Robot de Inspección Autónomo para Líneas de Transmisión de 110kV: Diseño e Implementación de un Sistema Suspendido de Tres Brazos

Resumen

Para abordar las limitaciones inherentes de la inspección manual y la prospección aérea en líneas de transmisión de alta tensión, esta propuesta introduce un robot de inspección autónomo diseñado específicamente para líneas de 110 kV. Con una estructura mecánica suspendida innovadora de tres brazos, el robot integra desplazamiento autónomo, negociación de obstáculos, recolección de energía en línea y diagnóstico de múltiples fallos. Su objetivo es automatizar e intelectualizar la inspección de líneas, mejorando significativamente la eficiencia y la seguridad de la operación y mantenimiento de la red, mientras reduce los costos.

I. Antecedentes del Proyecto y Objetivos

1.1 Antecedentes: Desafíos de los Métodos de Inspección Tradicionales

Las líneas de transmisión de alta tensión, al estar expuestas continuamente a ambientes exteriores, son propensas a defectos como roturas de hilos y desgaste debido a la tensión mecánica, el flashover eléctrico y el envejecimiento del material, lo que requiere inspecciones regulares. Los métodos actuales enfrentan cuellos de botella significativos:

• Inspección Manual: Intensivo en mano de obra, ineficiente, de alto riesgo y fuertemente restringido por el clima y el terreno.
• Prospección Aérea con Drones: Alto costo operativo, duración limitada, sujeto a control del espacio aéreo y condiciones meteorológicas adversas, y difícil para la detección de defectos a corta distancia.

1.2 Objetivos: Una Alternativa de Inspección Inteligente

Este proyecto tiene como objetivo desarrollar un robot de inspección autónomo para líneas de transmisión de alta tensión de 110 kV capaz de reemplazar la mano de obra manual. Los objetivos principales incluyen:

• Autonomía Funcional: Lograr desplazamiento autónomo y negociación precisa de obstáculos (por ejemplo, cruzar amortiguadores de vibración y abrazaderas) en las líneas.
• Detección Inteligente: Integrar sensores visuales e infrarrojos para identificar y diagnosticar automáticamente fallos típicos como roturas de hilos.
• Autosuficiencia Energética: Utilizar tecnología de recolección de energía inductiva sin contacto para la recarga en línea, permitiendo inspecciones a larga distancia.
• Maximización de la Eficiencia: Mejorar grandemente la eficiencia de la inspección y la precisión de los datos, reduciendo así los costos operativos y los riesgos de seguridad.

II. Soluciones Técnicas Núcleo

2.1 Diseño Innovador de Estructura Mecánica: Alta Movilidad y Estabilidad

• Estructura General: Adopta una configuración suspendida de tres brazos que combina las ventajas de mecanismos compuestos de segmentos múltiples separados y ruedas-brazos, equilibrando la eficiencia del movimiento con ruedas con la estabilidad de la reptación tipo oruga. El peso total es aproximadamente de 29 kg.
• Componentes Clave:
• Brazos Flexibles: Los brazos frontal y trasero emplean un mecanismo de doble cuadrilátero articulado, impulsado por un total de 16 motores, permitiendo movimientos de cabeceo independientes o coordinados con capacidad de transición suave entre rigidez y flexibilidad para adaptarse a condiciones complejas de línea.
• Unidad de Propulsión: Utiliza potentes motores DC Maxon suizos con ruedas de tracción central separadas, proporcionando una fuerte capacidad de superación de obstáculos (capaz de pasar amortiguadores de vibración) y capacidad de escalada (rutinaria 60°, hasta 80° con frenado).
• Unidad de Frenado: Emplea un mecanismo de bloqueo automático de deslizador de manivela helicoidal para prevenir eficazmente resbalones o caídas accidentales durante la travesía de pendientes o la negociación de obstáculos.
• Validación Cinemática: Análisis de cinemática inversa basado en el algoritmo iterativo CCD; las simulaciones muestran convergencia en solo 7 iteraciones, validando eficientemente la capacidad del robot para lograr poses complejas como cruzar abrazaderas de suspensión y saltos de 45°.

2.2 Sistema de Control Inteligente Jerárquico: Autonomía Ininterrumpida y Control Remoto

• Arquitectura del Sistema: Adopta una estructura de control distribuida en tres capas (capa superior de gestión en tierra, capa media de planificación del robot, capa inferior de ejecución), coordinada por un ordenador industrial PC/104 y un microcontrolador ATmega128AU para toma de decisiones y ejecución en tiempo real.
• Estrategia de Control Híbrida:
• Modo Autónomo: Planificación de ruta offline basada en una base de conocimientos preestablecida, combinada con retroalimentación de sensores en tiempo real para desplazamiento y negociación de obstáculos completamente autónomos.
• Modo de Control Remoto: En entornos extremadamente complejos, los operadores en tierra pueden realizar manipulaciones finas a nivel de articulación o emitir comandos macro a través de intervención remota, respaldados por video HD (25-30 Hz) transmitido desde el robot.
• Métricas de Rendimiento: Distancia de inspección única ≥ 2 km, velocidad promedio ≥ 0,9 m/h, distancia de transmisión de imagen ≥ 2 km.

2.3 Recolección de Energía Inductiva en Línea y Gestión Inteligente de Energía: Duración Ilimitada

• Principio de Recolección de Energía: Utiliza un transformador de corriente de núcleo dividido para recolectar energía inductivamente del campo magnético alrededor del conductor de alta tensión. El núcleo del TC está hecho de aleación nanocristalina de hierro de alta permeabilidad; un diseño optimizado permite una corriente de arranque baja de 32 A.
• Sistema de Energía: Entrega voltaje rectificado estable; la potencia de salida cubre un rango de corriente de línea de 32 A a 10 kA. Equipado con un paquete de baterías inteligentes Li-ion de 24 V/12 A·h utilizando un algoritmo de carga en tres etapas, con protección contra sobrecalentamiento para seguridad, eficiencia y larga vida útil.

2.4 Reconocimiento de Obstáculos por Visión por Computadora: Navegación Precisa

• Objetivos de Reconocimiento: Identifica con precisión obstáculos clave como abrazaderas de suspensión, abrazaderas de salto en línea recta y abrazaderas de salto en curva.
• Flujo del Algoritmo:
• Posicionamiento: Posicionamiento grueso mediante análisis de escala de grises subbloques, identificación precisa de la línea de transmisión mediante ecualización de histograma y segmentación por umbral.
• Extracción de Características: Extrae contornos de obstáculos utilizando operaciones morfológicas, analizando las pendientes de los bordes izquierdo/derecho como características de clasificación.
• Reconocimiento: Aplica un algoritmo de reconocimiento de patrones difusos basado en el principio de máxima pertenencia para una identificación rápida y precisa del tipo de obstáculo.
• Rendimiento: Tiempo de procesamiento de una sola imagen ≈ 108 ms; identifica confiablemente obstáculos típicos, proporcionando entrada en tiempo real para decisiones de negociación de obstáculos.

2.5 Diagnóstico Inteligente de Roturas de Hilos: Alerta de Fallos Precisa

• Principio de Detección: Basado en el fenómeno de aumento local de resistencia y temperatura debido a roturas de hilos, utiliza un sensor infrarrojo para detectar señales de radiación térmica.
• Modelo de Diagnóstico Inteligente:
• Procesamiento de Señales: Utiliza la base wavelet db4 para descomposición en 6 capas para filtrar ruido y enfocarse en bandas de frecuencia que contienen características de fallo.
• Extracción de Características: Introduce la entropía de energía wavelet para caracterizar la complejidad de la señal, combinada con valores pico a pico de componentes de detalle, formando un vector de características de 4 dimensiones.
• Decisión de Diagnóstico: Utiliza una red neuronal BP de 3 capas para el diagnóstico. La verificación experimental muestra una precisión del 100% en muestras de prueba y una tasa de detección en línea del 98%.

III. Resumen de Ventajas de la Solución

• Alta Adaptabilidad: La estructura flexible de tres brazos proporciona excelente negociación de obstáculos y adaptabilidad al terreno.
• Alta Autonomía: El sistema de control híbrido permite inspecciones autónomas a larga distancia con capacidad de intervención remota.
• Larga Duración: La recolección de energía en línea innovadora resuelve fundamentalmente las limitaciones de duración.
• Detección Precisa: La integración de visión por computadora y termografía infrarroja con algoritmos inteligentes asegura una alta precisión en el reconocimiento de fallos.
• Seguro y Económico: Reemplaza el trabajo manual de alto riesgo, reduciendo peligros de seguridad y costos operativos a largo plazo.

IV. Limitaciones Actuales y Perspectivas Futuras

4.1 Limitaciones Actuales

• Todavía requiere asistencia manual mínima en entornos de línea extremadamente complejos.
• Potencial para una mayor optimización del tamaño del mecanismo y el recorrido de negociación de obstáculos para un diseño más compacto.
• La corriente de arranque del sistema de energía sigue siendo relativamente alta, limitando su aplicación en líneas de muy baja carga.
• Los tipos de detección de fallos actuales se centran principalmente en roturas de hilos; el rango de fallos detectables puede ampliarse.

4.2 Perspectivas Futuras

• Ligereza y optimización del equilibrio del mecanismo para mejorar la eficiencia y estabilidad de la negociación de obstáculos.
• Integración de navegación multi-sensorial para mejorar la precisión de posicionamiento y percepción del entorno.
• Optimización del circuito de recolección de energía para reducir aún más la corriente de arranque y ampliar el rango de aplicación.
• Expansión de la biblioteca de diagnóstico de fallos para incluir defectos como aisladores dañados y contaminación.
• Mejora de la fiabilidad del robot, mejorando la protección de grado industrial (por ejemplo, a prueba de polvo, a prueba de agua y capacidades EMC).