110kV Taşınım Hatları için Otomatik İnceleme Robotu: Üç Kollu Asılı Sistemin Tasarımı ve Uygulaması

Özet

Yüksek gerilimli hatların manuel incelemesi ve hava yolu taramasının içkin sınırlamalarını ele almak için, bu öneri 110 kV güç hatları için özel olarak tasarlanmış bir otonom inceleme robotunu tanıtmaktadır. Yeni üç kolu asılı mekanik yapıya sahip olan robot, otonom sürünme, engel aşımı, çevrimiçi enerji toplama ve çoklu arıza tanıma özelliklerini entegre etmektedir. Bu robot, hat incelemesini otomatikleştirmeyi ve zekileştirmeyi amaçlamakta, ayrıca ağ işletim ve bakımının verimliliğini ve güvenliğini önemli ölçüde artırmayı ve maliyetleri azaltmayı hedeflemektedir.

I. Proje Arka Planı ve Amaçları

1.1 Arka Plan: Geleneksel Inceleme Yöntemlerinin Zorlukları

Dış ortamlara sürekli maruz kalan yüksek gerilimli iletim hatları, mekanik gerginlik, elektriksel şimşek ve malzeme yaşlanma nedeniyle kopmuş teller ve aşınma gibi defektlerden dolayı düzenli inceleme gerektirmektedir. Mevcut yöntemler ciddi engellerle karşı karşıyadır:

• Manuel Inceleme: İşçilik yoğun, verimsiz, yüksek riskli ve hava durumu ve arazi tarafından büyük ölçüde kısıtlanan.
• Drone Hava Taraması: Yüksek işletme maliyeti, sınırlı dayanıklılık, hava sahası kontrolü ve kötü hava koşullarına bağlı, yakın mesafeli defekt tespiti zor.

1.2 Amaçlar: Zeki Bir İnceleme Alternatifi

Bu proje, 110 kV yüksek gerilimli iletim hatları için manuel işgücünü yerine geçen bir otonom inceleme robotu geliştirmeyi amaçlamaktadır. Temel hedefler şunlardır:

• Fonksiyonel Otonomi: Hat üzerinde otonom sürünme ve hassas engel aşımı (örneğin, titreşim sönümleyicileri ve kıskaçlar üzerinden geçiş) başarılması.
• Zeki Tespit: Görsel ve kızılötesi sensörlerin entegrasyonuyla, kopmuş teller gibi tipik arızaların otomatik olarak tanınması ve tanımlanması.
• Enerji Kendi Başına Yetenek: Çevrimiçi kendini yeniden doldurma için temaslı olmayan indüktif enerji toplama teknolojisini kullanarak, uzun mesafe incelemesini mümkün kılmak.
• Maksimum Verimlilik: İnceleme verimliliğini ve veri doğruluğunu önemli ölçüde artırarak, işletme maliyetlerini ve güvenlik risklerini azaltmak.

II. Temel Teknik Çözümler

2.1 Yeni Mekanik Yapı Tasarımı: Yüksek Hareketlilik ve Stabilite

• Genel Yapı: Çok bölümlü ayrılmış ve tekerlek-kol bileşik mekanizmalarının avantajlarını birleştiren üç kol asılı konfigürasyonu benimsiyor, tekerlek hareketinin verimliliği ile inchworm benzeri sürünmenin stabilitesi arasında denge sağlıyor. Toplam ağırlık yaklaşık 29 kg'dır.
• Ana Bileşenler:
• Esneme Kol: Ön ve arka kollar, toplamda 16 motorla tahrik edilen çift dört çubuk mekanizmasını kullanıyor, karmaşık hat koşullarına uyum sağlamak için bağımsız veya koordineli pitch hareketine izin veriyor, eklemin sert-esnek pürüzsüz geçiş yeteneğine sahip.
• Tahrik Ünitesi: Yüksek güçlü İsviçre Maxon DC motorları ve merkezi ayrı sürücü tekerlekleri kullanıyor, güçlü engel aşımı yeteneği (titreşim sönümleyicileri geçebilir) ve eğimcilik (rutin 60°, frenleme ile 80°).
• Fren Ünitesi: Eğim traversal veya engel aşımı sırasında rastgele kayıp veya düşme önlenmesi için spiral-mantar kayıcı kilitli mekanizmayı kullanıyor.
• Kinematik Doğrulama: CCD iteratif algoritmasına dayalı ters kinematik analizi; simülasyonlar, sadece 7 iterasyonda yakınsamanın gerçekleştiğini gösteriyor, askı kıskaçları ve 45° dönüş sıçrayıcıları gibi karmaşık pozları gerçekleştirebilmekte robotun yeteneğini etkin bir şekilde doğruluyor.

2.2 Aşamalı Zeki Kontrol Sistemi: Kesintisiz Otonomi ve Uzaktan Kontrol

• Sistem Mimaris: Üç katmanlı dağıtılmış kontrol yapısını (üst zemin yönetim katmanı, orta robot planlama katmanı, alt yürütme katmanı) benimseyerek, gerçek zamanlı karar alma ve yürütme için PC/104 endüstriyel bilgisayar ve ATmega128AU mikrodenetleyici ile koordine ediliyor.
• Hibrit Kontrol Stratejisi:
• Otonom Mod: Önceden belirlenmiş bilgi tabanına dayalı çevrimdışı yol planlaması, tamamen otonom sürünme ve engel aşımı için gerçek zamanlı sensör geri bildirimleri ile birleştiriliyor.
• Uzaktan Kontrol Modu: Çok karmaşık ortamlarda, zemin operatörleri, robottan aktarılan HD video (25-30 Hz) desteğiyle, ekleme düzeyinde ince manipülasyon veya makro komutlar verebilir.
• Prestij Ölçütleri: Tek seferde inceleme mesafesi ≥ 2 km, ortalama hız ≥ 0.9 m/sa, görüntü iletim mesafesi ≥ 2 km.

2.3 Çevrimiçi İndüktif Enerji Toplama ve Zeki Güç Yönetimi: Sınırsız Dayanıklılık

• Güç Toplama Prensibi: Yüksek gerilimli iletken etrafındaki manyetik alanın etrafından indüktif enerji toplamak için bölünmüş çekirdek akım transformatörü kullanıyor. CT çekirdeği, yüksek geçirgenlikli demir bazlı nanokristal alaşımlı; optimize edilmiş tasarım, düşük başlangıç akımı olan 32 A'yi sağlıyor.
• Güç Sistemi: Düzgün dikdörtgen voltaj sunuyor; 32 A ila 10 kA hat akımı aralığını kapsayan çıkış gücü. Üç aşamalı şarj algoritması ile donatılmış 24 V/12 A·h zeki Li-ion pilli paketi, güvenliği, verimliliği ve uzun ömürlülük için aşırı sıcaklık korumasıyla donatılmıştır.

2.4 Makine Görüşü Engel Tanıma: Hassas Navigasyon

• Tanıma Hedefleri: Askı kıskaçları, doğrusal sıçrayıcı kıskaçları ve dönüş sıçrayıcı kıskaçları gibi ana engelleri hassas bir şekilde tanır.
• Algoritma Akışı:
• Konumlandırma: Alt blok gri ton analizi ile ham konumlandırma, histogram eşitleme ve eşik segmentasyonu ile iletim hattının hassas tanımlaması.
• Özellik Çıkarma: Morfolojik işlemler kullanarak engel konturlarını çıkarır, sol/sağ kenar eğimlerini sınıflandırma özellikleri olarak analiz eder.
• Tanıma: En fazla üyelik prensibine dayalı bulanık desen tanıma algoritması uygular, hızlı ve hassas engel türü tanıma sağlar.
• Prestij: Tek görüntü işleme süresi ≈ 108 ms; tipik engelleri güvenilir bir şekilde tanır, engel aşımı kararları için gerçek zamanlı giriş sağlar.

2.5 Kopmuş Tel Zeki Tanı: Hassas Arıza Uyarısı

• Tespit Prensibi: Kopmuş tellerin neden olduğu yerelleştirilmiş direnç artışını ve sıcaklık yükseltisini temel alarak, kızılötesi sensör kullanarak termal radyasyon sinyallerini tespit eder.
• Zeki Tanı Modeli:
• Sinyal İşleme: db4 dalgacık tabanını kullanarak 6 katmanlı ayrıştırma ile gürültüyü filtreler ve arıza özelliklerini içeren frekans bantlarına odaklanır.
• Özellik Çıkarma: Dalgacık enerji entropisini sinyal karmaşıklığını karakterize etmek için kullanır, detay bileşenlerinin tepe-tepe değerleri ile birleştirilerek 4 boyutlu özellik vektörü oluşturur.
• Tanı Kararı: 3 katmanlı BP sinir ağını tanıma için kullanır. Deneysel doğrulama, test örneklerinde %100 doğruluk ve %98 çevrimiçi tespit başarı oranını göstermiştir.

III. Çözüm Avantajları Özeti

• Yüksek Uyum Yeteneği: Üç kol esnek yapısı, mükemmel engel aşımı ve arazi uyumluluğu sağlar.
• Yüksek Otonomi: Hibrit kontrol sistemi, uzaktan müdahale yeteneği ile uzun mesafe otonom incelemeyi sağlar.
• Uzun Dayanıklılık: Yeni çevrimiçi enerji toplama, dayanıklılık sınırlamalarını kökten çözüyor.
• Hassas Tespit: Makine görüşü ve kızılötesi termografi ile zeki algoritmaların entegrasyonu, yüksek arıza tanıma doğruluğunu sağlar.
• Güvenli ve Ekonomik: Yüksek riskli manuel çalışmayı değiştirerek, güvenlik tehlikelerini ve uzun vadeli işletme maliyetlerini azaltır.

IV. Güncel Sınırlamalar ve Gelecek Beklentiler

4.1 Güncel Sınırlamalar

• Aşırı karmaşık hat ortamlarında hala minimum manuel yardım gerektiriyor.
• Mekanizmanın boyutunun ve engel aşımı.stroke'un daha kompakt bir tasarım için daha fazla optimizasyon potansiyeli var.
• Güç sisteminin başlangıç akımı hala nispeten yüksek, çok düşük yük hatlarındaki uygulanabilirliği sınırlıyor.
• Şu anki arıza tespit tipleri çoğunlukla kopmuş tellere odaklanmaktadır; tespit edilebilecek arıza çeşitlerini genişletebilirsiniz.

4.2 Gelecek Beklentiler

• Mekanizmanın hafifletilmesi ve denge optimizasyonu, engel aşımı verimliliğini ve istikrarını artırmak için.
• Çoklu sensör navigasyonun entegrasyonu, konumlandırma ve çevre algılama doğruluğunu artırmak için.
• Güç toplama devresinin optimizasyonu, başlangıç akımını daha da azaltarak uygulama aralığını genişletmek için.
• Arıza tanı kitaplığına, hasarlı yalıtıcılar ve kirlilik dahil olmak üzere defektlerin dahil edilmesi.
• Robotun güvenilirliğinin geliştirilmesi, endüstriyel sınıf koruma (örneğin, toz geçirmez, su geçirmez ve EMC yetenekleri) iyileştirilmesi.