Robot autonomo per l'ispezione di linee di trasmissione a 110kV: Progettazione e implementazione di un sistema sospeso a tre bracci

Riassunto

Per risolvere le limitazioni intrinseche dell'ispezione manuale e del rilevamento aereo per linee di trasmissione ad alta tensione, questa proposta introduce un robot di ispezione autonomo specificamente progettato per linee elettriche da 110 kV. Dotato di una struttura meccanica sospesa innovativa a tre bracci, il robot integra la capacità di strisciare autonomamente, superare ostacoli, ricaricarsi in linea e diagnosticare multipli guasti. L'obiettivo è automatizzare e intellettualizzare l'ispezione delle linee, migliorando significativamente l'efficienza e la sicurezza della gestione e manutenzione della rete, riducendo al contempo i costi.

I. Contesto del Progetto e Obiettivi

1.1 Contesto: Sfide dei Metodi di Ispezione Tradizionali

Le linee di trasmissione ad alta tensione, essendo continuamente esposte all'ambiente esterno, sono soggette a difetti come rotture di fili e usura dovuti a tensione meccanica, scariche elettriche e invecchiamento dei materiali, richiedendo quindi ispezioni regolari. I metodi attuali affrontano significativi collo di bottiglia:

• Ispezione Manuale: Laboriosa, inefficiente, ad alto rischio e fortemente condizionata dalle condizioni meteorologiche e dal terreno.
• Rilevamento Aereo con Droni: Costo operativo elevato, durata limitata, soggetta a controlli spaziali e condizioni meteorologiche avverse, e difficile per la rilevazione di difetti a breve distanza.

1.2 Obiettivi: Un'Alternativa Intelligente di Ispezione

Questo progetto mira a sviluppare un robot di ispezione autonomo per linee elettriche ad alta tensione da 110 kV in grado di sostituire il lavoro manuale. Gli obiettivi principali includono:

• Autonomia Funzionale: Realizzare lo strisciamento autonomo e la negoziazione precisa degli ostacoli (ad esempio, attraversare smorzatori di vibrazioni e morsetti).
• Rilevamento Intelligente: Integrare sensori visivi e infrarossi per identificare e diagnosticare automaticamente tipici guasti come rotture di fili.
• Autosufficienza Energetica: Utilizzare la tecnologia di raccolta di energia induttiva senza contatto per il rifornimento in linea, consentendo ispezioni a lunga distanza.
• Efficienza Massimizzata: Migliorare notevolmente l'efficienza dell'ispezione e l'accuratezza dei dati, riducendo i costi operativi e i rischi per la sicurezza.

II. Soluzioni Tecniche Core

2.1 Design Strutturale Meccanico Innovativo: Alta Mobilità e Stabilità

• Struttura Generale: Adotta una configurazione sospesa a tre bracci che combina i vantaggi di meccanismi multi-segmentati separati e compositi a ruote-braccio, bilanciando l'efficienza del movimento su ruote con la stabilità dello strisciamento simile a quello di un bruco. Il peso totale è di circa 29 kg.
• Componenti Chiave:
• Bracci Flessibili: I bracci anteriore e posteriore utilizzano un meccanismo a doppia biella a quattro barre, azionato da un totale di 16 motori, permettendo movimenti di inclinazione indipendenti o coordinati con una transizione morbida tra rigidità e flessibilità per adattarsi a condizioni complesse delle linee.
• Unità di Trasmissione: Utilizza potenti motori DC Maxon svizzeri con ruote motrici centrali separate, fornendo una forte capacità di superamento degli ostacoli (capace di passare smorzatori di vibrazioni) e di scalabilità (routine 60°, fino a 80° con frenatura).
• Unità di Frenatura: Utilizza un meccanismo di blocco a vite a vite per prevenire efficacemente scivolamenti o cadute accidentali durante la traversata di pendenze o la negoziazione di ostacoli.
• Validazione Cinematica: Analisi cinematica inversa basata sull'algoritmo iterativo CCD; le simulazioni mostrano convergenza in soli 7 cicli, validando efficientemente la capacità del robot di raggiungere pose complesse come il superamento di morsetti sospesi e salti di 45°.

2.2 Sistema di Controllo Intelligente Gerarchico: Autonomia e Controllo Remoto Senza Soluzione di Continuità

• Architettura del Sistema: Adotta una struttura di controllo distribuito a tre livelli (livello di gestione terrestre superiore, livello di pianificazione del robot intermedio, livello di esecuzione inferiore), coordinata da un computer industriale PC/104 e un microcontrollore ATmega128AU per la decisione e l'esecuzione in tempo reale.
• Strategia di Controllo Ibrido:
• Modalità Autonoma: Pianificazione di percorsi offline basata su una base di conoscenze predefinita, combinata con feedback dei sensori in tempo reale per lo strisciamento e la negoziazione degli ostacoli completamente autonomi.
• Modalità di Controllo Remoto: In ambienti estremamente complessi, gli operatori terrestri possono eseguire manipolazioni fini a livello di giuntura o emettere comandi macro via intervento remoto, supportati dalla trasmissione video HD (25-30 Hz) dal robot.
• Metriche di Prestazione: Distanza di ispezione singola ≥ 2 km, velocità media ≥ 0,9 m/h, distanza di trasmissione immagini ≥ 2 km.

2.3 Raccolta Induttiva di Energia Online & Gestione Intelligente dell'Energia: Durata Illimitata

• Principio di Raccolta di Energia: Utilizza un trasformatore di corrente a nucleo diviso per raccogliere energia induttivamente dal campo magnetico intorno al conduttore ad alta tensione. Il nucleo CT è realizzato in lega nanocristallina a base di ferro ad alta permeabilità; un design ottimizzato consente una corrente di avviamento bassa di 32 A.
• Sistema di Potenza: Fornisce una tensione rettificata stabile; la potenza di uscita copre un intervallo di corrente di linea da 32 A a 10 kA. Equipaggiato con un pacchetto di batterie intelligenti Li-ion da 24 V/12 A·h utilizzando un algoritmo di carica a tre stadi, con protezione contro sovrariscaldamento per sicurezza, efficienza e lunga durata.

2.4 Riconoscimento degli Ostacoli tramite Visione a Macchina: Navigazione Accurata

• Obiettivi di Riconoscimento: Identifica con precisione gli ostacoli chiave come morsetti sospesi, morsetti di salto in linea e morsetti di salto curvo.
• Flusso dell'Algoritmo:
• Posizionamento: Posizionamento grezzo tramite analisi di griglie di sotto-blocchi, identificazione precisa della linea di trasmissione tramite equalizzazione dell'istogramma e segmentazione a soglia.
• Estrazione delle Caratteristiche: Estrae i contorni degli ostacoli utilizzando operazioni morfologiche, analizzando le pendenze dei bordi sinistro/destra come caratteristiche di classificazione.
• Riconoscimento: Applica un algoritmo di riconoscimento di pattern fuzzy basato sul principio del massimo appartenenza per l'identificazione rapida e accurata del tipo di ostacolo.
• Prestazioni: Tempo di elaborazione di un'immagine singola ≈ 108 ms; identifica in modo affidabile gli ostacoli tipici, fornendo input in tempo reale per le decisioni di negoziazione degli ostacoli.

2.5 Diagnosi Intelligente di Rotture di Filo: Avviso Preciso di Guasto

• Principio di Rilevamento: Basato sul fenomeno di aumento locale della resistenza e della temperatura dovuto a rotture di filo, utilizza un sensore infrarosso per rilevare i segnali di radiazione termica.
• Modello di Diagnosi Intelligente:
• Elaborazione del Segnale: Utilizza la base wavelet db4 per la decomposizione a 6 livelli per filtrare il rumore e concentrarsi sulle bande di frequenza contenenti le caratteristiche del guasto.
• Estrazione delle Caratteristiche: Introduce l'entropia dell'energia wavelet per caratterizzare la complessità del segnale, combinata con i valori picco-picco dei componenti dettagli, formando un vettore di caratteristiche quadridimensionale.
• Decisione di Diagnosi: Utilizza una rete neurale BP a 3 livelli per la diagnosi. La verifica sperimentale mostra un'accuratezza del 100% sui campioni di test e un tasso di rilevamento online del 98%.

III. Sintesi dei Vantaggi della Soluzione

• Alta Adattabilità: La struttura flessibile a tre bracci fornisce eccellenti capacità di negoziazione degli ostacoli e di adattamento al terreno.
• Alta Autonomia: Il sistema di controllo ibrido consente ispezioni a lunga distanza in modalità autonoma con capacità di intervento remoto.
• Durata Lunga: La raccolta di energia online innovativa risolve fondamentalmente le limitazioni di durata.
• Rilevamento Accurato: L'integrazione di visione a macchina e termografia infrarossa con algoritmi intelligenti garantisce un'alta accuratezza nel riconoscimento dei guasti.
• Sicuro ed Economico: Sostituisce il lavoro manuale ad alto rischio, riducendo i pericoli per la sicurezza e i costi operativi a lungo termine.

IV. Limiti Attuali e Prospettive Future

4.1 Limiti Attuali

• Necessita ancora di un minimo di assistenza manuale in ambienti di linea estremamente complessi.
• Potenziale per ulteriori ottimizzazioni della dimensione del meccanismo e della corsa di negoziazione degli ostacoli per un design più compatto.
• La corrente di avviamento del sistema di potenza rimane relativamente alta, limitando l'applicazione su linee con carico molto basso.
• I tipi di guasti rilevabili attualmente si concentrano principalmente su rotture di filo; l'intervallo di guasti rilevabili può essere espanso.

4.2 Prospettive Future

• Leggerizzazione e ottimizzazione del bilanciamento del meccanismo per migliorare l'efficienza e la stabilità nella negoziazione degli ostacoli.
• Integrazione della navigazione multisensoriale per migliorare l'accuratezza del posizionamento e della percezione ambientale.
• Ottimizzazione del circuito di raccolta di energia per ridurre ulteriormente la corrente di avviamento e ampliare l'intervallo di applicazione.
• Espansione della libreria di diagnosi dei guasti per includere difetti come isolanti danneggiati e contaminazione.
• Miglioramento della affidabilità del robot, migliorando la protezione di livello industriale (ad esempio, prova alla polvere, all'acqua e alle EMI).