110kV 송전선로용 자율 점검 로봇: 세 개의 팔을 가진 현수 시스템의 설계 및 구현

요약

고압 송전선로의 수동 점검 및 항공 측량의 본질적인 한계를 해결하기 위해 이 제안서는 110kV 전력선을 위한 자율 점검 로봇을 소개합니다. 혁신적인 3개의 팔이 달린 현수 구조를 특징으로 하며, 자율적으로 기어오르기, 장애물 극복, 온라인 전력 수확, 다중 고장 진단 기능을 통합하고 있습니다. 이 로봇은 선로 점검을 자동화하고 지능화하여 전력망 운영 및 유지보수의 효율성과 안전성을 크게 향상시키고 비용을 줄이는 것을 목표로 합니다.

I. 프로젝트 배경 및 목적

1.1 배경: 전통적인 점검 방법의 도전 과제

고압 송전선로는 야외 환경에 계속 노출되어 있어 기계적 긴장, 전기적 플래시오버, 재료 노화 등으로 인해 단선이나 마모와 같은 결함이 발생하기 쉽습니다. 따라서 정기적인 점검이 필요합니다. 현재의 방법들은 다음과 같은 중요한 병목 현상을 겪고 있습니다:

수동 점검: 노동 집약적, 비효율적, 위험도가 높으며, 날씨와 지형에 크게 제한됩니다.
드론 항공 측량: 운영 비용이 높고, 지속 시간이 제한적이며, 공역 관제와 악천후에 영향을 받고, 근접 결함 감지가 어려움.

1.2 목적: 지능적인 점검 대안

이 프로젝트는 수동 작업을 대체할 수 있는 110kV 고압 송전선로용 자율 점검 로봇을 개발하는 것을 목표로 합니다. 핵심 목표는 다음과 같습니다:

기능적 자율성: 선로에서 자율적으로 기어오르고, 진동 댐퍼와 클램프 등을 정확하게 극복합니다.
지능적인 감지: 시각 및 적외선 센서를 통합하여 단선과 같은 일반적인 고장을 자동으로 식별하고 진단합니다.
에너지 자급: 접촉하지 않는 유도 전력 수확 기술을 활용하여 온라인으로 자체 보충하여 장거리 점검을 가능하게 합니다.
최대 효율성: 점검 효율성과 데이터 정확성을 크게 향상시켜 운영 비용과 안전 위험을 줄입니다.

II. 핵심 기술 솔루션

2.1 혁신적인 기계 구조 설계: 높은 이동성 및 안정성

전반적인 구조: 다단 분리형과 휠-암 복합 메커니즘의 장점을 결합한 3개의 팔이 달린 현수 구조를 채택하며, 휠 이동의 효율성과 인치웜 크리핑과 같은 안정성을 균형있게 조화시킵니다. 전체 무게는 약 29kg입니다.
주요 구성 요소:

유연한 팔: 앞쪽과 뒤쪽 팔은 총 16개의 모터로 구동되는 이중 4바 링크 메커니즘을 사용하여 복잡한 선로 조건에 적응할 수 있도록 독립적이거나 조정된 피치 동작과 관절 강성-유연성의 부드러운 전환 능력을 갖추고 있습니다.
구동 장치: 고출력 스위스 Maxon DC 모터와 중앙 분리형 구동 휠을 사용하여 강력한 장애물 극복 능력(진동 댐퍼 통과)과 경사면 통과 능력(일반적으로 60°, 제동 시 최대 80°)을 제공합니다.
제동 장치: 경사면 통과 또는 장애물 극복 중에 우발적인 미끄러짐이나 추락을 효과적으로 방지하기 위해 나선형 크랭크 슬라이더 자기 잠금 메커니즘을 사용합니다.

운동학 검증: CCD 반복 알고리즘을 기반으로 역운동학 분석; 시뮬레이션 결과는 7회 반복만으로 수렴하여 현수 클램프 통과 및 45° 회전 점퍼와 같은 복잡한 자세를 달성할 수 있음을 효율적으로 검증합니다.

2.2 계층적 지능형 제어 시스템: 원활한 자율성 및 원격 제어

시스템 아키텍처: 3층 분산 제어 구조(상부 지상 관리 계층, 중간 로봇 계획 계층, 하부 실행 계층)를 채택하며, PC/104 산업용 컴퓨터와 ATmega128AU 마이크로컨트롤러를 통해 실시간 결정 및 실행을 조정합니다.
하이브리드 제어 전략:

자율 모드: 사전 설정된 지식 기반에 기반한 오프라인 경로 계획과 실시간 센서 피드백을 결합하여 완전히 자율적으로 기어오르고 장애물을 극복합니다.
원격 제어 모드: 매우 복잡한 환경에서는 지상 오퍼레이터가 로봇으로부터 전송되는 HD 비디오(25-30 Hz)를 지원하여 관절 수준의 세밀한 조작이나 거시 명령을 원격으로 수행할 수 있습니다.

성능 지표: 단일 점검 거리 ≥ 2km, 평균 속도 ≥ 0.9m/h, 이미지 전송 거리 ≥ 2km.

2.3 온라인 유도 전력 수확 및 지능형 전력 관리: 무제한 내구성

전력 수확 원리: 분할 코어 전류 변환기를 사용하여 고압 전도체 주변의 자기장에서 에너지를 유도로 수확합니다. CT 코어는 고관성 철 기반 나노결정 합금으로 만들어져 있으며, 최적화된 설계로 32A의 낮은 시작 전류를 가능하게 합니다.
전력 시스템: 안정적인 직류 전압을 제공하며, 출력 전력은 32A에서 10kA까지의 선 전류 범위를 커버합니다. 3단계 충전 알고리즘을 사용하는 24V/12A·h 지능형 리튬 이온 배터리 팩을 장착하여 안전성, 효율성, 그리고 장수명을 보장합니다.

2.4 기계 시각 장애물 인식: 정확한 탐색

인식 대상: 현수 클램프, 직선 점퍼 클램프, 회전 점퍼 클램프와 같은 주요 장애물을 정확히 식별합니다.
알고리즘 흐름:

위치 지정: 서브 블록 그레이스케일 분석을 통해 대략적인 위치를 지정하고, 히스토그램 평준화와 임계값 분할을 통해 전송선을 정확히 식별합니다.
특징 추출: 형태학적 연산을 통해 장애물 윤곽을 추출하고, 좌우 가장자리 경사를 분류 특징으로 분석합니다.
인식: 최대 소속 원칙을 기반으로 하는 퍼지 패턴 인식 알고리즘을 적용하여 빠르고 정확하게 장애물 유형을 식별합니다.

성능: 단일 이미지 처리 시간 ≈ 108ms; 일반적인 장애물을 신뢰성 있게 식별하여 장애물 극복 결정에 실시간 입력을 제공합니다.

2.5 단선 지능형 진단: 정확한 고장 경고

감지 원리: 단선으로 인한 국소 저항 증가와 온도 상승 현상을 기반으로 적외선 센서를 사용하여 열 복사 신호를 감지합니다.
지능형 진단 모델:

신호 처리: db4 웨이블릿 기반을 사용하여 6단계 분해를 통해 노이즈를 필터링하고 고장 특징을 포함하는 주파수 대역에 집중합니다.
특징 추출: 신호 복잡성을 특징화하기 위해 웨이블릿 에너지 엔트로피를 도입하고, 세부 구성 요소의 피크-피크 값을 결합하여 4차원 특징 벡터를 형성합니다.
진단 결정: 3층 BP 신경망을 사용하여 진단합니다. 실험 검증 결과, 테스트 샘플에서 100% 정확도와 98%의 온라인 검출 성공률을 보였습니다.

III. 솔루션의 장점 요약