Autonome inspeksjonsrobot for 110kV overføringslinjer: Design og implementasjon av et trefarmet hengesystem

Sammendrag​

For å håndtere de innebygde begrensningene ved manuell inspeksjon og luftbilledanalyse av høyspenningskraftledninger, introduserer dette forslaget en autonom inspeksjonsrobot spesielt utviklet for 110 kV kraftledninger. Med en innovativ trearmet opphengende mekanisk struktur integrerer roboten autonome kryping, hindrehandtering, online energihenting og flerfeil-diagnose. Målet er å automatisere og intellektualisere linjeinspeksjon, noe som betydelig forbedrer både effektiviteten og sikkerheten i nettoperasjon og -vedlikehold, samtidig som kostnader reduseres.

​I. Prosjektbakgrunn og mål​

​1.1 Bakgrunn: utfordringer ved tradisjonelle inspeksjonsmetoder​

Høyspenningskraftledninger, som er konstant utsatt for utendørs miljø, er utsatt for defekter som brudd i tråder og slitasje på grunn av mekanisk spenning, elektrisk flashover og materialealdring, og krever derfor regelmessig inspeksjon. Nåværende metoder står overfor betydelige flaskenhalsproblemer:

• ​Manuell inspeksjon:​​ arbeidsintensiv, ineffektiv, høyrisikabelt og sterkt begrenset av vær og terreng.
• ​Droneluftbilledanalyse:​​ høy driftskostnad, begrenset varighet, underlagt luftrumkontroll og dårlig vær, og utfordrende for nærmeste feildeteksjon.

​1.2 Mål: En intelligent inspeksjonsalternativ​

Dette prosjektet har til hensikt å utvikle en autonom inspeksjonsrobot for 110 kV høyspenningskraftledninger som kan erstatte manuell arbeid. Kjerneformål inkluderer:

• ​Funksjonell autonomi:​​ oppnå autonom kryping og nøyaktig hindrehandtering (f.eks. kryssing av vibrasjonsdempere og klemskinner) på linjene.
• ​Intelligent deteksjon:​​ integrer visuelle og infrarøde sensorer for å automatisk identifisere og diagnostisere typiske feil som brudd i tråder.
• ​Energi selvstendighet:​​ bruk ikke-kontakts inductive energihentingsteknologi for online selvoppfylling, som muliggjør langdistansinspeksjon.
• ​Maksimalisert effektivitet:​​ øke inspeksjoneffektiviteten og data-nøyaktigheten betydelig, noe som reduserer driftskostnader og sikkerhetsrisikoer.

​II. Kjerne tekniske løsninger​

​2.1 Innovativ mekanisk strukturdesign: Høy mobilitet og stabilitet​

• ​Total struktur:​​ bruker en trearmet opphengende konfigurasjon som kombinerer fordeler med flersegment delt og hjul-arm komposittmekanismer, balanserer effektiviteten av hjulsbevegelse med stabiliteten av inchworm-lignende kryping. Total vekt er omtrent 29 kg.
• ​Kjernekomponenter:​​
• ​Fleksible armer:​​ for- og bakarmer bruker en dobbel firelenkes kobling, drevet av totalt 16 motorer, som tillater uavhengig eller samordnet pitchbevegelse med joint stiffnes-flexibility smooth overgang evne for å tilpasse seg komplekse linjesituasjoner.
• ​Drev enhet:​​ bruker høyeffektive sveitsiske Maxon DC-motorer med sentral separat drevhjul, gir sterk hindreoverkryssingsevne (kan passere vibrasjonsdempere) og kjørehellig (vanlig 60°, opptil 80° med bremse).
• ​Bremse enhet:​​ bruker en spiral-krank slider selvlåsesmekanisme for å effektivt forhindre uhellsvise gliding eller falt under heling traversering eller hindrehandtering.
• ​Kinematisk validering:​​ invers kinematisk analyse basert på CCD iterativ algoritme; simuleringer viser konvergens bare i 7 iterasjoner, effektivt validerer robotens evne til å oppnå komplekse posisjoner som kryssing av opphengklamer og 45° turn jumper.

​2.2 Hierarkisk intelligent kontrollsystem: seamless autonomi og fjernkontroll​

• ​Systemarkitektur:​​ bruker en trelags distribuert kontrollstruktur (øvre jordstyringslag, mellom robotplanleggingslag, nederste eksekveringslag), koordinert av en PC/104 industriell datamaskin og en ATmega128AU mikrokontroller for sanntid beslutningstaking og eksekvering.
• ​Hybridkontrollstrategi:​​
• ​Autonom modus:​​ offline veiplanlegging basert på en forhåndsinnstilt kunnskapsbase, kombinert med sanntid sensorfeedback for fullstendig autonom kryping og hindrehandtering.
• ​Fjernkontrollmodus:​​ i ekstremt komplekse miljøer, kan jordbaserte operatører utføre joint-level fine manipulasjon eller gi makrokommandoer gjennom fjernintervensjon, støttet av HD-video (25–30 Hz) sendt fra roboten.
• ​Ytelsesmål:​​ enkel inspeksjonsavstand ≥ 2 km, gjennomsnittlig hastighet ≥ 0.9 m/h, bildeoverføringavstand ≥ 2 km.

​2.3 Online induktiv energihenting & intelligent energistyring: ubegrenset varighet​

• ​Energihenting prinsipp:​​ bruker en split-core strømtransformator for å induktivt hente energi fra magnetfeltet rundt høyspenningslederen. CT-kjernen er laget av høypermeabilitet jernbasert nanokristallin legering; en optimalisert design muliggjør en lav startstrøm på 32 A.
• ​Energisystem:​​ leverer stabil rekifieret spenning; utdatastrømmen dekker en ledningsstrøm rekkevidde fra 32 A til 10 kA. Utstyrt med en 24 V/12 A·h intelligent Li-ion batteripakke som bruker en tretrinns ladingsalgoritme, med overtemperaturbeskyttelse for sikkerhet, effektivitet og lang levetid.

​2.4 Maskinvision hinder gjenkjenning: nøyaktig navigasjon​

• ​Gjenkjenning mål:​​ nøyaktig identifiserer nøkkelhindre som opphengklamer, rettlinje jumperklamer og turn jumperklamer.
• ​Algoritmeflyt:​​
• ​Posisjonering:​​ grov posisjonering via sub-blokk gråtoneanalyse, nøyaktig identifisering av overføringslinjen via histogram utjevning og terskel segmentering.
• ​Trekke ut egenskaper:​​ trekker ut hindrekonturer ved hjelp av morfologiske operasjoner, analyserer venstre/høyre kantlutninger som klassifiseringsmerknader.
• ​Gjenkjenning:​​ bruker en uskarpen mønstergjenkjenning algoritme basert på maksimum medlemskap prinsipp for rask og nøyaktig hindretypeidentifisering.
• ​Ytelse:​​ enkel bildebehandlings tid ≈ 108 ms; pålitelig identifiserer typiske hindre, gir sanntid input for hindrehandtering beslutninger.

​2.5 Brutt tråd intelligent diagnose: nøyaktig feilvarsel​

• ​Deteksjon prinsipp:​​ basert på fenomenet lokal motstand økning og temperaturøkning på grunn av brutte tråder, bruker en infrarød sensor for å detektere termisk strålingssignal.
• ​Intelligent diagnosemodell:​​
• ​Signalbehandling:​​ bruker db4 wavelet base for 6-lag dekomponering for å filtrere ut støy og fokusere på frekvensband som inneholder feilegenskaper.
• ​Trekke ut egenskaper:​​ introduserer wavelet energientropi for å karakterisere signalkompleksitet, kombinert med topp-topp verdier av detaljkomponenter, daner en 4-dimensjonal egenskapsvektor.
• ​Diagnosebeslutning:​​ bruker en 3-lag BP nevrale nettverk for diagnose. Eksperimentell verifisering viser 100 % nøyaktighet på testprøver og 98 % online deteksjon suksessrate.

​III. Løsningens fordelersammenfatning​

• ​Høy tilpasningsevne:​​ trearm fleksibel struktur gir fremragende hindrehandtering og terrengtilpasning.
• ​Høy autonomi:​​ hybridkontrollsystem muliggjør langdistansautonom inspeksjon med fjernintervensjonskapasitet.
• ​Lang varighet:​​ innovativ online energihenting løser grunnleggende varighetsbegrensninger.
• ​Nøyaktig deteksjon:​​ integrasjon av maskinvision og infrarødt thermografi med intelligente algoritmer sikrer høy feilgjenkjenning nøyaktighet.
• ​Sikker og økonomisk:​​ erstatter høyrisikabelt manuelt arbeid, reduserer sikkerhetsfare og langtid driftskostnader.

​IV. Nåværende begrensninger og fremtidige perspektiver​

​4.1 Nåværende begrensninger​

• Stiller fortsatt behov for minimal manuell bistand i ekstremt komplekse linjemiljøer.
• Potensial for videre optimalisering av mekanismestørrelse og hindrehandtering slaglengde for et mer kompakt design.
• Energisystem startstrøm er fortsatt relativt høy, begrenser anvendelse på meget lavlastede linjer.
• Nåværende feil deteksjonstyper er hovedsakelig fokusert på brutte tråder; deteksjonsspennvidde kan utvides.

​4.2 Fremtidig utsikt​

• Mekanismelysvekting og balanseoptimalisering for å forbedre hindrehandtering effektivitet og stabilitet.
• Integrasjon av multi-sensor navigasjon for å forbedre posisjonering og miljøpersepsjon nøyaktighet.
• Optimalisering av energihentingssirkuit for å ytterligere redusere startstrøm og utvide anvendelsesområdet.
• Utvidelse av feil diagnoselibrary til å inkludere defekter som skadet isolatorer og forurensning.
• Forbedring av robotens pålitelighet, forbedrer industriell grad beskyttelse (f.eks. støvtett, vannett, og EMC kapasiteter).