence, podporované HD videem (25–30 Hz) přenášeným z robota.
• Úroveň výkonu: Jediná inspekční vzdálenost ≥ 2 km, průměrná rychlost ≥ 0,9 m/h, vzdálenost přenosu obrazu ≥ 2 km.

2.3 Online induktivní získávání energie a inteligentní správa energie: Neomezená výdrž

• Zásada získávání energie: Používá dělený jádrový proudový transformátor pro induktivní získávání energie z magnetického pole okolo vysokonapěťového vodiče. Jádro CT je vyrobeno z nanočásticové slitiny železa s vysokou permeabilitou; optimalizovaný návrh umožňuje nízký startovací proud 32 A.
• Systém energie: Poskytuje stabilní upravené napětí; výstupní výkon pokrývá rozsah proudu vodiče od 32 A do 10 kA. Je vybaven 24 V/12 A·h inteligentním Li-ion akumulátorovým balíkem s třístupňovým nabíjecím algoritmem, s ochranou před přetopením pro bezpečnost, efektivitu a dlouhou životnost.

2.4 Počítačové vidění pro rozpoznávání překážek: Přesná navigace

• Cíle rozpoznávání: Přesně identifikuje klíčové překážky, jako jsou suspendační kleště, přímé skokové kleště a obloukové skokové kleště.
• Algoritmus:
• Pozicování: Hrubé pozicování pomocí analytické analýzy podbloku šedi, přesné identifikace přenosové linky pomocí vyrovnání histogramu a prahové segmentace.
• Extrakce rysů: Extrahuje kontury překážek pomocí morfologických operací, analyzuje levé/pravé hrany sklonů jako klasifikační rysy.
• Rozpoznávání: Používá fuzzy model rozpoznávání vzorů založený na principu maximálního členství pro rychlé a přesné identifikace typu překážky.
• Výkon: Čas zpracování jednoho obrázku ≈ 108 ms; spolehlivě identifikuje typické překážky, poskytuje reálně časový vstup pro rozhodování o překonávání překážek.

2.5 Inteligentní diagnostika roztržení drátů: Přesné varování před poruchami

• Zásada detekce: Založena na jevu lokálního zvýšení odporu a teploty kvůli roztržení drátů, používá infračervený senzor pro detekci tepelných radiace signálů.
• Inteligentní diagnostický model:
• Zpracování signálu: Používá db4 waveletovou bázi pro 6vrstvé dekompozici k filtrování šumu a zaměření na frekvenční pásma obsahující rysy poruch.
• Extrakce rysů: Zavádí waveletovou entropii energie pro charakterizaci složitosti signálu, kombinovanou s vrcholovými hodnotami detailních komponent, tvoří 4-dimenzionální vektor rysů.
• Rozhodnutí o diagnostice: Používá 3vrstvou BP neuronovou síť pro diagnostiku. Experimentální ověření ukazuje 100 % přesnosti na testovacích vzorcích a 98 % úspěšnosti detekce online.

III. Shrnutí výhod řešení

• Vysoká adaptabilita: Tříramenná pohyblivá struktura poskytuje vynikající schopnost překonávání překážek a adaptabilitu terénu.
• Vysoká autonomie: Kombinovaný řídicí systém umožňuje dlouhé vzdálenosti autonomní inspekce s možností dálkové intervence.
• Dlouhá výdrž: Inovativní online získávání energie zásadně řeší omezení výdrže.
• Přesná detekce: Integrace počítačového vidění a infračervené termografie s inteligentními algoritmy zajišťuje vysokou přesnost rozpoznávání poruch.
• Bezpečné a ekonomické: Nahrazuje vysokorizikovou ruční práci, snižuje bezpečnostní rizika a dlouhodobé provozní náklady.

IV. Současné omezení a budoucí perspektivy

4.1 Současné omezení

• Stále vyžaduje minimální ruční asistenci v extrémně složitých podmínkách linky.
• Možnost další optimalizace velikosti mechanismu a dráhy překonávání překážek pro kompaktnější návrh.
• Startovací proud systému energie zůstává relativně vysoký, což omezuje použití na velmi nízké zátěži linkách.
• Současný rozsah detekovatelných poruch je hlavně zaměřen na roztržení drátů; rozsah detekovatelných poruch lze rozšířit.

4.2 Budoucí výhled

• Olehčení a optimalizace vyvážení mechanismu pro zlepšení efektivity a stability překonávání překážek.
• Integrace multi-senzorové navigace pro zlepšení přesnosti pozicování a vnímání prostředí.
• Optimalizace obvodu získávání energie pro dále snížení startovacího proudu a rozšíření oblasti použití.
• Rozšíření knihovny diagnostiky poruch, aby zahrnovala vadu, jako je poškození izolátorů a kontaminace.
• Zlepšení spolehlivosti robota, zlepšení průmyslové ochrany (např. proti prachu, vodě a EMC schopností).