ربات بازرسی خودکار برای خطوط انتقال ۱۱۰ کیلوولت: طراحی و پیاده‌سازی سیستم معلق سه‌بازویی

چکیده

برای رفع محدودیت‌های ذاتی بازرسی دستی و پروازی خطوط انتقال برق با ولتاژ بالا، این پیشنهاد یک ربات بازرسی خودکار طراحی شده برای خطوط برق ۱۱۰ کیلوولت معرفی می‌کند. این ربات با ساختار مکانیکی مشعلی سه‌بازوی نوآورانه، قابلیت‌های حرکت خودکار، عبور از موانع، تأمین انرژی آنلاین و تشخیص چندگانه نقص‌ها را ترکیب می‌کند. هدف آن است که بازرسی خطوط را خودکار و هوشمندانه کند و به طور قابل توجهی کارایی و ایمنی عملیات و نگهداری شبکه را افزایش دهد و هزینه‌ها را کاهش دهد.

۱. زمینه پروژه و اهداف

۱.۱ زمینه: چالش‌های روش‌های بازرسی سنتی

خطوط انتقال برق با ولتاژ بالا که به طور مداوم در محیط خارج قرار دارند، به دلیل تنش مکانیکی، جرقه الکتریکی و پیری مواد، مستعد نقص‌هایی مانند شکستن ریسمان‌ها و سایش هستند و بنابراین نیاز به بازرسی منظم دارند. روش‌های فعلی با محدودیت‌های قابل توجهی مواجه هستند:

• بازرسی دستی: کارآمدی کم، خطر بالا و محدودیت‌های زیاد ناشی از آب و هوایی و زمین‌شناسی.
• بازرسی پروازی با هواپیماهای بدون سرنشین (드رونز): هزینه عملیاتی بالا، محدودیت در تحمل، تحت کنترل فضای هوایی و آب و هوای نامساعد، و دشواری در تشخیص نقص‌های نزدیک.

۱.۲ اهداف: یک جایگزین هوشمندانه برای بازرسی

هدف این پروژه توسعه یک ربات بازرسی خودکار برای خطوط انتقال برق با ولتاژ ۱۱۰ کیلوولت است که قادر به جایگزینی کار دستی است. اهداف اصلی شامل موارد زیر است:

• خودکاری عملکردی: دستیابی به حرکت خودکار و عبور دقیق از موانع (مانند عبور از دمپر لرزش و ضربه‌گیر).
• تشخیص هوشمند: ترکیب سنسورهای تصویری و فروسرخ برای شناسایی و تشخیص خودکار نقص‌های معمول مانند شکستن ریسمان‌ها.
• خودکفا بودن انرژی: استفاده از تکنولوژی تأمین انرژی غیرتماسی القایی برای تأمین آنلاین و انجام بازرسی‌های بلند مسافت.
• بیشینه کارایی: افزایش قابل توجه کارایی بازرسی و دقت داده‌ها، کاهش هزینه‌های عملیاتی و خطرات ایمنی.

۲. راه‌حل‌های فنی اصلی

۲.۱ طراحی ساختار مکانیکی نوآورانه: متحرکی و ثبات بالا

• ساختار کلی: از یک پیکربندی مشعلی سه‌بازویی استفاده می‌کند که مزایای مکانیزم‌های جدا شده چند قطعه‌ای و ترکیبی چرخ-بازو را ترکیب می‌کند و تعادل بین کارایی حرکت چرخی و ثبات حرکت کرم‌سان را ایجاد می‌کند. وزن کل حدود ۲۹ کیلوگرم است.
• اجزاء کلیدی:
• بازوهای انعطاف‌پذیر: بازوهای جلو و عقب از یک مکانیزم پیوند چهارباره دوگانه استفاده می‌کنند که توسط ۱۶ موتور محرک می‌شوند و اجازه می‌دهند حرکات مفصلی مستقل یا هماهنگ با توانایی انتقال صاف از سختی به انعطاف‌پذیری برای تطبیق با شرایط پیچیده خطوط.
• واحد محرک: از موتورهای DC سوئیسی Maxon با چرخ‌های محرک مرکزی جدا شده استفاده می‌کند که توانایی عبور از موانع (مانند عبور از دمپر لرزش) و بالا رفتن (معمولی ۶۰ درجه، تا ۸۰ درجه با ترمز) را فراهم می‌کند.
• واحد ترمز: از یک مکانیزم خودبسته‌کننده لوله‌ای مارپیچ استفاده می‌کند که به طور موثر جلوگیری از لغزش یا سقوط ناخواسته در حین عبور از شیب یا موانع را انجام می‌دهد.
• اعتبارسنجی سینماتیک: تجزیه و تحلیل سینماتیک معکوس بر اساس الگوریتم تکراری CCD؛ شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که تنها در ۷ تکرار همگرا می‌شوند و به طور کارآمد توانایی ربات برای دستیابی به وضعیت‌های پیچیده مانند عبور از ضربه‌گیر مشعلی و چرخش ۴۵ درجه را اعتبار می‌بخشد.

۲.۲ سیستم کنترل هوشمند سطحی: خودکاری بی‌درنگ و کنترل دوردست

• ساختار سیستم: از یک ساختار کنترل توزیع شده سه‌سطحی (سطح مدیریت زمینی بالا، سطح برنامه‌ریزی ربات میانی، سطح اجرایی پایین) استفاده می‌کند که توسط یک کامپیوتر صنعتی PC/104 و یک میکروکنترلر ATmega128AU برای تصمیم‌گیری و اجرای زنده هماهنگ می‌شود.
• استراتژی کنترل ترکیبی:
• حالت خودکار: برنامه‌ریزی مسیر آفلاین بر اساس پایگاه دانش پیش‌فرض، ترکیب با بازخورد سنسور زنده برای حرکت خودکار و عبور از موانع.
• حالت کنترل دوردست: در محیط‌های بسیار پیچیده، اپراتوران زمینی می‌توانند با مداخله دوردست، کنترل دقیق سطح مفصل یا دستورات ماکرو را انجام دهند که با تصویر HD (۲۵-۳۰ هرتز) از ربات پشتیبانی می‌شود.
• شاخص‌های عملکرد: مسافت بازرسی تک یا بیش از ۲ کیلومتر، سرعت متوسط یا بیش از ۰.۹ متر در ساعت، مسافت انتقال تصویر یا بیش از ۲ کیلومتر.

۲.۳ تأمین انرژی القایی آنلاین و مدیریت هوشمند انرژی: تحمل بی‌پایان

• اصول تأمین انرژی: از یک ترانسفورماتور جریان با هسته تقسیم‌شده برای تأمین انرژی القایی از میدان مغناطیسی اطراف هادی ولتاژ بالا استفاده می‌کند. هسته CT از آلیاژ نانوبلوری آهن‌باز با نفوذپذیری بالا ساخته شده است؛ طراحی بهینه امکان شروع با جریان کم ۳۲ آمپر را فراهم می‌کند.
• سیستم تأمین انرژی: ولتاژ مستقر شده را تحویل می‌دهد؛ توان خروجی محدوده جریان خطی از ۳۲ آمپر تا ۱۰ کیلوآمپر را پوشش می‌دهد. با یک باتری هوشمند لیتیوم-یون ۲۴ ولت/۱۲ آمپر ساعتی مجهز است که از الگوریتم شارژ سه مرحله‌ای استفاده می‌کند و محافظت از گرمایش برای ایمنی، کارایی و عمر طولانی فراهم می‌کند.

۲.۴ تشخیص موانع با دید ماشین: ناوبری دقیق

• اهداف تشخیص: به طور دقیق موانع کلیدی مانند ضربه‌گیر مشعلی، ضربه‌گیر جامپر خطی و ضربه‌گیر جامپر چرخشی را شناسایی می‌کند.
• فرآیند الگوریتم:
• تعیین موقعیت: تعیین موقعیت کلی از طریق تجزیه و تحلیل سطوح خاکستری زیربلاک، شناسایی دقیق خط انتقال از طریق برابری‌سازی هیستوگرام و تقسیم بندی آستانه.
• استخراج ویژگی: از عملیات مورفولوژیکی برای استخراج کانتور موانع استفاده می‌کند و شیب‌های لبه چپ/راست را به عنوان ویژگی‌های طبقه‌بندی تحلیل می‌کند.
• تشخیص: از یک الگوریتم تشخیص الگوی مبهم بر اساس اصل عضویت بیشینه برای شناسایی سریع و دقیق نوع مانع استفاده می‌کند.
• عملکرد: زمان پردازش تصویر تک یا حدود ۱۰۸ میلی‌ثانیه؛ به طور قابل اعتماد موانع معمول را شناسایی می‌کند و ورودی زنده برای تصمیمات عبور از موانع فراهم می‌کند.

۲.۵ تشخیص هوشمند شکستن ریسمان: هشدار دقیق نقص

• اصول تشخیص: بر اساس پدیده افزایش مقاومت محلی و افزایش دما به دلیل شکستن ریسمان‌ها، از سنسور فروسرخ برای شناسایی سیگنال‌های تابش گرمایی استفاده می‌کند.
• مدل تشخیص هوشمند:
• پردازش سیگنال: از پایه موجک db4 برای تجزیه ۶ لایه استفاده می‌کند تا نویز را فیلتر کند و روی باندهای فرکانسی که ویژگی‌های نقص را در بر می‌گیرند تمرکز کند.
• استخراج ویژگی: انرژی انتروپی موجک را برای مشخص کردن پیچیدگی سیگنال معرفی می‌کند، ترکیب با مقادیر پیک-به-پیک مؤلفه‌های جزئی، یک بردار ویژگی ۴ بعدی را تشکیل می‌دهد.
• تصمیم‌گیری تشخیص: از یک شبکه عصبی BP ۳ لایه برای تشخیص استفاده می‌کند. تأیید آزمایشی نشان می‌دهد دقت ۱۰۰٪ بر روی نمونه‌های تست و موفقیت ۹۸٪ در تشخیص آنلاین.

۳. خلاصه مزایای راه‌حل

• تأسیس بالا: ساختار سه‌بازوی انعطاف‌پذیر توانایی عبور از موانع و تطبیق با زمین‌شناسی را فراهم می‌کند.
• خودکاری بالا: سیستم کنترل ترکیبی امکان بازرسی خودکار بلند مسافت با توانایی مداخله دوردست را فراهم می‌کند.
• تحمل طولانی: تأمین انرژی آنلاین نوآورانه محدودیت‌های تحمل را به طور اساسی حل می‌کند.
• تشخیص دقیق: ترکیب دید ماشین و ترموگرافی فروسرخ با الگوریتم‌های هوشمند دقت بالای تشخیص نقص را تضمین می‌کند.
• ایمن و اقتصادی: جایگزینی کار دستی با خطر بالا، کاهش خطرات ایمنی و هزینه‌های عملیاتی بلندمدت.

۴. محدودیت‌های فعلی و چشم‌انداز آینده

۴.۱ محدودیت‌های فعلی

• هنوز در محیط‌های خطی بسیار پیچیده نیاز به کمک دستی محدود دارد.
• امکان بهینه‌سازی بیشتر اندازه مکانیزم و دامنه عبور از موانع برای طراحی فشرده‌تر.
• جریان شروع سیستم تأمین انرژی هنوز نسبتاً بالا است و کاربرد آن را در خطوط با بار بسیار کم محدود می‌کند.
• نوع‌های تشخیص نقص فعلی عمدتاً روی شکستن ریسمان‌ها متمرکز هستند؛ محدوده نقص‌های قابل تشخیص می‌تواند گسترش یابد.

۴.۲ چشم‌انداز آینده

• سبک‌سازی مکانیزم و بهینه‌سازی تعادل برای بهبود کارایی و ثبات عبور از موانع.
• یکپارچه‌سازی ناوبری چندسنسوری برای بهبود دقت تعیین موقعیت و درک محیط.
• بهینه‌سازی مدار تأمین انرژی برای کاهش بیشتر جریان شروع و گسترش محدوده کاربرد.
• گسترش کتابخانه تشخیص نقص برای شامل شدن نقص‌هایی مانند آسیب به عایق‌ها و آلودگی.
• بهبود قابلیت اطمینان ربات، بهبود محافظت صنعتی (مانند مقاومت در برابر گرد و خاک، آب‌بندی و توانایی EMC).