Αυτόνομος Ρομπότ για την Έλεγχο Γραμμών Μετάδοσης 110kV: Σχεδιασμός και Υλοποίηση ενός Συστήματος με Τρεις Βράχια Εκρέμασης

Περίληψη

Για την αντιμετώπιση των εγγενών περιορισμών της χειροκίνητης επιθεώρησης και της αεροφωτογράφησης για υψηλής τάσης γραμμές μεταφοράς, η παρούσα πρόταση παρουσιάζει έναν αυτόνομο ρομπότ επιθεώρησης, σχεδιασμένο ειδικά για γραμμές 110 kV. Με μια καινοτόμο μηχανική δομή με τρία χέρια, ο ρομπότ ενσωματώνει αυτόνομη περιπλάνηση, διαπραγμάτευση εμποδίων, ανάρτηση ενέργειας σε λίνια και πολυ-διάγνωση λανθάνων. Στόχος του είναι να αυτοματοποιήσει και να εξελιχθεί η επιθεώρηση των γραμμών, βελτιώνοντας σημαντικά την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια της λειτουργίας και της συντήρησης του δικτύου, μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος.

I. Φόντο Προγράμματος και Στόχοι

1.1 Φόντο: Προκλήσεις των Παραδοσιακών Μεθόδων Επιθεώρησης

Οι υψηλής τάσης γραμμές μεταφοράς, που είναι συνεχώς εκτεθειμένες σε εξωτερικό περιβάλλον, είναι ευάλωτες σε παραβιάσεις όπως σπασμένα σχοινιά και φθορά λόγω μηχανικής τάσης, ηλεκτρικής σειρήνας και σταρένσης των υλικών, κάτι που απαιτεί συνεχή επιθεώρηση. Οι τρέχουσες μεθόδοι αντιμετωπίζουν σημαντικά προβλήματα:

• Χειροκίνητη Επιθεώρηση: Απαιτεί πολύ εργατικό δυναμικό, είναι αναποτελεσματική, υψηλού κινδύνου και είναι σημαντικά περιορισμένη από το κλίμα και το έδαφος.
• Αεροφωτογράφηση με Δρόνο: Υψηλό κόστος λειτουργίας, περιορισμένη διάρκεια, υπό τον έλεγχο του αεροδιαστηματικού χώρου και του ανεπιθύμητου καιρού, και δύσκολη για την εξακρίβωση λανθάνων σε κοντινή απόσταση.

1.2 Στόχοι: Ένα Νοηματικό Εναλλακτικό Επιθεώρησης

Το πρόγραμμα αυτό έχει ως στόχο την ανάπτυξη ενός αυτόνομου ρομπότ επιθεώρησης για υψηλής τάσης γραμμές 110 kV, ικανό να αντικαταστήσει την χειροκίνητη εργασία. Κεντρικοί στόχοι περιλαμβάνουν:

• Λειτουργική Αυτονομία: Να επιτευχθεί αυτόνομη περιπλάνηση και ακριβής διαπραγμάτευση εμποδίων (π.χ., διασχίσεις αναστατωτών και κλάμπων) στις γραμμές.
• Νοηματική Ανίχνευση: Ενσωμάτωση οπτικών και υπερθερμικών αισθητήρων για αυτόματη αναγνώριση και διάγνωση τυπικών λανθάνων όπως σπασμένα σχοινιά.
• Ενεργειακή Αυτάρκεια: Χρήση τεχνολογίας ανάρτησης ενέργειας χωρίς επαφή για αυτόνομη ανανέωση σε λίνια, επιτρέποντας μακρινή επιθεώρηση.
• Μέγιστη Αποτελεσματικότητα: Να ενισχυθεί σημαντικά η αποτελεσματικότητα της επιθεώρησης και η ακρίβεια των δεδομένων, μειώνοντας το κόστος λειτουργίας και τους κινδύνους ασφάλειας.

II. Κύριες Τεχνικές Λύσεις

2.1 Καινοτόμος Σχεδιασμός Μηχανικής Δομής: Υψηλή Κινητικότητα και Σταθερότητα

• Συνολική Δομή: Χρησιμοποιεί μια τριχείρη ανακρεμασμένη διάταξη που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των πολυτμημάτων χωρισμένων και των συνδυασμένων μηχανισμών τροχών-χεριών, ισορροπώντας την αποτελεσματικότητα της κίνησης με τροχούς με τη σταθερότητα της κινήσης όπως των μυρμηγκιών. Το συνολικό βάρος είναι περίπου 29 kg.
• Κύρια Συστατικά:
• Ευέλικτα Χέρια: Τα μπροστινά και πίσω χέρια χρησιμοποιούν μηχανισμό διπλής τετραπλής σύνδεσης, κινούμενα από συνολικά 16 μοτέρ, επιτρέποντας ανεξάρτητη ή συντονισμένη κίνηση κλίσης με ικανότητα μετάβασης από στιβαρότητα σε ευελιξία για προσαρμογή σε πολύπλοκες συνθήκες γραμμής.
• Μονάδα Οδήγησης: Χρησιμοποιεί υψηλό-δύναμη Maxon DC μοτέρ με κέντρο-χωρισμένους οδηγούς τροχούς, παρέχοντας ισχυρή δυνατότητα διασχίσεως εμποδίων (ικανότητα διασχίσεως αναστατωτών) και ανάκαμψης (συνήθως 60°, έως 80° με φρένο).
• Μονάδα Φρένων: Χρησιμοποιεί μηχανισμό ελικοειδούς-κρανίου συρματοκινητήρα αυτοκατασκευής για αποτελεσματική πρόληψη ατυχήματος σε διασχίσεις πλαγίων ή εμποδίων.
• Κινηματική Επιβεβαίωση: Ανάλυση αντίστροφης κινηματικής με βάση τον αλγόριθμο CCD; οι προσομοιώσεις δείχνουν σύγκλιση μόνο σε 7 επαναλήψεις, επιβεβαιώνοντας αποτελεσματικά την ικανότητα του ρομπότ να επιτευχθούν πολύπλοκες στάσεις όπως η διασχίση κλάμπων και των 45° πηδήματων.

2.2 Ιεραρχικό Σύστημα Νοηματικής Ελέγχου: Συνεχής Αυτονομία και Απομακρυσμένη Ελαχιστοποίηση

• Αρχιτεκτονική Συστήματος: Χρησιμοποιεί μια τριών επιπέδων διανεμημένη δομή ελέγχου (άνω επίπεδο διαχείρισης, μέσο επίπεδο προγραμματισμού ρομπότ, κάτω επίπεδο εκτέλεσης), συντονιζόμενη από ένα PC/104 βιομηχανικό υπολογιστή και ένα ATmega128AU μικροελεγκτή για πραγματικό χρόνο λήψης αποφάσεων και εκτέλεσης.
• Υβριδική Στρατηγική Ελέγχου:
• Αυτόνομη Λειτουργία: Προγραμματισμός διαδρομής offline με βάση μια προκαθορισμένη βάση γνώσεων, συνδυασμένη με ανταπόκριση αισθητήρων σε πραγματικό χρόνο για αυτόνομη περιπλάνηση και διαπραγμάτευση εμποδίων.
• Λειτουργία Απομακρυσμένης Ελέγχου: Σε εξαιρετικά πολύπλοκα περιβάλλοντα, οι επιχειρησιακοί επιβλέποντες μπορούν να εκτελέσουν λεπτομερής ελεγχό με άρθρωση ή να εκδώσουν μακρο-εντολές μέσω απομακρυσμένης παρέμβασης, υποστηριζόμενοι από HD βίντεο (25-30 Hz) που μεταδίδεται από το ρομπότ.
• Μετρήσεις Απόδοσης: Μονοπάτι επιθεώρησης ≥ 2 km, μέση ταχύτητα ≥ 0.9 m/h, απόσταση μεταφοράς εικόνας ≥ 2 km.

2.3 Ανάρτηση Ενέργειας Σε Λίνια και Νοηματική Διαχείριση Ενέργειας: Απεριόριστη Διάρκεια

• Αρχή Ανάρτησης Ενέργειας: Χρησιμοποιεί σπασμένη πύξιδα ρεύματος για ανάρτηση ενέργειας από το μαγνητικό πεδίο γύρω από τον υψηλής τάσης συνδυασμό. Η πύξιδα είναι κατασκευασμένη από υψηλή διαθεσιμότητα μαγνητικής αντίδρασης επί τεμάχιων ανάκρισης σε σύνθεση ασβεστού-νάνων; ένα βελτιωμένο σχεδιασμό επιτρέπει μικρή αρχική τροπή 32 A.
• Σύστημα Ενέργειας: Παρέχει σταθερή ορθογωνική τάση; η εξόδια ενέργεια καλύπτει μια γραμμή ρεύματος 32 A έως 10 kA. Εξοπλισμένο με 24 V/12 A·h νοηματικό σύστημα Li-ion μπαταρίας με τριμερής στάδιο φόρτισης αλγόριθμο, με προστασία υπερθερμίας για ασφάλεια, αποτελεσματικότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής.

2.4 Μηχανική Οπτική Ανίχνευση Εμποδίων: Ακριβής Πλοήγηση

• Στόχοι Ανίχνευσης: Ακριβής αναγνώριση κλειδίων εμποδίων όπως κλάμπες, κλάμπες ευθείας πηδήματος και κλάμπες περιστροφής.
• Ροή Αλγορίθμου:
• Θέση: Γενική θέση μέσω ανάλυσης υποκαταστάσεων τονικών, ακριβής αναγνώριση της γραμμής μεταφοράς μέσω ισοδυναμίας ιστογράμματος και κατανομής κατηγοριών.
• Εξαγωγή Χαρακτηριστικών: Εξαγωγή ορίων εμποδίων με μορφολογικές λειτουργίες, ανάλυση των κλίσεων αριστερού/δεξιού άκρου ως χαρακτηριστικά ταξινόμησης.
• Αναγνώριση: Εφαρμογή αλγορίθμου ασαφούς ταξινόμησης με βάση την αρχή της μέγιστης ανήκειας για γρήγορη και ακριβή ταξινόμηση των εμποδίων.
• Απόδοση: Χρόνος επεξεργασίας μιας εικόνας ≈ 108 ms; αξιόπιστη αναγνώριση τυπικών εμποδίων, παρέχοντας πραγματικό χρόνο εισαγωγής για αποφάσεις διαπραγμάτευσης εμποδίων.

2.5 Νοηματική Διάγνωση Σπασμένων Σχοινιών: Ακριβής Προειδοποίηση Λανθάνων

• Αρχή Ανίχνευσης: Βασισμένη στο φαινόμενο της τοπικής αύξησης της αντίστασης και της θερμοκρασίας λόγω σπασμένων σχοινιών, χρησιμοποιεί υπερθερμικό αισθητήρα για την ανίχνευση θερμοκρασιακών σημάτων.
• Νοηματικό Μοντέλο Διάγνωσης:
• Επεξεργασία Σημάτων: Χρησιμοποιεί τη βάση db4 wavelet για 6-επίπεδη διάσπαση για την εξάλειψη θορύβου και την επικέντρωση σε συχνότητες που περιέχουν χαρακτηριστικά λανθάνων.
• Εξαγωγή Χαρακτηριστικών: Εισάγει την ενέργεια wavelet entropy για την χαρακτηριστική πολυπλοκότητα του σήματος, συνδυασμένη με τις κορυφές-στοιχεία λεπτομερειών, δημιουργώντας ένα 4-διάστατο διάνυσμα χαρακτηριστικών.
• Απόφαση Διάγνωσης: Χρησιμοποιεί 3-επίπεδο BP νευρωνικό δίκτυο για διάγνωση. Πειραματική επιβεβαίωση δείχνει 100% ακρίβεια σε δείγματα δοκιμής και 98% επιτυχία σε διαδικασία εντοπισμού.

III. Συνοπτική Περιγραφή Πλεονεκτημάτων Λύσης

• Υψηλή Προσαρμοστικότητα: Η τριχείρη ευέλικτη δομή παρέχει εξαιρετική διαπραγμάτευση εμποδίων και προσαρμοστικότητα στο έδαφος.
• Υψηλή Αυτονομία: Το υβριδικό σύστημα ελέγχου επιτρέπει μακρινή αυτόνομη επιθεώρηση με δυνατότητα απομακρυσμένης παρέμβασης.
• Μεγάλη Διάρκεια: Η καινοτόμος ανάρτηση ενέργειας σε λίνια επιλύει ουσιαστικά τους περιορισμούς διάρκειας.
• Ακριβής Ανίχνευση: Η ενσωμάτωση μηχανικής οπτικής και υπερθερμικής θερμογραφίας με νοηματικούς αλγόριθμους εξασφαλίζει υψηλή ακρίβεια ανίχνευσης λανθάνων.
• Ασφάλεια και Οικονομικότητα: Αντικαθιστά την υψηλού κινδύνου χειροκίνητη εργασία, μειώνοντας τους κινδύνους ασφάλειας και τα μακροπρόθεσμα λειτουργικά κόστη.

IV. Τρέχοντες Περιορισμοί και Μέλλον

4.1 Τρέχοντες Περιορισμοί

• Απαιτεί ελάχιστη χειροκίνητη βοήθεια σε εξαιρετικά πολύπλοκα περιβάλλοντα γραμμής.
• Πιθανότητα περαιτέρω βελτίωσης του μεγέθους του μηχανισμού και της διαπραγμάτευσης εμποδίων για πιο συμπαγή σχεδιασμό.
• Η αρχική τροπή του συστήματος ενέργειας παραμένει σχετικά υψηλή, περιορίζοντας την εφαρμογή σε γραμμές πολύ χαμηλής φορτίας.
• Οι τρέχοντες τύποι ανίχνευσης λανθάνων είναι κυρίως επικεντρωμένοι σε σπασμένα σχοινιά; η εύρεση λανθάνων μπορεί να επεκταθεί.

4.2 Προοπτικές για το Μέλλον

• Ελαφρύνση του μηχανισμού και βελτίωση της ισορροπίας για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και σταθερότητας της διαπραγμάτευσης εμποδίων.
• Ενσωμάτωση πολυαισθητήρων πλοήγησης για τη βελτίωση της ακρίβειας της θέσης και της αντίληψης του