Robot Pemeriksaan Automatik untuk Laluan Penyampaian 110kV: Reka Bentuk dan Pelaksanaan Sistem Gantung Tiga Lengan

Ringkasan

Untuk mengatasi kekurangan bawaan pemeriksaan manual dan pemetaan udara untuk laluan transmisi tegangan tinggi, cadangan ini memperkenalkan robot pemeriksaan autonomi yang khusus direka untuk laluan kuasa 110 kV. Dengan struktur mekanikal gantung tiga lengan yang inovatif, robot ini mengintegrasikan merayap autonomi, negosiasi halangan, pengumpulan tenaga dalam talian, dan diagnosis pelbagai kesalahan. Ia bertujuan untuk mengautomatiskan dan meningkatkan intelektualisasi pemeriksaan laluan, meningkatkan secara signifikan kecekapan dan keselamatan operasi dan penyelenggaraan grid sambil mengurangkan kos.

I. Latar Belakang Projek dan Objektif

1.1 Latar Belakang: Cabaran Kaedah Pemeriksaan Tradisional

Laluan transmisi tegangan tinggi, yang terdedah kepada persekitaran luaran, cenderung mengalami cacat seperti putus benang dan aus disebabkan ketegangan mekanikal, flashover elektrik, dan penuaian bahan, sehingga memerlukan pemeriksaan berkala. Kaedah semasa menghadapi botol leher yang signifikan:

• Pemeriksaan Manual: Tenaga kerja yang intensif, tidak cekap, berisiko tinggi, dan sangat terbatas oleh cuaca dan topografi.
• Pemetaan Udara Drone: Kos operasi yang tinggi, daya tahan yang terhad, tunduk kepada kawalan ruang udara dan cuaca buruk, dan sukar untuk mendeteksi cacat jarak dekat.

1.2 Objektif: Alternatif Pemeriksaan Cerdas

Projek ini bertujuan untuk mengembangkan robot pemeriksaan autonomi untuk laluan transmensi tegangan tinggi 110 kV yang mampu menggantikan tenaga manusia. Objektif utama termasuk:

• Kemandirian Fungsional: Mencapai merayap autonomi dan negosiasi halangan yang tepat (misalnya, melintasi peredam getaran dan klip).
• Pemeriksaan Cerdas: Mengintegrasikan sensor visual dan inframerah untuk mengenal pasti dan mendiagnosis kesalahan biasa seperti putus benang.
• Kemandirian Tenaga: Menggunakan teknologi pengumpulan tenaga induksi tanpa sentuhan untuk pengisian semula dalam talian, membolehkan pemeriksaan jarak jauh.
• Kecekapan Maksimum: Meningkatkan kecekapan pemeriksaan dan ketepatan data dengan ketara, seterusnya mengurangkan kos operasi dan risiko keselamatan.

II. Penyelesaian Teknikal Utama

2.1 Reka Bentuk Struktur Mekanikal Inovatif: Mobiliti dan Kestabilan Tinggi

• Struktur Keseluruhan: Menggunakan konfigurasi gantung tiga lengan yang menggabungkan kelebihan mekanisme bersegmen banyak dan komposit roda-lengan, menyeimbangkan kecekapan pergerakan beroda dengan kestabilan merayap seperti ulat. Berat total kira-kira 29 kg.
• Komponen Utama:
• Lengan Fleksibel: Lengan hadapan dan belakang menggunakan mekanisme tautan empat bar dua kali, didorong oleh 16 motor, membolehkan gerakan pitch bebas atau koordinat dengan kemampuan transisi kekakuan-lenturan yang lancar untuk menyesuaikan diri dengan keadaan laluan yang kompleks.
• Unit Penggerak: Menggunakan motor DC Swiss Maxon berkuasa tinggi dengan roda penggerak dipisahkan di tengah, menyediakan keupayaan melintasi halangan yang kuat (boleh melalui peredam getaran) dan kemiringan (rutin 60°, hingga 80° dengan brek).
• Unit Brek: Menggunakan mekanisme self-locking slider engkol spiral untuk mencegah tergelincir atau jatuh secara tidak sengaja semasa melintasi lereng atau negosiasi halangan.
• Pengesahan Kinematik: Analisis kinematik songsang berdasarkan algoritma iteratif CCD; simulasi menunjukkan pengekalan hanya dalam 7 iterasi, mengesahkan secara efisien keupayaan robot untuk mencapai pose kompleks seperti melintasi klip gantungan dan jumper 45°.

2.2 Sistem Kawalan Cerdas Berperingkat: Autonomi dan Kawalan Jauh Tanpa Gangguan

• Struktur Sistem: Menggunakan struktur kawalan tersebar tiga lapis (lapisan pengurusan tanah atas, lapisan perancangan robot tengah, lapisan pelaksanaan bawah), dikordinasikan oleh komputer industri PC/104 dan mikrokontroler ATmega128AU untuk pengambilan keputusan dan pelaksanaan masa nyata.
• Strategi Kawalan Hidrid:
• Mod Autonomi: Perancangan laluan luar talian berdasarkan pangkalan pengetahuan yang ditetapkan, digabungkan dengan maklum balas sensor masa nyata untuk merayap dan negosiasi halangan sepenuhnya autonomi.
• Mod Kawalan Jauh: Dalam persekitaran yang sangat kompleks, operator tanah boleh melakukan manipulasi halus pada tahap sendi atau mengeluarkan arahan makro melalui intervensi jauh, disokong oleh video HD (25-30 Hz) yang ditransmisikan dari robot.
• Metriks Prestasi: Jarak pemeriksaan tunggal ≥ 2 km, kelajuan purata ≥ 0.9 m/j, jarak transmisi imej ≥ 2 km.

2.3 Pengumpulan Tenaga Induktif Dalam Talian & Pengurusan Tenaga Cerdas: Ketahanan Tidak Terhad

• Prinsip Pengumpulan Tenaga: Menggunakan transformer arus inti terpisah untuk mengumpul tenaga secara induktif dari medan magnet di sekitar konduktor tegangan tinggi. Inti CT dibuat daripada aloi nanokristal besi berpermeabiliti tinggi; reka bentuk yang dioptimumkan membolehkan arus permulaan rendah 32 A.
• Sistem Tenaga: Menyediakan voltan segi empat tepat yang stabil; output tenaga merangkumi julat arus laluan 32 A hingga 10 kA. Dilengkapi dengan bateri Li-ion cerdas 24 V/12 A·h menggunakan algoritma pengisian tiga tahap, dengan perlindungan suhu tinggi untuk keselamatan, kecekapan, dan usia layanan yang panjang.

2.4 Pengenalan Halangan Visi Mesin: Navigasi Tepat

• Objek Pengenalan: Mengenal pasti dengan tepat halangan utama seperti klip gantungan, klip jumper garis lurus, dan klip jumper sudut.
• Aliran Algoritma:
• Pemosisian: Pemosisian kasar melalui analisis skala keabuan sub-blok, pengenalan tepat laluan transmisi melalui penyamaan histogram dan pengasingan ambang.
• Pengekstrakan Ciri: Mengekstrak kontur halangan menggunakan operasi morfologi, menganalisis cerun tepi kiri/kanan sebagai ciri pengelasan.
• Pengenalan: Menggunakan algoritma pengenalan corak kabur berdasarkan prinsip keahlian maksimum untuk pengenalan jenis halangan yang cepat dan tepat.
• Prestasi: Masa pemprosesan imej tunggal ≈ 108 ms; mengenal pasti dengan andal halangan biasa, memberikan input masa nyata untuk keputusan negosiasi halangan.

2.5 Diagnosis Cerdas Putus Benang: Amaran Kesalahan Tepat

• Prinsip Deteksi: Berdasarkan fenomena peningkatan rintangan tempatan dan peningkatan suhu disebabkan putus benang, menggunakan sensor inframerah untuk mendeteksi isyarat radiasi haba.
• Model Diagnosis Cerdas:
• Pemprosesan Isyarat: Menggunakan asas wavelet db4 untuk penguraian 6-lapisan untuk menapis bunyi dan fokus pada jalur frekuensi yang mengandungi ciri kesalahan.
• Pengekstrakan Ciri: Memperkenalkan entropi tenaga wavelet untuk menggambarkan kerumitan isyarat, digabungkan dengan nilai puncak-puncak komponen detail, membentuk vektor ciri 4-dimensi.
• Keputusan Diagnosis: Menggunakan rangkaian neural BP tiga lapisan untuk diagnosis. Pengesahan eksperimen menunjukkan ketepatan 100% pada sampel ujian dan kadar deteksi dalam talian 98%.

III. Ringkasan Kelebihan Penyelesaian

• Tinggi Adaptabiliti: Struktur fleksibel tiga lengan menyediakan negosiasi halangan dan adaptabiliti terain yang luar biasa.
• Tinggi Autonomi: Sistem kawalan hidrid membolehkan pemeriksaan jarak jauh autonomi dengan keupayaan intervensi jauh.
• Ketahanan Panjang: Pengumpulan tenaga dalam talian inovatif menyelesaikan secara fundamental batasan ketahanan.
• Pengesanan Tepat: Integrasi visi mesin dan termografi inframerah dengan algoritma cerdas memastikan ketepatan pengenalan kesalahan yang tinggi.
• Selamat dan Ekonomi: Menggantikan pekerjaan manual berisiko tinggi, mengurangkan bahaya keselamatan dan kos operasi jangka panjang.

IV. Had Semasa dan Prospek Masa Depan

4.1 Had Semasa

• Masih memerlukan bantuan manual minimal dalam persekitaran laluan yang sangat kompleks.
• Potensi untuk lebih mengoptimumkan saiz mekanisme dan langkah negosiasi halangan untuk reka bentuk yang lebih padat.
• Arus permulaan sistem tenaga masih agak tinggi, membatasi aplikasi pada laluan beban sangat rendah.
• Jenis deteksi kesalahan semasa terfokus pada putus benang; lingkup kesalahan yang dapat dikesan boleh diperluas.

4.2 Prospek Masa Depan

• Ringankan dan optimalkan keseimbangan mekanisme untuk meningkatkan kecekapan dan kestabilan negosiasi halangan.
• Integrasi navigasi multi-sensor untuk meningkatkan ketepatan pemosisian dan persepsi persekitaran.
• Optimalkan litar pengumpulan tenaga untuk mengurangkan arus permulaan dan memperluas lingkup aplikasi.
• Perluaskan perpustakaan diagnosis kesalahan untuk termasuk cacat seperti insulator yang rosak dan pencemaran.
• Tingkatkan kebolehpercayaan robot, meningkatkan perlindungan tahap industri (misalnya, kedap debu, kedap air, dan kebolehcampuran elektromagnetik).