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

چکیده

برای رفع محدودیت‌های ذاتی بازرسی دستی و پروازی برای خطوط انتقال برق با ولتاژ بالا، این پیشنهاد یک ربات بازرسی خودکار طراحی شده به خصوص برای خطوط ۱۱۰ کیلوولت معرفی می‌کند. این ربات با ساختار مکانیکی معلق نوآورانه سه‌بازوه، توانایی حرکت خودکار، غلبه بر موانع، جذب انرژی آنلاین و تشخیص چندگانه خطا را در خود جمع‌آوری کرده است. هدف آن اتوماتیک و هوشمندسازی بازرسی خطوط است، که به طور قابل توجهی کارایی و ایمنی عملیات و نگهداری شبکه را افزایش می‌دهد و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.

الف. زمینه پروژه و اهداف

۱.۱ زمینه: چالش‌های روش‌های بازرسی سنتی

خطوط انتقال برق با ولتاژ بالا که به طور مداوم در محیط بیرونی قرار دارند، به دلیل تنش مکانیکی، فشار الکتریکی و پیری مواد، مشکلاتی مانند پارگی رشته‌ها و خوردگی دارند و بنابراین نیاز به بازرسی منظم دارند. روش‌های فعلی با موانع قابل توجهی مواجه هستند:

• بازرسی دستی: کارآمدی کم، خطر بالا و به طور قابل توجهی تحت تأثیر آب و هوایی و زمین‌شناسی محدود است.
• پروازی با هواپیماهای بدون سرنشین: هزینه عملیاتی بالا، طول عمر محدود، تحت کنترل فضای هوایی و آب و هوای نامساعد و چالش برای تشخیص نقص‌های نزدیک.

۱.۲ اهداف: جایگزین هوشمند برای بازرسی

این پروژه هدف دارد ربات بازرسی خودکار برای خطوط انتقال برق ۱۱۰ کیلوولت را توسعه دهد که قادر به جایگزینی کار دستی باشد. اهداف اصلی عبارتند از:

• استقلال عملکردی: دستیابی به حرکت خودکار و غلبه دقیق بر موانع (مانند عبور از دمپرهای ارتعاشی و گیره‌ها) روی خطوط.
• تشخیص هوشمند: یکپارچه‌سازی حسگرهای بصری و فروسرخ برای شناسایی و تشخیص خودکار خطاها مانند پارگی رشته‌ها.
• خودکفا بودن انرژی: استفاده از فناوری جذب انرژی القایی بدون تماس برای تأمین آنلاین خودکار، که بازرسی در فواصل طولانی را ممکن می‌سازد.
• حداکثر کارایی: به طور قابل توجهی کارایی بازرسی و دقت داده‌ها را افزایش داده و بنابراین هزینه‌های عملیاتی و خطرات ایمنی را کاهش می‌دهد.

ب. راه‌حل‌های فنی اصلی

۲.۱ طراحی ساختار مکانیکی نوآورانه: متحرکی و ثبات بالا

• ساختار کلی: از یک پیکربندی معلق سه‌بازوه استفاده می‌کند که مزایای مکانیزم‌های چند‌قسمتی جدا شده و ترکیبی چرخ-بازو را ترکیب می‌کند، تعادل بین کارایی حرکت چرخی و ثبات حرکت کرم‌مانند را برقرار می‌کند. وزن کل حدود ۲۹ کیلوگرم است.
• اجزاء کلیدی:
• بازوهای انعطاف‌پذیر: بازوهای جلو و عقب از مکانیزم لینک چهارگانه دوگانه استفاده می‌کنند که توسط ۱۶ موتور محرک می‌شوند، اجازه حرکت مستقل یا هماهنگ دهانه‌ای را با توانایی انتقال صاف از سختی به انعطاف‌پذیری می‌دهد تا به شرایط پیچیده خطوط تطبیق یابد.
• واحد محرک: از موتورهای DC سوئیسی Maxon با چرخ‌های محرک مرکزی جدا شده استفاده می‌کند، که توان بالای عبور از موانع (قابلیت عبور از دمپرهای ارتعاشی) و توانایی بالا را (روتين ۶۰ درجه، تا ۸۰ درجه با ترمز) فراهم می‌کند.
• واحد ترمز: از مکانیزم خودقفلی پیچه-میله استفاده می‌کند تا از لغزش یا سقوط تصادفی در طی عبور از شیب یا موانع جلوگیری کند.
• اعتبارسنجی کینماتیک: تحلیل معکوس کینماتیک بر اساس الگوریتم تکراری CCD؛ شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که تنها در ۷ تکرار همگرایی می‌یابد، که به طور مؤثر توانایی ربات در دستیابی به وضعیت‌های پیچیده مانند عبور از گیره‌های معلق و جامپرهای ۴۵ درجه را اعتبار می‌بخشد.

۲.۲ سیستم کنترل هوشمند سطحی: استقلال بی‌وقفه و کنترل دوردست

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

۲.۳ جذب انرژی القایی آنلاین و مدیریت هوشمند انرژی: طول عمر بی‌پایان

• اصل جذب انرژی: از ترانسفورماتور جریان هسته‌ای جدا شده برای جذب انرژی از میدان مغناطیسی حول رساننده ولتاژ بالا استفاده می‌کند. هسته CT از آلیاژ نانوبلوری آهن‌بازه با نفوذپذیری بالا ساخته شده است؛ طراحی بهینه امکان آغاز با جریان کم ۳۲ آمپر را فراهم می‌کند.
• سیستم انرژی: ولتاژ مستقیم ثابت را تحویل می‌دهد؛ خروجی انرژی محدوده جریان خط از ۳۲ آمپر تا ۱۰ کیلوآمپر را پوشش می‌دهد. با باتری هوشمند لیتیوم-یون ۲۴ ولت/۱۲ آمپر ساعت مجهز شده است که از الگوریتم شارژ سه‌مرحله‌ای استفاده می‌کند و با محافظت از گرمای اضافی برای ایمنی، کارایی و طول عمر طولانی.

۲.۴ تشخیص موانع با دید ماشین: ناوبری دقیق

• اهداف تشخیص: به طور دقیق موانع کلیدی مانند گیره‌های معلق، گیره‌های جامپر خطی و گیره‌های جامپر گردش را شناسایی می‌کند.
• جریان الگوریتم:
• مکان‌یابی: مکان‌یابی خشن از طریق تجزیه و تحلیل گرادیان زیربخش، شناسایی دقیق خط انتقال از طریق برابری‌سازی هیستوگرام و تقسیم‌بندی آستانه.
• استخراج ویژگی: مسیرهای موانع را با عملیات مورفولوژیک استخراج می‌کند، شیب‌های لبه چپ/راست را به عنوان ویژگی‌های طبقه‌بندی تحلیل می‌کند.
• تشخیص: از الگوریتم تشخیص الگوی فازی بر اساس اصل عضویت بیشینه برای شناسایی سریع و دقیق نوع موانع استفاده می‌کند.
• عملکرد: زمان پردازش تصویر تک یا حدود ۱۰۸ میلی‌ثانیه؛ به طور قابل اعتماد موانع نمونه را شناسایی می‌کند و ورودی زنده برای تصمیم‌گیری در مورد غلبه بر موانع فراهم می‌کند.

۲.۵ تشخیص هوشمند پارگی رشته: هشدار دقیق خطا

• اصل تشخیص: بر اساس پدیده افزایش مقاومت محلی و افزایش دما به دلیل پارگی رشته‌ها، از حسگر فروسرخ برای شناسایی سیگنال‌های تابش حرارتی استفاده می‌کند.
• مدل تشخیص هوشمند:
• پردازش سیگنال: از پایه موجک db4 برای تجزیه ۶ لایه برای فیلتر کردن نویز و تمرکز بر باندهای فرکانسی شامل ویژگی‌های خطا استفاده می‌کند.
• استخراج ویژگی: انرژی موجک را معرفی می‌کند تا پیچیدگی سیگنال را مشخص کند، با مقادیر پیک به پیک اجزای جزئی ترکیب شده، بردار ویژگی چهار بعدی را تشکیل می‌دهد.
• تصمیم‌گیری تشخیص: از شبکه عصبی BP سه‌لایه برای تشخیص استفاده می‌کند. تایید آزمایشی ۱۰۰٪ دقت بر روی نمونه‌های آزمایشی و ۹۸٪ موفقیت تشخیص آنلاین را نشان می‌دهد.

پ. خلاصه مزایای راه‌حل

• تأقلم بالا: ساختار انعطاف‌پذیر سه‌بازوه توانایی عبور از موانع و تطبیق با زمین‌های مختلف را فراهم می‌کند.
• استقلال بالا: سیستم کنترل ترکیبی امکان بازرسی خودکار در فواصل طولانی با توانایی مداخله دوردست را فراهم می‌کند.
• طول عمر طولانی: جذب انرژی آنلاین نوآورانه به طور اساسی محدودیت‌های طول عمر را حل می‌کند.
• تشخیص دقیق: یکپارچه‌سازی دید ماشین و ترموگرافی فروسرخ با الگوریتم‌های هوشمند دقت بالای شناسایی خطا را تضمین می‌کند.
• امن و اقتصادی: جایگزین کارهای دستی با خطر بالا، کاهش خطرات ایمنی و هزینه‌های عملیاتی بلندمدت.

ت. محدودیت‌های فعلی و چشم‌انداز آینده

۴.۱ محدودیت‌های فعلی

• هنوز نیاز به کمک دستی کمی در محیط‌های خطی بسیار پیچیده دارد.
• پتانسیل بهینه‌سازی اندازه مکانیسم و ضربه عبور از موانع برای طراحی فشرده‌تر.
• جریان آغازی سیستم انرژی هنوز نسبتاً بالاست که کاربرد آن را در خطوط با بار بسیار کم محدود می‌کند.
• نوع خطاها که در حال حاضر تشخیص داده می‌شوند عمدتاً متمرکز بر پارگی رشته‌ها هستند؛ محدوده تشخیص خطا می‌تواند گسترش یابد.

۴.۲ چشم‌انداز آینده

• کاهش وزن مکانیسم و بهینه‌سازی تعادل برای بهبود کارایی و ثبات عبور از موانع.
• یکپارچه‌سازی ناوبری چند حسگر برای افزایش دقت موقعیت‌یابی و درک محیط.
• بهینه‌سازی مدار جذب انرژی برای کاهش بیشتر جریان آغازی و گسترش محدوده کاربرد.
• گسترش کتابخانه تشخیص خطا برای شامل شدن نقص‌هایی مانند آسیب به عایق‌ها و آلودگی.
• افزایش قابلیت اطمینان ربات، بهبود محافظت صنعتی (مانند مقاومت در برابر گرد و خاک، آب‌بندی و توانایی EMC).