Autonome inspectierobot voor 110kV hoogspanningsleidingen: Ontwerp en implementatie van een drie-armig opgehangen systeem

Samenvatting​

Om de inherente beperkingen van handmatige inspectie en luchtfotografie voor hoogspanningslijnen aan te pakken, introduceert dit voorstel een autonome inspectierobot speciaal ontworpen voor 110 kV-energievoorzieningen. De robot heeft een innovatieve drie-armige hangende mechanische structuur en integreert autonoom kruipen, obstakelonderhandeling, online energieopwekking en multi-foutdiagnose. Het doel is om de inspectie te automatiseren en te verintelligentiseren, waardoor de efficiëntie en veiligheid van netwerkbedrijf en -onderhoud aanzienlijk verbeterd worden, terwijl de kosten worden verlaagd.

​I. Projectachtergrond en doelen​

​1.1 Achtergrond: Uitdagingen van traditionele inspectiemethoden​

Hoogspanningslijnen, die continu blootgesteld zijn aan buitenomstandigheden, zijn vatbaar voor defecten zoals gebroken draden en slijtage door mechanische spanning, elektrische flitsoverslag en materiaalveroudering, waardoor regelmatige inspectie nodig is. Huidige methoden staan voor significante knelpunten:

• ​Handmatige inspectie:​​ arbeidsintensief, inefficiënt, hoog risico, en sterk beperkt door weersomstandigheden en terrein.
• ​Luchtvaartinspectie met drones:​​ hoge operationele kosten, beperkte uithoudingsvermogen, onderhevig aan luchtruimbeheer en slecht weer, en moeilijk voor nabijheidsdetectie van defecten.

​1.2 Doelen: Een intelligente inspectiealternatief​

Dit project heeft als doel een autonome inspectierobot te ontwikkelen voor 110 kV-hoogspanningslijnen die handmatig werk kan vervangen. Kerndoelen zijn:

• ​Functieautonomie:​​ Autonoom kruipen en nauwkeurige obstakelonderhandeling (bijv. over trillingdemperen en klemschroeven) op de lijnen bereiken.
• ​Intelligente detectie:​​ Visuele en infrarood sensoren integreren om typische fouten zoals gebroken draden automatisch te identificeren en te diagnosticeren.
• ​Energiezelfvoorzienendheid:​​ Non-contact inductieve energieopwekkende technologie gebruiken voor online zelfaanvulling, waardoor langeafstandsinspectie mogelijk wordt.
• ​Maximaliseerde efficiëntie:​​ Inspectieefficiëntie en gegevensnauwkeurigheid aanzienlijk verhogen, waardoor bedrijfskosten en veiligheidsrisico's verminderen.

​II. Kerntechnische oplossingen​

​2.1 Innovatieve mechanische structuurdetails: Hoog mobiliteit en stabiliteit​

• ​Algemene structuur:​​ Maakt gebruik van een drie-armige hangende configuratie die de voordelen combineert van meerdere gescheiden segmenten en wiel-arm composietmechanismen, waarbij de efficiëntie van wielbeweging wordt gecombineerd met de stabiliteit van rupsachtig kruipen. Het totale gewicht is ongeveer 29 kg.
• ​Kerncomponenten:​​
• ​Flexibele armen:​​ De voor- en achterarmen gebruiken een dubbele vierkoppige hefboomconstructie, aangedreven door in totaal 16 motoren, waardoor onafhankelijke of gecoördineerde pitchbewegingen mogelijk zijn met een soepele overgang van starheid naar flexibiliteit om complexe lijnomstandigheden aan te passen.
• ​Aandrijfeenheid:​​ Gebruikt krachtige Zwitserse Maxon DC-motoren met centraal gescheiden aandrijfwielen, wat sterke obstakeloversteekcapaciteit biedt (in staat om trillingdemperen te passeren) en beklimming (routine 60°, maximaal 80° met remmen).
• ​Remeenheid:​​ Maakt gebruik van een spiraalkruk-schuifselfslotmechanisme om per ongeluk wegglijden of vallen effectief te voorkomen tijdens het oversteken van hellingen of obstakels.
• ​Kinematische validatie:​​ Inverse kinematica-analyse op basis van de CCD-iteratieve algoritme; simulaties laten zien dat convergentie in slechts 7 iteraties plaatsvindt, waardoor de robot efficiënt in staat is om complexe posities zoals het oversteken van ophangingsspanners en 45° sprongverbindingen te bereiken.

​2.2 Gelaagd intelligent besturingssysteem: Naadloze autonomie en afstandsbediening​

• ​Systeemarchitectuur:​​ Maakt gebruik van een drielaags gedistribueerde besturingstructuur (bovenste grondbeheerlaag, middelste robotplanninglaag, onderste uitvoerlaag), gecoördineerd door een PC/104-industriële computer en een ATmega128AU-microcontroller voor real-time besluitvorming en uitvoering.
• ​Gecombineerde besturingsstrategie:​​
• ​Autonome modus:​​ Offline padplanning op basis van een vooraf ingestelde kennisbank, gecombineerd met real-time sensorfeedback voor volledig autonoom kruipen en obstakelonderhandeling.
• ​Afstandsbedieningsmodus:​​ In extreem complexe omgevingen kunnen grondoperateurs fijnmazige manipulatie op joint-niveau of macro-opdrachten via afstandsbediening uitvoeren, ondersteund door HD-video (25-30 Hz) die van de robot wordt verzonden.
• ​Prestatiemetingen:​​ Enkele inspectiedistances ≥ 2 km, gemiddelde snelheid ≥ 0,9 m/u, afbeeldingsoverdrachtsafstand ≥ 2 km.

​2.3 Online inductieve energieopwekking & intelligente energiebeheer: Onbeperkte uithoudingsvermogen​

• ​Energieopwekkingsprincipe:​​ Gebruikt een split-core stroomtransformator om energie inductief op te wekken uit het magnetisch veld rond de hoogspanningsleider. De CT-kern is gemaakt van een hoogpermeabele ijzerbasis nanokristallijne legering; een geoptimaliseerd ontwerp maakt een lage startstroom van 32 A mogelijk.
• ​Energiestroom:​​ Levert stabiele gerectificeerde spanning; uitvoerkracht bedekt een stroombereik van 32 A tot 10 kA. Uitgerust met een 24 V/12 A·h intelligente Li-ion batterijpakket met een drie-stap laadalgoritme, met overtemperatuurbescherming voor veiligheid, efficiëntie en lange levensduur.

​2.4 Machinevisie obstakelherkenning: Nauwkeurige navigatie​

• ​Herkenningstargets:​​ Herkent belangrijke obstakels zoals ophangklampen, rechte lijnsprongklampen en hoeksprongklampen nauwkeurig.
• ​Algoritme stroom:​​
• ​Positiebepaling:​​ Grove positiebepaling via subblok grijswaardenanalyse, nauwkeurige identificatie van de transmissielijn via histogram gelijkschakeling en drempelsegmentatie.
• ​Kenmerkextractie:​​ Extracteert obstakelcontouren met behulp van morfologische bewerkingen, analyseert linkers/rechter randhellingen als classificatiekenmerken.
• ​Herkenning:​​ Past een vaag patroonherkenningsalgoritme toe op basis van het principe van maximale lidmaatschap voor snelle en nauwkeurige obstakeltypeidentificatie.
• ​Prestaties:​​ Verwerkingstijd voor één afbeelding ≈ 108 ms; herkent betrouwbare typische obstakels, biedt real-time input voor obstakelonderhandelingsbeslissingen.

​2.5 Gebroken draad intelligente diagnose: Nauwkeurige foutwaarschuwing​

• ​Detectieprincipe:​​ Op basis van het verschijnsel van lokale weerstandstoename en temperatuurstijging door gebroken draden, gebruikt een infraroodsensor om warmtestralingsignalen te detecteren.
• ​Intelligente diagnostiekmodel:​​
• ​Signaalverwerking:​​ Gebruikt de db4 waveletbasis voor 6-laags decompositie om ruis te filteren en zich te concentreren op frequentiebanden die foutkenmerken bevatten.
• ​Kenmerkextractie:​​ Introduceert wavelet energie-entropie om signaalcomplexiteit te karakteriseren, gecombineerd met piek-naar-piek waarden van detailcomponenten, vormt een 4-dimensionale kenmerkvector.
• ​Diagnosebeslissing:​​ Gebruikt een 3-laags BP-neuraalnetwerk voor diagnose. Experimentele verificatie toont 100 % nauwkeurigheid op testmonsters en 98 % online detectiesuccesratio.

​III. Samenvatting van oplossingsvoordelen​

• ​Hoge aanpassingsvermogen:​​ Drie-armige flexibele structuur biedt uitstekende obstakelonderhandeling en terreinaanpassing.
• ​Hoge autonomie:​​ Gecombineerd besturingssysteem maakt langafstandsautonome inspectie mogelijk met afstandsbedieningscapaciteit.
• ​Lange uithoudingsvermogen:​​ Innovatieve online energieopwekking lost fundamenteel uithoudingsbeperkingen op.
• ​Nauwkeurige detectie:​​ Integratie van machinevisie en infraroodthermografie met intelligente algoritmen garandeert hoge foutherkenningsnauwkeurigheid.
• ​Veilig en economisch:​​ Vervangt hoog-risicohandwerk, vermindert veiligheidsrisico's en langetermijnbedrijfskosten.

​IV. Huidige beperkingen en toekomstige perspectieven​

​4.1 Huidige beperkingen​

• Nog steeds vereist minimale handmatige assistentie in extreem complexe lijnomgevingen.
• Mogelijkheid voor verdere optimalisatie van mechanismegrootte en obstakelonderhandelingsstrokes voor een compactere ontwerp.
• Startstroom van het energiestroomsysteem blijft nog steeds relatief hoog, waardoor toepassing op zeer lage belastinglijnen beperkt is.
• Huidige foutdetectietypen zijn voornamelijk gericht op gebroken draden; het bereik van detecteerbare fouten kan worden uitgebreid.

​4.2 Toekomstig perspectief​

• Verlichting en balansoptimalisatie van mechanisme om obstakelonderhandelings-efficiëntie en -stabiliteit te verbeteren.
• Integratie van multisensorische navigatie om positiebepaling en omgevingsperceptie nauwkeurigheid te versterken.
• Optimalisatie van het energieopwekkingscircuit om de startstroom verder te verlagen en het toepassingsbereik uit te breiden.
• Uitbreiding van de foutdiagnosebibliotheek om defecten zoals beschadigde isolatoren en verontreiniging in te sluiten.
• Verbetering van de betrouwbaarheid van de robot, verbetering van industriële bescherming (bijv. stof- en waterdicht, en EMC-capaciteiten).