Autonomin inspektionsrobot til 110kV transmissionsledninger: Design og implementering af et trearmet ophængsystem

Resumé

For at tackle de indbyggede begrænsninger ved manuel inspektion og luftbaseret overvågning af højspændingsledninger, introducerer dette forslag en autonom inspektionsrobot specielt designet til 110 kV ledninger. Med en innovativ trearmet suspenderet mekanisk struktur integrerer robotten autonome kravlen, hindrissikring, online energihøstning og flerfejl-diagnose. Målet er at automatisere og intellectualisere linjeinspektion, hvilket betydeligt forbedrer både effektiviteten og sikkerheden i netdrift og -vedligeholdelse, samtidig med at omkostningerne reduceres.

I. Projektbaggrund og mål

1.1 Baggrund: Udfordringer ved traditionelle inspektionsmetoder

Højspændingsledninger, som konstant er udsat for udendørs miljø, er sårbar over for defekter som brudte tråde og slitage på grund af mekanisk spænding, elektrisk flasheovergang og materialealdring, og derfor kræves regelmæssig inspektion. Nuværende metoder står over for betydelige flaskenhalse:

• Manuel inspektion: Arbejdskrævende, ineffektiv, højrisiko og stærkt begrænset af vejr og terræn.
• Drone-baseret luftbaseret overvågning: Høj driftsomkostning, begrænset uholdenhed, underlagt luftrumskontrol og dårligt vejr, samt udfordrende for nærtstående fejlregistrering.

1.2 Mål: En intelligent inspektionsalternativ

Dette projekt har til formål at udvikle en autonom inspektionsrobot til 110 kV højspændingsledninger, der kan erstatte manuelt arbejde. Kernenmål inkluderer:

• Funktionel autonomi: Opnå autonome kravlen og præcis hindrissikring (f.eks. krydse vibrationsdempere og klamper) på ledningen.
• Intelligent registrering: Integrer visuelle og infrarød sensorer for automatisk identifikation og diagnose af typiske fejl som brudte tråde.
• Energi selvforsynelse: Brug ikke-berørende induktiv energihøstningsteknologi til online selvopfyldelse, hvilket gør langdistancens inspektion mulig.
• Maksimeret effektivitet: Forbedre inspektions-effektiviteten og data-præcisionen betydeligt, hvilket reducerer driftsomkostninger og sikkerhedsrisici.

II. Kerne-tekniske løsninger

2.1 Innovativ mekanisk strukturdesign: Høj mobilitet og stabilitet

• Samlet struktur: Bruger en trearmet suspenderet konfiguration, der kombinerer fordelene ved multi-segment adskillelse og hjul-arm kompositmekanismer, balancerer effektiviteten af hjule-baseret bevægelse med stabiliteten af inchworm-lignende kravl. Total vægt er ca. 29 kg.
• Vigtige komponenter:
• Fleksible arme: De forreste og bagerste arme anvender en dobbelt fire-stang koplingsmekanisme, drevet af i alt 16 motorer, der tillader uafhængig eller koordineret pitch-bevægelse med joint-stiffness-flexibility-smooth overgangsfunktion for at tilpasse sig komplekse linjetilstande.
• Antriebsenhed: Bruger højeffektive Schweiziske Maxon DC-motorer med centrale adskilt drivhjul, der giver stærk hindrissikring (i stand til at passere vibrationsdempere) og stigningsevne (rutine 60°, op til 80° med bremse).
• Bremseenhed: Anvender en spiral-krukkeskyder selvlåsesmekanisme for effektivt at forebygge uhensigtsmessig glidning eller fald under hældningsgennemførelse eller hindrissikring.
• Kinematisk validering: Invers kinematisk analyse baseret på CCD-iterativ algoritme; simulationer viser konvergens kun i 7 iterationer, effektivt validerer robotens evne til at opnå komplekse stillinger som krydser suspension klamper og 45° turn jumpers.

2.2 Hierarkisk intelligent kontrolsystem: Naadløs autonomi og fjernkontrol

• Systemarkitektur: Bruger en tre-lags fordelt kontrolstruktur (øverste jordforvaltningslag, midterste robotplanlægningslag, nederste eksekveringslag), koordineret af en PC/104 industrikomputer og en ATmega128AU mikrocontroller for realtid afgørelse og eksekvering.
• Hybrid kontrolstrategi:
• Autonom tilstand: Offline ruteplanlægning baseret på en forudindstillet videnbase, kombineret med realtid sensorfeedback for fuldt autonom kravlen og hindrissikring.
• Fjernkontroltilstand: I yderst komplekse miljøer kan jordoperatører udføre joint-level fine manipulation eller udstede makrokommandoer via fjernintervention, understøttet af HD-video (25–30 Hz) transmitteret fra robotten.
• Ydelsesmålinger: Enkelt inspektionsafstand ≥ 2 km, gennemsnitlig hastighed ≥ 0,9 m/h, billedtransmissionsafstand ≥ 2 km.

2.3 Online induktiv energihøstning & intelligent energistyring: Ubegrænset uholdenhed

• Energihøstningsprincip: Bruger en split-core strømtransformator til induktiv energihøstning fra det magnetiske felt omkring højspændingslederen. CT-kernen er lavet af høj-permeabilitets jernbaseret nanokristallin legeme; en optimeret design gør det muligt med et lavt startstrøm på 32 A.
• Energisystem: Leverer stabil rettet spænding; output effekt dækker en strømbane i intervallet 32 A til 10 kA. Udstyret med en 24 V/12 A·h intelligent Li-ion batteripakke, der anvender en tre-trins opladningsalgoritme, med overtemperaturbeskyttelse for sikkerhed, effektivitet og lang levetid.

2.4 Maskinvision hindrissikring: Præcis navigation

• Genkendelsesmål: Genkender nøglehindrissikring som suspension klamper, retlinje jumper klamper og turn jumper klamper præcist.
• Algoritme flow:
• Positionering: Grov positionering via sub-blok gråtoneanalyse, præcis identifikation af transmissionsledningen via histogram-jævnliggørelse og tærskelsegmentering.
• Egenskabsextraktion: Extraherer hindrissikring konturer ved hjælp af morfologiske operationer, analyserer venstre/højre kant hældning som klassificeringsfunktioner.
• Genkendelse: Anvender en uskarpt mønstergenkendelsesalgoritme baseret på maksimum medlemskabsprincip for hurtig og præcis hindrissikringstypegenkendelse.
• Ydelse: Enkelt billedbehandlings tid ≈ 108 ms; pålideligt genkender typiske hindrissikring, giver realtid input for hindrissikring beslutninger.

2.5 Brudt tråd intelligent diagnose: Præcis fejl-advarsel

• Registreringsprincip: Baseret på fænomenet af lokal resistans øgning og temperaturstigning pga. brudte tråde, anvender en infrarød sensor til at registrere termisk strålingssignal.
• Intelligent diagnosemodel:
• Signalbehandling: Anvender db4 wavelet-base for 6-lags dekomposition for at filtrere støj og fokusere på frekvensbånder, der indeholder fejl-funktioner.
• Egenskabsextraktion: Introducerer wavelet energy entropy for at karakterisere signal kompleksitet, kombineret med peak-to-peak værdier af detaljerede komponenter, dannende en 4-dimensionel egenskabsvektor.
• Diagnosebeslutning: Anvender en 3-lags BP neuralt netværk til diagnose. Eksperimentel verifikation viser 100 % præcision på testprøver og 98 % online detectionsfrekvens.

III. Løsningsfordelersammenfatning

• Høj adaptivitet: Trearm fleksibel struktur giver fremragende hindrissikring og terræntilpasning.
• Høj autonomi: Hybrid kontrolsystem gør det muligt at udføre langdistancens autonome inspektion med fjerninterventionskapacitet.
• Lang uholdenhed: Innovativ online energihøstning løser fundamentalt uholdenhedsbegrænsninger.
• Præcis registrering: Integration af maskinvision og infrarød thermografi med intelligente algoritmer sikrer høj fejl-genkendelsespræcision.
• Sikkert og økonomisk: Erstatter højrisiko manuelt arbejde, reducerer sikkerhedsrisici og længerefristede driftsomkostninger.

IV. Nuværende begrænsninger og fremtidige perspektiver

4.1 Nuværende begrænsninger

• Kræver stadig minimal manuel assistance i yderst komplekse linjemiljøer.
• Potential for yderligere optimering af mekanismestørrelse og hindrissikring slaglængde for et mere kompakt design.
• Energisystemets startstrøm er stadig relativt høj, begrænser anvendelse på meget lavbelastede linjer.
• Nuværende fejlregistreringstyper er hovedsageligt fokuseret på brudte tråde; det registrerbare fejlområde kan udvides.

4.2 Fremtidig udsigt

• Mekanismelighter og balanceoptimering for at forbedre hindrissikringseffektivitet og stabilitet.
• Integration af multi-sensor navigation for at forbedre positionering og miljøperception præcision.
• Optimering af energihøstningskredsløbet for at reducere startstrømmen yderligere og udvide anvendelsesområdet.
• Udvidelse af fejldiagnoselibrary for at inkludere defekter som skadede isolatorer og forurening.
• Forbedring af robotens pålidelighed, forbedring af industriklasse beskyttelse (f.eks. støvbestandig, vandbestandig og EMC kapaciteter).