110kV ट्रांसमिशन लाइनों के लिए स्वायत्त निरीक्षण रोबोट: तीन-बाहु लटकाया गया प्रणाली का डिज़ाइन और लागू

सारांश

उच्च-वोल्टता ट्रांसमिशन लाइनों के मैनुअल निरीक्षण और हवाई सर्वेक्षण की अंतर्निहित सीमाओं को दूर करने के लिए, यह प्रस्ताव 110 किलोवोल्ट (kV) बिजली लाइनों के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए एक स्वायत्त निरीक्षण रोबोट को पेश करता है। इस रोबोट में एक नवीन तीन-बाहु लटकता मैकेनिकल संरचना, स्वायत्त क्रॉलिंग, बाधाओं का पार जाना, ऑनलाइन ऊर्जा उत्पादन, और बहु-दोष निदान शामिल है। इसका उद्देश्य लाइन निरीक्षण को स्वचालित और बुद्धिमत्ता से सुसज्जित करना है, जिससे ग्रिड के संचालन और रखरखाव की दक्षता और सुरक्षा में बहुत बड़ा सुधार होगा और लागत में कमी होगी।

आई. परियोजना का पृष्ठभूमि और उद्देश्य

1.1 पृष्ठभूमि: पारंपरिक निरीक्षण विधियों की चुनौतियाँ

उच्च-वोल्टता ट्रांसमिशन लाइनें, जो लगातार आउटडोर पर्यावरण में खुली रहती हैं, यांत्रिक तनाव, विद्युत फ्लैशओवर, और सामग्री के पुराने होने के कारण टूटे हुए तार और ध्वंस के जैसे दोषों के लिए संवेदनशील होती हैं, जिससे नियमित निरीक्षण की आवश्यकता होती है। वर्तमान विधियाँ महत्वपूर्ण बोतलगलियों का सामना कर रही हैं:

• मैनुअल निरीक्षण: श्रम-密集型、效率低下、高风险，并且受天气和地形的严重影响。
• 无人机空中巡检：运营成本高，续航能力有限，受空域管制和恶劣天气影响，近距离缺陷检测困难。

1.2 目标：智能巡检替代方案

该项目旨在开发一种能够替代人工劳动的110 kV高压输电线路自主巡检机器人。核心目标包括：

• 功能自主性：在线路上实现自主爬行和精确越障（例如，跨越阻尼器和夹具）。
• 智能检测：集成视觉和红外传感器，自动识别和诊断典型故障，如断股。
• 能量自给自足：利用非接触感应式取电技术进行在线自我补给，实现长距离巡检。
• 最大化效率：大幅提升巡检效率和数据准确性，从而降低运营成本和安全风险。

II. 核心技术解决方案

2.1 创新机械结构设计：高机动性和稳定性

• 整体结构：采用三臂悬挂配置，结合多段分离和轮臂复合机构的优点，平衡了轮式移动的效率与尺蠖式爬行的稳定性。总重量约为29公斤。
• 关键组件：
• 柔性臂：前后臂采用双四连杆机构，由总共16个电机驱动，允许独立或协调俯仰运动，关节刚柔平滑过渡，适应复杂线路条件。
• 驱动单元：使用高功率瑞士Maxon直流电机，中心分离驱动轮，提供强大的越障能力（能够通过阻尼器）和爬坡能力（常规60°，带制动可达80°）。
• 制动单元：采用螺旋曲柄滑块自锁机构，在斜坡穿越或越障过程中有效防止意外滑动或坠落。
• 运动学验证：基于CCD迭代算法的逆运动学分析；仿真显示仅需7次迭代即可收敛，高效验证了机器人实现跨越悬垂夹具和45°转角跳线等复杂姿态的能力。

2.2 分层智能控制系统：无缝自主与远程控制

• 系统架构：采用三层分布式控制结构（上层地面管理层、中层机器人规划层、下层执行层），由PC/104工业计算机和ATmega128AU微控制器协调，实现实时决策与执行。
• 混合控制策略：
• 自主模式：基于预设知识库的离线路径规划，结合实时传感器反馈，实现完全自主爬行和越障。
• 远程控制模式：在极其复杂的环境中，地面操作员可以通过高清视频（25-30 Hz）从机器人传输的支持下，进行关节级精细操作或发出宏观指令。
• 性能指标：单次巡检距离≥2公里，平均速度≥0.9米/小时，图像传输距离≥2公里。

2.3 在线感应取电与智能电源管理：无限续航

• 取电原理：使用分芯电流互感器从高压导线周围的磁场中感应取电。CT铁芯采用高磁导率铁基纳米晶合金制成；优化设计使启动电流低至32 A。
• 电源系统：提供稳定的整流电压；输出功率覆盖32 A到10 kA的线路电流范围。配备24 V/12 A·h智能锂离子电池组，采用三阶段充电算法，具有过温保护，确保安全性、效率和长寿命。

2.4 机器视觉障碍识别：精准导航

• 识别目标：准确识别悬垂夹具、直线跳线夹具和转角跳线夹具等关键障碍物。
• 算法流程：
• 定位：通过子块灰度分析进行粗定位，通过直方图均衡化和阈值分割精确定位输电线。
• 特征提取：使用形态学操作提取障碍物轮廓，分析左右边缘斜率作为分类特征。
• 识别：基于最大隶属度原则应用模糊模式识别算法，实现快速准确的障碍物类型识别。
• 性能：单张图像处理时间约108毫秒；可靠识别典型障碍物，为越障决策提供实时输入。

2.5 断股智能诊断：精准故障预警

• 检测原理：基于断股引起的局部电阻增加和温度升高现象，使用红外传感器检测热辐射信号。
• 智能诊断模型：
• 信号处理：使用db4小波基进行6层分解，滤除噪声并聚焦于包含故障特征的频带。
• 特征提取：引入小波能量熵表征信号复杂度，结合细节分量的峰峰值，形成4维特征向量。
• 诊断决策：使用3层BP神经网络进行诊断。实验验证表明测试样本的准确率为100%，在线检测成功率为98%。

III. 解决方案优势总结

• 高适应性：三臂柔性结构提供出色的越障能力和地形适应性。
• 高度自主性：混合控制系统实现长距离自主巡检，并具备远程干预能力。
• 长续航能力：创新的在线取电从根本上解决了续航限制。
• 精准检测：集成机器视觉和红外热成像与智能算法，确保高故障识别精度。
• 安全经济：取代高风险的人工工作，减少安全隐患和长期运营成本。

IV. 当前局限与未来展望

4.1 当前局限

• 在极其复杂的线路环境中仍需少量人工辅助。
• 机制尺寸和越障行程有进一步优化的空间，以实现更紧凑的设计。
• 电源系统启动电流相对较高，限制了在非常低负载线路上的应用。
• 当前故障检测类型主要集中在断股上；可检测故障范围可以扩展。

4.2 未来展望

• 机制轻量化和平衡优化，提高越障效率和稳定性。
• 集成多传感器导航，提高定位和环境感知精度。
• 优化取电电路，进一步降低启动电流，扩大应用范围。
• 扩展故障诊断库，包括绝缘子损坏和污染等缺陷。
• 提高机器人的可靠性，增强工业级防护（如防尘、防水和电磁兼容能力）。