Аутономен инспекцион робот за линии на трансмисија од 110кВ: Дизајн и имплементација на систем со три рака повеќено во висина

Апстракт​

За да се одговори на внатрешните ограниченија на ручни инспекции и аерофотограметриски прегледи на високонапонски преносни линии, ова предлог воведува автономен инспекционен робот специјално дизајниран за 110 кВ електрични линии. Со иновативна три-рукавна висечка механичка структура, роботот интегрира автономно пењање, преод преку препреки, онлајн усвојување на енергија и многу-дијагностика на грешки. Целта му е да автоматизира и интелектуализира инспекцијата на линиите, значително подобрувајќи ефикасноста и безопасноста на операцијата и одржувањето на мрежата, додека ја намалува цената.

​I. Позадина на проектот и цели​

​1.1 Позадина: Предизвици на традиционалните методи на инспекција​

Високонапонските преносни линии, бидејќи се непрекинато изложени на отворена околина, се склони на дефекти како што се прекинати жици и посипување поради механички напон, електрични флашови и стареење на материјалите, па затоа требаат редовна инспекција. Тековните методи се соочуваат со значителни буталници:

• ​Ручна инспекција:​​ Лаборинтенска, неефикасна, со висок ризик и силно ограничена од временско стање и терен.
• ​Аерофотограметриски прегледи со дрон:​​ Висока оперативна цена, ограничена издржливост, подложена на контрола на ваздушното пространство и лошо време, и тешко за детекција на дефекти на блиска растојание.

​1.2 Цели: Интелигентна алтернатива за инспекција​

Овој проект има за цел да разработи автономен инспекционен робот за 110 кВ високонапонски преносни линии способен да замени ручни работници. Клучните цели вклучуваат:

• ​Функционална автономија:​​ Да се постигне автономно пењање и прецизен преод преку препреки (нпр. преминување преку демпферни приспособи и клампи).
• ​Интелигентна детекција:​​ Интеграција на визуелни и инфрацрвено сензори за автоматско препознавање и дијагностика на типични грешки како што се прекинати жици.
• ​Самодостатност на енергија:​​ Искористување на неконтактна индуктивна технологија за усвојување на енергија за онлајн само-поправување, што овозможува инспекција на долгото растојание.
• ​Максимизирана ефикасност:​​ Значително подобрување на ефикасноста на инспекцијата и точноста на податоците, со тоа намалувајќи оперативните трошоци и ризици од безопасност.

​II. Клуни технички решенија​

​2.1 Иновативен дизајн на механичка структура: Висока подвижност и стабилност​

• ​Общо стројство:​​ Прифатува три-рукавна висечка конфигурација која комбинира предности на многусегментни одделени и колесни-рукавни композитни механизми, балансирајќи ефикасноста на движење со колеса со стабилноста на пењање како гусеница. Общата маса е приближно 29 кг.
• ​Клучни компоненти:​​
• ​Гибки рукави:​​ Фронталниот и задниот рукав користат двојно четири-вртечки механизм, водени од вкупно 16 мотори, што овозможува независно или координирано движење со гибкост-тврдост на превојната површина за да се адаптира на комплексни услови на линиите.
• ​Елемент за управување:​​ Користи високомоќни DC мотори Maxon со средно-одделени возачки колеса, што дава силна способност за преод преку препреки (способен да минува преку демпферни приспособи) и капацитет за пењање (рутински 60°, до 80° со спрејки).
• ​Елемент за спрејки:​​ Користи спирално-кормило склизач самозаклопувачки механизам за ефективно спречување на случајно клизање или паѓање при преминување преку нагиби или препреки.
• ​Кинематичка валидација:​​ Инверзна кинематичка анализа базирана на итеративниот алгоритам CCD; симулации покажуваат конвергенција во само 7 итерации, ефикасно валидирајќи способноста на роботот да постигне комплексни положувања како што се преминување преку висечки клампи и 45° прескокнување на прескокнувачи.

​2.2 Хиерархија на интелигентниот контролен систем: Беспрекината автономија и далечинско управување​

• ​Архитектура на системот:​​ Прифатува три-слојска распределена контролна структура (горен слој за управување од земја, среден планирачки слој на роботот, долен исполнителен слој), координацирана од PC/104 индустриски компјутер и ATmega128AU микроконтролер за реално време решение и извршување.
• ​Хибриден контролен стратегија:​​
• ​Автономен режим:​​ Офлайн планирање на пат базирано на претходно поставена база на знаење, комбинирано со реално време сензорска обратна врска за потпун автономнo пењање и преод преку препреки.
• ​Режим на далечинско управување:​​ Во екстремно комплексни околини, операторите од земја можат да извршат фини манипулации на вртечки ниво или да издаваат макро-команди преку далечинско интервенција, поддржани од HD видео (25–30 Hz) пренесено од роботот.
• ​Метрики на перформанса:​​ Една инспекција на растојание ≥ 2 km, просечен брзина ≥ 0.9 m/h, растојание на пренесување на слика ≥ 2 km.

​2.3 Онлајн индуктивно усвојување на енергија и интелигентно управување со енергија: Неограничена издржливост​

• ​Принцип на усвојување на енергија:​​ Користи раздельен токов трансформатор за индуктивно усвојување на енергија од магнетното поле околу високонапонски проводник. Железото на трансформаторот е направено од високопермеабилен железен-основен нанокристален легура; оптимизиран дизајн овозможува ниска почетна ток од 32 A.
• ​Систем за енергија:​​ Достава стабилна правоуголна напон; излезна моќ покрива опсег на ток на линија од 32 A до 10 kA. Опремен со 24 V/12 A·h интелигентен Li-ion аккумулатор со три-фазен алгоритам за поправување, со заштита од прекумерна температура за безбедност, ефикасност и долга служба.

​2.4 Машиноско видение за препознавање на препреки: Точна навигација​

• ​Цел на препознавање:​​ Точно препознава главни препреки како што се висечки клампи, праволиниски прескокнувачи и прескокнувачи на превој.
• ​Алгоритамски проток:​​
• ​Позиционирање:​​ Груб позиционирање преку анализa на градација на сива во под-блокови, прецизно препознавање на преносната линија преку хистограмска еквализација и порогово секционирање.
• ​Извлекување на карактеристики:​​ Извлекува контури на препреки со морфолошки операции, анализира леви/десни нагиби на рабови како карактеристики за класификација.
• ​Препознавање:​​ Применува нејасен модел на препознавање на облик со максимален принцип на членство за брзо и точно препознавање на тип на препрека.
• ​Перформанса:​​ Време на процесирање на една слика ≈ 108 ms; надежно препознава типични препреки, доставувајќи реално време вход за одлуки за преод преку препреки.

​2.5 Интелигентна дијагностика на прекинати жици: Точна предупредување на грешки​

• ​Принцип на детекција:​​ Базиран на феноменот на локално зголемување на отпор и температура поради прекинати жици, користи инфрацрвено сензор за детекција на термални радијација сигнали.
• ​Интелигентен дијагностичен модел:​​
• ​Обработка на сигнал:​​ Користи db4 влетова основа за 6-слојска декомпозиција за филтрирање на шум и фокусирање на фреквенцијски опсегови кои содржат карактеристики на грешки.
• ​Извлекување на карактеристики:​​ Воведува влетова енергија на ентропија за карактеристика на комплексноста на сигнал, комбиниран со врв-до-врв вредности на детални компоненти, формирајќи 4-димензионален карактеристичен вектор.
• ​Одлука за дијагностика:​​ Користи 3-слој BP невронска мрежа за дијагностика. Експериментална верификација покажува 100% точност на тест примери и 98% онлайн успешност на детекција.

​III. Сумирање на предности на решението​

• ​Висока адаптивност:​​ Три-рукавна гибка структура прuдава отлична способност за преод преку препреки и приспособливост на терен.
• ​Висока автономија:​​ Хибриден контролен систем овозможува долгото растојание автономна инспекција со можност за далечинско управување.
• ​Долга издржливост:​​ Иновативно онлајн усвојување на енергија фундаментално решава ограничувањата на издржливоста.
• ​Точна детекција:​​ Интеграција на машиноско видение и инфрацрвено топлото снимање со интелигентни алгоритми осигурува висока точност на препознавање на грешки.
• ​Безбедно и економично:​​ Заменува високоризична ручна работа, намалувајќи ризици од безбедност и долготрајни оперативни трошоци.

​IV. Тековни ограничувања и будуќи перспективи​

​4.1 Тековни ограничувања​

• Се потребува минимална ручна помош во екстремно комплексни околини на линиите.
• Потенцијал за подобрување на големината на механизмот и ходот на преод преку препреки за по компактен дизајн.
• Почетниот ток на системот за енергија останува относително висок, што ограничува примената на високо-нагружени линии.
• Тековните типови на детекција на грешки се главно фокусирани на прекинати жици; опсегот на детектибилни грешки може да се прошири.

​4.2 Будућа перспектива​

• Легковестување и оптимизација на балансот на механизмот за подобрување на ефикасноста и стабилноста на преод преку препреки.
• Интеграција на мулти-сензорска навигација за подобрување на точноста на позиционирање и перцепција на околина.
• Оптимизација на кружница за усвојување на енергија за подобрување на почетниот ток и проширување на опсегот на примената.
• Проширување на библиотеката за дијагностика на грешки за да вклучи дефекти како што се повредени изолатори и контаминација.
• Подобрување на надежноста на роботот, подобрување на индустријска заштита (нпр. заштита од прашање, вода и EMC капацитети).