Robot Pemeriksaan Otonom untuk Jalur Transmisi 110kV: Desain dan Implementasi Sistem Tiga Lengan yang Digantung

Abstrak

Untuk mengatasi keterbatasan inheren dari inspeksi manual dan survei udara untuk garis transmisi tegangan tinggi, proposal ini memperkenalkan robot inspeksi otonom yang dirancang khusus untuk garis listrik 110 kV. Dengan struktur mekanik gantung tiga lengan yang inovatif, robot ini mengintegrasikan pergerakan merayap otonom, negosiasi rintangan, pengumpulan energi daring, dan diagnosis multi-fault. Tujuannya adalah untuk mengotomatisasi dan mengintelektualisasikan inspeksi garis, meningkatkan signifikan efisiensi dan keamanan operasi dan pemeliharaan jaringan sambil mengurangi biaya.

I. Latar Belakang Proyek dan Tujuan

1.1 Latar Belakang: Tantangan Metode Inspeksi Tradisional

Garis transmisi tegangan tinggi, yang terpapar terus-menerus pada lingkungan luar, rentan terhadap cacat seperti putus helai dan aus karena tegangan mekanik, flashover listrik, dan penuaan bahan, sehingga memerlukan inspeksi reguler. Metode saat ini menghadapi hambatan signifikan:

• Inspeksi Manual: Tenaga kerja intensif, tidak efisien, berisiko tinggi, dan sangat terbatas oleh cuaca dan medan.
• Survei Udara Drone: Biaya operasional tinggi, daya tahan terbatas, tunduk pada kontrol ruang udara dan cuaca buruk, dan sulit untuk deteksi cacat jarak dekat.

1.2 Tujuan: Alternatif Inspeksi Cerdas

Proyek ini bertujuan untuk mengembangkan robot inspeksi otonom untuk garis transmisi tegangan tinggi 110 kV yang mampu menggantikan tenaga kerja manual. Tujuan intinya termasuk:

• Otonomi Fungsional: Mencapai pergerakan merayap otonom dan negosiasi rintangan presisi (misalnya, menyeberangi damper getaran dan clem).
• Deteksi Cerdas: Mengintegrasikan sensor visual dan inframerah untuk mengidentifikasi dan mendiagnosis otomatis cacat tipikal seperti putus helai.
• Kemandirian Energi: Menggunakan teknologi pengumpulan energi induktif non-kontak untuk pengisian ulang online, memungkinkan inspeksi jarak jauh.
• Maksimalisasi Efisiensi: Meningkatkan signifikan efisiensi inspeksi dan akurasi data, dengan demikian mengurangi biaya operasional dan risiko keamanan.

II. Solusi Teknis Inti

2.1 Desain Struktur Mekanik Inovatif: Mobilitas dan Stabilitas Tinggi

• Struktur Keseluruhan: Mengadopsi konfigurasi gantung tiga lengan yang menggabungkan keunggulan mekanisme multisegment terpisah dan komposit roda-lengan, seimbang antara efisiensi pergerakan roda dengan stabilitas merayap seperti belut. Berat total sekitar 29 kg.
• Komponen Kunci:
• Lengan Fleksibel: Lengan depan dan belakang menggunakan mekanisme empat-bar ganda, didorong oleh total 16 motor, memungkinkan gerakan pitch independen atau koordinasi dengan transisi ketegangan-fleksibilitas sendi yang halus untuk menyesuaikan dengan kondisi garis yang kompleks.
• Unit Penggerak: Menggunakan motor DC Maxon Swiss berdaya tinggi dengan roda penggerak dipisahkan di tengah, memberikan kemampuan penyeberangan rintangan kuat (dapat melewati damper getaran) dan kemampuan mendaki (rutin 60°, hingga 80° dengan rem).
• Unit Pengereman: Menggunakan mekanisme self-locking slider engkol spiral untuk secara efektif mencegah slip atau jatuh secara tidak sengaja selama melintasi lereng atau negosiasi rintangan.
• Validasi Kinematika: Analisis kinematika invers berdasarkan algoritma iteratif CCD; simulasi menunjukkan konvergensi hanya dalam 7 iterasi, secara efisien memvalidasi kemampuan robot untuk mencapai posisi kompleks seperti menyeberangi clem gantung dan jumper putar 45°.

2.2 Sistem Kontrol Cerdas Hierarkis: Otonomi dan Kendali Jarak Jauh Tanpa Batas

• Arsitektur Sistem: Mengadopsi struktur kontrol terdistribusi tiga lapis (lapis manajemen tanah atas, lapis perencanaan robot tengah, lapis eksekusi bawah), dikoordinasikan oleh komputer industri PC/104 dan mikrokontroler ATmega128AU untuk pengambilan keputusan dan eksekusi real-time.
• Strategi Kontrol Hibrid:
• Mode Otonom: Perencanaan jalur offline berdasarkan basis pengetahuan yang ditetapkan, digabungkan dengan umpan balik sensor real-time untuk merayap dan negosiasi rintangan sepenuhnya otonom.
• Mode Kendali Jarak Jauh: Dalam lingkungan yang sangat kompleks, operator tanah dapat melakukan manipulasi halus level sendi atau mengeluarkan perintah makro melalui intervensi jarak jauh, didukung oleh video HD (25-30 Hz) yang ditransmisikan dari robot.
• Metrik Kinerja: Jarak inspeksi tunggal ≥ 2 km, kecepatan rata-rata ≥ 0.9 m/jam, jarak transmisi gambar ≥ 2 km.

2.3 Pengumpulan Energi Induktif Daring & Manajemen Energi Cerdas: Ketahanan Tak Terbatas

• Prinsip Pengumpulan Energi: Menggunakan transformator arus split-core untuk mengumpulkan energi secara induktif dari medan magnet di sekitar konduktor tegangan tinggi. Inti CT dibuat dari paduan kristal nano besi berbasis permeabilitas tinggi; desain yang dioptimalkan memungkinkan arus mulai rendah 32 A.
• Sistem Energi: Menyediakan tegangan rectifikasi stabil; daya keluaran mencakup rentang arus garis 32 A hingga 10 kA. Dilengkapi dengan paket baterai Li-ion cerdas 24 V/12 A·h menggunakan algoritma pengisian tiga tahap, dengan perlindungan suhu berlebih untuk keamanan, efisiensi, dan umur layanan panjang.

2.4 Pengenalan Rintangan Visi Mesin: Navigasi Akurat

• Target Pengenalan: Mengidentifikasi dengan akurat rintangan kunci seperti clem gantung, clem jumper lurus, dan clem jumper putar.
• Alur Algoritma:
• Posisi: Penentuan posisi kasar melalui analisis grayscale sub-blok, identifikasi tepat garis transmisi melalui equalisasi histogram dan segmentasi ambang batas.
• Ekstraksi Fitur: Ekstraksi kontur rintangan menggunakan operasi morfologi, menganalisis kemiringan tepi kiri/kanan sebagai fitur klasifikasi.
• Pengenalan: Menggunakan algoritma pengenalan pola fuzzy berdasarkan prinsip keanggotaan maksimum untuk identifikasi cepat dan akurat jenis rintangan.
• Kinerja: Waktu pemrosesan gambar tunggal ≈ 108 ms; mengidentifikasi andal rintangan tipikal, menyediakan input real-time untuk keputusan negosiasi rintangan.

2.5 Diagnosa Cerdas Putus Helai: Peringatan Cacat Akurat

• Prinsip Deteksi: Berdasarkan fenomena peningkatan resistansi lokal dan kenaikan suhu karena putus helai, menggunakan sensor inframerah untuk mendeteksi sinyal radiasi termal.
• Model Diagnosa Cerdas:
• Pemrosesan Sinyal: Menggunakan basis wavelet db4 untuk dekomposisi 6 lapisan untuk menyaring noise dan fokus pada band frekuensi yang mengandung fitur cacat.
• Ekstraksi Fitur: Memperkenalkan entropi energi wavelet untuk mengkarakterisasi kompleksitas sinyal, dikombinasikan dengan nilai puncak-puncak komponen detail, membentuk vektor fitur 4 dimensi.
• Keputusan Diagnosa: Menggunakan jaringan saraf BP tiga lapis untuk diagnosa. Verifikasi eksperimental menunjukkan akurasi 100 % pada sampel uji dan tingkat deteksi online 98 %.

III. Ringkasan Keunggulan Solusi

• Tingkat Adaptasi Tinggi: Struktur fleksibel tiga lengan memberikan negosiasi rintangan dan adaptasi medan yang luar biasa.
• Tingkat Otonomi Tinggi: Sistem kontrol hibrid memungkinkan inspeksi jarak jauh otonom dengan kemampuan intervensi jarak jauh.
• Ketahanan Panjang: Inovasi pengumpulan energi daring secara fundamental memecahkan batasan ketahanan.
• Deteksi Akurat: Integrasi visi mesin dan termografi inframerah dengan algoritma cerdas memastikan akurasi pengenalan cacat yang tinggi.
• Aman dan Ekonomis: Menggantikan pekerjaan manual berisiko tinggi, mengurangi bahaya keamanan dan biaya operasional jangka panjang.

IV. Keterbatasan Saat Ini dan Prospek Masa Depan

4.1 Keterbatasan Saat Ini

• Masih memerlukan bantuan manual minimal dalam lingkungan garis yang sangat kompleks.
• Potensi untuk optimasi lebih lanjut ukuran mekanisme dan stroke negosiasi rintangan untuk desain yang lebih ringkas.
• Arus mulai sistem energi masih relatif tinggi, membatasi aplikasi pada garis beban sangat rendah.
• Jenis deteksi cacat saat ini terutama fokus pada putus helai; rentang cacat yang dapat dideteksi dapat diperluas.

4.2 Prospek Masa Depan

• Ringankan mekanisme dan optimalisasi keseimbangan untuk meningkatkan efisiensi dan stabilitas negosiasi rintangan.
• Integrasi navigasi multisensor untuk meningkatkan akurasi penentuan posisi dan persepsi lingkungan.
• Optimalisasi sirkuit pengumpulan energi untuk lebih mengurangi arus mulai dan memperluas rentang aplikasi.
• Perluasan perpustakaan diagnosa cacat untuk mencakup cacat seperti isolator rusak dan kontaminasi.
• Peningkatan keandalan robot, meningkatkan proteksi industri (misalnya, tahan debu, tahan air, dan kemampuan EMC).