Robot d'inspection autonome pour lignes de transmission 110kV : Conception et mise en œuvre d'un système suspendu à trois bras

Résumé

Pour répondre aux limitations inhérentes à l'inspection manuelle et à la surveillance aérienne des lignes de transport d'électricité haute tension, cette proposition introduit un robot d'inspection autonome spécialement conçu pour les lignes de 110 kV. Doté d'une structure mécanique suspendue innovante à trois bras, le robot intègre une capacité de déplacement autonome, de négociation d'obstacles, de collecte d'énergie en ligne et de diagnostic de plusieurs pannes. Il vise à automatiser et intellectualiser l'inspection des lignes, améliorant significativement l'efficacité et la sécurité de l'exploitation et de la maintenance du réseau tout en réduisant les coûts.

I. Contexte du projet et objectifs

1.1 Contexte : défis des méthodes d'inspection traditionnelles

Les lignes de transport d'électricité haute tension, étant continuellement exposées aux environnements extérieurs, sont sujettes à des défauts tels que des bris de fils et des usures dues à la tension mécanique, aux flashovers électriques et au vieillissement des matériaux, nécessitant ainsi des inspections régulières. Les méthodes actuelles font face à des goulets d'étranglement importants :

• Inspection manuelle : intensif en main-d'œuvre, inefficace, à haut risque et fortement contraint par les conditions météorologiques et le terrain.
• Surveillance aérienne par drone : coût opérationnel élevé, endurance limitée, soumis aux contrôles de l'espace aérien et aux conditions météorologiques défavorables, et difficile pour la détection de défauts en proximité.

1.2 Objectifs : une alternative d'inspection intelligente

Ce projet vise à développer un robot d'inspection autonome pour les lignes de transport d'électricité haute tension de 110 kV capable de remplacer la main-d'œuvre manuelle. Les objectifs principaux comprennent :

• Autonomie fonctionnelle : réaliser un déplacement autonome et une négociation précise des obstacles (par exemple, traverser des amortisseurs de vibration et des pinces).
• Détection intelligente : intégrer des capteurs visuels et infrarouges pour identifier et diagnostiquer automatiquement des pannes typiques telles que des bris de fils.
• Autosuffisance énergétique : utiliser une technologie de collecte d'énergie inductive sans contact pour un rechargement en ligne, permettant des inspections sur de longues distances.
• Efficacité maximale : grandement améliorer l'efficacité de l'inspection et la précision des données, réduisant ainsi les coûts opérationnels et les risques de sécurité.

II. Solutions techniques clés

2.1 Conception innovante de la structure mécanique : mobilité élevée et stabilité

• Structure globale : adopte une configuration suspendue à trois bras qui combine les avantages des mécanismes multi-segmentés séparés et composites roue-bras, équilibrant l'efficacité du mouvement à roues avec la stabilité de la progression à la manière d'un ver de terre. Le poids total est d'environ 29 kg.
• Composants clés :
• Braquets flexibles : les bras avant et arrière utilisent un mécanisme de liaison double quatre-barres, entraîné par un total de 16 moteurs, permettant un mouvement de tangage indépendant ou coordonné avec une transition douce entre la rigidité et la flexibilité des articulations pour s'adapter à des conditions de ligne complexes.
• Unité de propulsion : utilise des moteurs DC Maxon suisses de haute puissance avec des roues motrices à entraînement central, offrant une forte capacité de franchissement d'obstacles (capable de passer des amortisseurs de vibration) et une capacité de montée (routinièrement 60°, jusqu'à 80° avec freinage).
• Unité de freinage : emploie un mécanisme de verrouillage auto-serrant à came hélicoïdale pour prévenir efficacement les glissements ou chutes accidentelles lors de la traversée de pentes ou de la négociation d'obstacles.
• Validation cinématique : analyse cinématique inverse basée sur l'algorithme itératif CCD ; les simulations montrent une convergence en seulement 7 itérations, validant efficacement la capacité du robot à atteindre des poses complexes telles que le franchissement de pinces de suspension et de sauts de 45°.

2.2 Système de contrôle intelligent hiérarchisé : autonomie fluide et commande à distance

• Architecture système : adopte une structure de contrôle distribué en trois couches (couche supérieure de gestion au sol, couche intermédiaire de planification du robot, couche inférieure d'exécution), coordonnée par un ordinateur industriel PC/104 et un microcontrôleur ATmega128AU pour la prise de décision et l'exécution en temps réel.
• Stratégie de contrôle hybride :
• Mode autonome : planification de trajectoire hors ligne basée sur une base de connaissances préétablie, combinée à un retour de capteurs en temps réel pour un déplacement et une négociation d'obstacles entièrement autonomes.
• Mode de commande à distance : dans des environnements extrêmement complexes, les opérateurs au sol peuvent effectuer des manipulations fines au niveau des articulations ou émettre des commandes macro via une intervention à distance, soutenue par une vidéo HD (25-30 Hz) transmise par le robot.
• Métriques de performance : distance d'inspection unique ≥ 2 km, vitesse moyenne ≥ 0,9 m/h, distance de transmission d'image ≥ 2 km.

2.3 Collecte d'énergie inductive en ligne & gestion intelligente de l'énergie : endurance illimitée

• Principe de collecte d'énergie : utilise un transformateur de courant à noyau divisé pour collecter de l'énergie de façon inductive à partir du champ magnétique autour du conducteur haute tension. Le noyau CT est fabriqué en alliage nanocristallin à base de fer de haute perméabilité ; une conception optimisée permet un courant de démarrage faible de 32 A.
• Système d'alimentation : fournit une tension redressée stable ; la puissance de sortie couvre une plage de courant de ligne de 32 A à 10 kA. Équipé d'un pack de batteries Li-ion intelligent 24 V/12 A·h utilisant un algorithme de charge en trois étapes, avec protection contre la surchauffe pour la sécurité, l'efficacité et une longue durée de vie.

2.4 Reconnaissance d'obstacles par vision machine : navigation précise

• Cibles de reconnaissance : identifie avec précision des obstacles clés tels que des pinces de suspension, des pinces de saut en ligne droite et des pinces de saut en virage.
• Flux algorithmique :
• Positionnement : positionnement grossier par analyse de niveaux de gris par sous-blocs, identification précise de la ligne de transport par égalisation d'histogrammes et segmentation par seuil.
• Extraction de caractéristiques : extrait les contours des obstacles en utilisant des opérations morphologiques, analysant les pentes des bords gauche/droit comme caractéristiques de classification.
• Reconnaissance : applique un algorithme de reconnaissance de motifs flous basé sur le principe de la plus grande adhérence pour une identification rapide et précise du type d'obstacle.
• Performance : temps de traitement d'une image unique ≈ 108 ms ; identifie de manière fiable les obstacles typiques, fournissant une entrée en temps réel pour les décisions de négociation d'obstacles.

2.5 Diagnostic intelligent de bris de fil : avertissement précis de panne

• Principe de détection : basé sur le phénomène d'augmentation locale de la résistance et de la température due à des bris de fil, utilise un capteur infrarouge pour détecter les signaux de rayonnement thermique.
• Modèle de diagnostic intelligent :
• Traitement du signal : utilise la base d'ondelettes db4 pour une décomposition en 6 couches afin de filtrer le bruit et de se concentrer sur les bandes de fréquences contenant des caractéristiques de panne.
• Extraction de caractéristiques : introduit l'entropie d'énergie d'ondelette pour caractériser la complexité du signal, combinée aux valeurs crête-à-crête des composantes de détail, formant un vecteur de caractéristiques quadridimensionnel.
• Décision de diagnostic : utilise un réseau neuronal BP à 3 couches pour le diagnostic. La vérification expérimentale montre une précision de 100 % sur les échantillons de test et un taux de détection en ligne de 98 %.

III. Résumé des avantages de la solution

• Haute adaptabilité : la structure flexible à trois bras offre une excellente capacité de négociation d'obstacles et d'adaptation au terrain.
• Haute autonomie : le système de contrôle hybride permet des inspections sur de longues distances de manière autonome avec une capacité d'intervention à distance.
• Longue endurance : la collecte d'énergie en ligne innovante résout fondamentalement les limitations d'endurance.
• Détection précise : l'intégration de la vision machine et de la thermographie infrarouge avec des algorithmes intelligents assure une précision élevée de la reconnaissance des pannes.
• Sécuritaire et économique : remplace le travail manuel à haut risque, réduisant les dangers de sécurité et les coûts opérationnels à long terme.

IV. Limites actuelles et perspectives futures

4.1 Limites actuelles

• Nécessite encore une assistance manuelle minimale dans des environnements de ligne extrêmement complexes.
• Potentiel d'optimisation supplémentaire de la taille du mécanisme et de la course de négociation d'obstacles pour une conception plus compacte.
• Le courant de démarrage du système d'alimentation reste relativement élevé, limitant l'application sur des lignes à très faible charge.
• Les types de pannes détectées actuellement se concentrent principalement sur les bris de fil ; la gamme de pannes détectables peut être élargie.

4.2 Perspectives futures

• Allègement et optimisation de l'équilibre du mécanisme pour améliorer l'efficacité et la stabilité de la négociation d'obstacles.
• Intégration de la navigation multi-capteurs pour améliorer la précision de la localisation et de la perception de l'environnement.
• Optimisation du circuit de collecte d'énergie pour réduire davantage le courant de démarrage et élargir la gamme d'application.
• Élargissement de la bibliothèque de diagnostic de pannes pour inclure des défauts tels que des isolateurs endommagés et des contaminations.
• Amélioration de la fiabilité du robot, augmentant la protection industrielle (par exemple, poussière, eau, et capacités EMC).