Robot de inspección autónomo para líneas de transmisión de 110kV: Diseño e implementación dun sistema suspendido de tres brazos

Resumo

Para abordar as limitacións inerentes da inspección manual e aeroportátil de liñas de transmisión de alta tensión, esta proposta introduce un robot de inspección autónomo específicamente deseñado para liñas de 110 kV. Con unha estrutura mecánica suspendida innovadora de tres brazos, o robot integra desprazamento autónomo, negociación de obstáculos, recollemento de enerxía en liña e diagnóstico multi-fallos. O obxectivo é automatizar e intelectualizar a inspección das liñas, mellorando significativamente a eficiencia e a seguridade da operación e manutención da rede, mentres se reducen os custos.

I. Antecedentes do Proxecto e Obxectivos

1.1 Antecedentes: Desafíos dos Métodos de Inspección Tradicionais

As liñas de transmisión de alta tensión, expostas continuamente a entornos exteriores, son propensas a defectos como filamentos rotos e desgaste debido á tensión mecánica, a flashover eléctricos e ao envellecemento do material, polo que requiren inspeccións regulares. Os métodos actuais enfrentan cuellos de botella significativos:

• Inspección Manual: Intensiva en man de obra, ineficiente, de alto risco e fortemente restrinxida pola metereoloxía e o terreo.
• Levantamento Aéreo con Drones: Alto custo operativo, duración limitada, suxeito a control de espazo aéreo e condicións meteorolóxicas adversas, e desafiante para a detección de defectos a curta distancia.

1.2 Obxectivos: Unha Alternativa de Inspección Intelixente

Este proxecto ten como obxectivo desenvolver un robot de inspección autónomo para liñas de transmisión de 110 kV capaz de substituír a man de obra manual. Os obxectivos centrais inclúen:

• Autonomía Funcional: Lograr o desprazamento autónomo e a negociación precisa de obstáculos (por exemplo, cruzar amortiguadores de vibración e presilhas).
• Detección Intelixente: Integrar sensores visuais e infravermellos para identificar e diagnosticar automaticamente fallos típicos como filamentos rotos.
• Autosuficiencia Enerxética: Utilizar tecnoloxía de recolección de enerxía inductiva sen contacto para a reposición en liña, permitindo a inspección a longa distancia.
• Maximización da Eficiencia: Mejorar significativamente a eficiencia da inspección e a precisión dos datos, reducindo así os custos operativos e os riscos de seguridade.

II. Solucións Técnicas Centrais

2.1 Diseño Innovador da Estrutura Mecánica: Alta Mobilidade e Estabilidade

• Estrutura Xeral: Adóptase unha configuración suspendida de tres brazos que combina as vantaxes dos mecanismos de múltiples segmentos separados e compósitos de rueda-brazo, equilibrando a eficiencia do movemento con rodas coa estabilidade da reptación tipo oruga. O peso total é aproximadamente 29 kg.
• Compoñentes Clave:
• Brazos Flexibles: Os brazos frontal e traseiro empregan un mecanismo de ligazón de dúas barras, impulsado por un total de 16 motores, permitindo movementos de cabeceo independentes ou coordinados con capacidade de transición lisa entre rigidez-flexibilidade para adaptarse a condicións complexas de liña.
• Unidade de Propulsión: Emprega motores DC Maxon de alta potencia con rodas motrices separadas no centro, proporcionando forte capacidade de superación de obstáculos (capaz de pasar amortiguadores de vibración) e pendente (rutinaria 60°, ata 80° con frenado).
• Unidade de Frenado: Emprega un mecanismo de bloqueo automático de corredor de biela helicoidal para prevenir eficazmente o deslizamento ou caída accidental durante a travessia de pendentes ou negociación de obstáculos.
• Validación Cinemática: Análise de cinemática inversa baseada no algoritmo iterativo CCD; as simulacións mostran converxencia en só 7 iteracións, validando eficientemente a capacidade do robot para lograr poses complexas como cruzar presilhas de suspensión e saltos de 45°.

2.2 Sistema de Control Intelixente Hierárquico: Autonomía e Control Remoto Ininterrumpidos

• Arquitectura do Sistema: Adóptase unha estrutura de control distribuída de tres niveis (capa superior de xestión no solo, capa intermedia de planificación do robot, capa inferior de execución), coordinada por un ordenador industrial PC/104 e un microcontrolador ATmega128AU para toma de decisións e execución en tempo real.
• Estratexia de Control Híbrido:
• Modo Autónomo: Planificación de ruta off-line baseada nunha base de coñecementos preestablecida, combinada con retroalimentación de sensores en tempo real para desprazamento e negociación de obstáculos totalmente autónomos.
• Modo de Control Remoto: En entornos extremadamente complexos, os operadores no solo poden realizar manipulacións finas a nivel de articulación ou emitir comandos macro mediante intervención remota, soportada por vídeo HD (25-30 Hz) transmitido desde o robot.
• Métricas de Rendemento: Distancia de inspección única ≥ 2 km, velocidade media ≥ 0.9 m/h, distancia de transmisión de imaxe ≥ 2 km.

2.3 Recolección de Enerxía Inductiva en Liña e Xestión Intelixente de Enerxía: Duración Ilimitada

• Principio de Recolección de Enerxía: Emprega un transformador de corrente de núcleo dividido para recolectar enerxía indutivamente do campo magnético arredor do conductor de alta tensión. O núcleo CT está feito de aleación nanocristalina de ferro de alta permeabilidade; un deseño optimizado permite unha corrente de arranque baixa de 32 A.
• Sistema de Enerxía: Entrega tensión rectificada estable; a potencia de saída cubre un rango de corrente de liña de 32 A a 10 kA. Equipado con un paquete de baterías Li-ion intelixentes de 24 V/12 A·h que usa un algoritmo de carga en tres etapas, con protección contra sobrecalentamento para seguridade, eficiencia e longa vida útil.

2.4 Reconocemento de Obstáculos por Visión Máquina: Navegación Precisa

• Obxectivos de Reconocemento: Identifica con precisión obstáculos clave como presilhas de suspensión, presilhas de salto en liña recta e presilhas de salto en curva.
• Fluxo do Algoritmo:
• Posicionamento: Posicionamento grosero mediante análise de escala de grises sub-bloques, identificación precisa da liña de transmisión mediante ecualización de histograma e segmentación de umbral.
• Extracción de Características: Extrae contornos de obstáculos usando operacións morfolóxicas, analizando as pendentes de bordos esquerdo/dereito como características de clasificación.
• Reconocemento: Aplica un algoritmo de reconhecemento de patróns difusos baseado no principio de máxima pertinencia para identificación rápida e precisa do tipo de obstáculo.
• Rendemento: Tempo de procesamento de imaxe única ≈ 108 ms; identifica confiablemente obstáculos típicos, proporcionando entrada en tempo real para decisións de negociación de obstáculos.

2.5 Diagnóstico Intelixente de Filamentos Rotos: Alerta de Fallos Precisa

• Principio de Detección: Basado no fenómeno de aumento localizado da resistencia e temperatura debido a filamentos rotos, usa un sensor infravermello para detectar sinais de radiación térmica.
• Modelo de Diagnóstico Intelixente:
• Procesamento de Sinal: Usa a base wavelet db4 para descomposición en 6 capas para filtrar o ruido e centrarse en bandas de frecuencia que contén características de fallos.
• Extracción de Características: Introduce entropía de enerxía wavelet para caracterizar a complexidade do sinal, combinada con valores pico-a-pico de componentes de detalle, formando un vector de características de 4 dimensións.
• Decisión de Diagnóstico: Usa unha rede neural BP de 3 capas para o diagnóstico. A verificación experimental mostra unha precisión do 100 % en mostras de proba e unha taxa de detección en liña do 98 %.

III. Resumo das Ventajas da Solución

• Alta Adaptabilidade: A estrutura flexible de tres brazos proporciona excelente negociación de obstáculos e adaptabilidade ao terreo.
• Alta Autonomía: O sistema de control híbrido permite a inspección autónoma a longa distancia con capacidade de intervención remota.
• Duración Larga: A recolección de enerxía en liña innovadora resolve fundamentalmente as limitacións de duración.
• Detección Precisa: A integración de visión máquina e termografía infravermella con algoritmos intelixentes asegura unha alta precisión no recoñecemento de fallos.
• Seguro e Económico: Substitúe o traballo manual de alto risco, reducindo os perigos de seguridade e os custos operativos a longo prazo.

IV. Limitacións Actuais e Perspectivas Futuras

4.1 Limitacións Actuais

• Aínda require asistencia manual mínima en entornos de liña extremadamente complexos.
• Potencial para unha optimización adicional do tamaño do mecanismo e do curso de negociación de obstáculos para un deseño máis compacto.
• A corrente de arranque do sistema de enerxía permanece relativamente alta, limitando a aplicación en liñas de carga moi baixa.
• Os tipos de detección de fallos actuais están principalmente centrados en filamentos rotos; o rango de fallos detectables pode ampliarse.

4.2 Perspectivas Futuras

• Lixeirización do mecanismo e optimización do equilibrio para mellorar a eficiencia e a estabilidade na negociación de obstáculos.
• Integración de navegación multisensores para mellorar a precisión do posicionamento e a percepción do entorno.
• Optimización do circuito de recolección de enerxía para reducir aínda máis a corrente de arranque e expandir o rango de aplicación.
• Expansión da biblioteca de diagnóstico de fallos para incluír defectos como aíslantes danados e contaminación.
• Mejora da fiabilidade do robot, mellorando a protección de grado industrial (por exemplo, resistencia ao polvo, impermeabilización e capacidades EMC).