Autonomiczny robot do inspekcji linii przesyłowych 110kV: Projektowanie i wdrożenie systemu z trzema ramionami zawieszonymi

Streszczenie

Aby rozwiązać wewnętrzne ograniczenia ręcznej inspekcji i lotniczego zbadania linii wysokiego napięcia, niniejsza propozycja wprowadza autonomicznego robota do inspekcji specjalnie zaprojektowanego dla linii energetycznych 110 kV. Robot ten charakteryzuje się innowacyjną trójramienną zawieszoną konstrukcją mechaniczną, która integruje autonomiczne poruszanie się, przekraczanie przeszkód, online pobieranie energii oraz wielowymiarową diagnostykę uszkodzeń. Celem jest automatyzacja i inteligentyfikacja inspekcji linii, znaczne zwiększenie efektywności i bezpieczeństwa eksploatacji i utrzymania sieci, a także obniżenie kosztów.

I. Tło projektu i cele

1.1 Tło: Wyzwania tradycyjnych metod inspekcji

Linie wysokiego napięcia, które są ciągle narażone na warunki zewnętrzne, podlegają uszkodzeniom takim jak pęknięcia i zużycie spowodowane napięciem mechanicznym, elektryczną przepiórką i starzeniem materiałów, co wymaga regularnej inspekcji. Obecne metody napotykają istotne ograniczenia:

• Ręczna inspekcja: pracochłonna, nieefektywna, o wysokim ryzyku i silnie uzależniona od warunków pogodowych i terenu.
• Lotnicze badanie dronami: wysoki koszt operacyjny, ograniczona wytrzymałość, podlega kontroli przestrzeni powietrznej i warunkom atmosferycznym, a także trudności w detekcji defektów z bliska.

1.2 Cele: Inteligentna alternatywa do inspekcji

Celem projektu jest rozwój autonomicznego robota do inspekcji linii wysokiego napięcia 110 kV zdolnego zastąpić pracę ręczną. Główne cele to:

• Funkcjonalna autonomia: osiągnięcie autonomicznego poruszania się i precyzyjnego przekraczania przeszkód (np. przejście przez tłumiki drgań i klamry).
• Inteligentna detekcja: integracja czujników wizualnych i podczerwonych do automatycznego rozpoznawania i diagnozowania typowych uszkodzeń, takich jak pęknięcia.
• Samowystarczalność energetyczna: wykorzystanie technologii bezkontaktowego pobierania energii indukcyjnej do online samoodżywiania, umożliwiającego długodystansową inspekcję.
• Maksymalizacja efektywności: znaczne zwiększenie efektywności inspekcji i dokładności danych, co prowadzi do obniżenia kosztów operacyjnych i ryzyka bezpieczeństwa.

II. Kluczowe rozwiązania techniczne

2.1 Innowacyjny projekt konstrukcji mechanicznej: wysoka mobilność i stabilność

• Ogólna struktura: Wykorzystuje trójramienny zawieszony układ, który połącza zalety wielosegmentowej separacji i kompozytowej konstrukcji koła-ramienia, balansując efektywność ruchu na kółkach ze stabilnością czołgowania. Całkowita masa wynosi około 29 kg.
• Kluczowe komponenty:
• Sprężyste ramiona: Przednie i tylne ramiona wykorzystują mechanizm dwuczwórnika, napędzane przez łącznie 16 silników, pozwalające na niezależne lub skoordynowane ruchy nachylenia z płynnym przejściem między sztywnością a elastycznością stawów, aby dostosować się do złożonych warunków linii.
• Jednostka napędowa: Używa wysokomocnych szwajcarskich silników DC Maxon z centralnie oddzielonymi kołami napędowymi, zapewniając silną zdolność przekraczania przeszkód (zdolność do przejścia przez tłumiki drgań) i zdolność pokonywania nachylenia (standardowo 60°, maksymalnie 80° z hamowaniem).
• Jednostka hamulcowa: Zastosowano spiralno-klinowy suwak z samoblokującym mechanizmem, aby skutecznie zapobiegać przypadkowemuślizgowaniu lub spadaniu podczas przejazdu po zboczach lub przekraczaniu przeszkód.
• Weryfikacja kinematyczna: Analiza kinematyki odwrotnej oparta na algorytmie iteracyjnym CCD; symulacje pokazują zbieżność już po 7 iteracjach, efektywnie weryfikując zdolność robota do osiągania złożonych postaw, takich jak przejście przez klamry zawieszenia i skręty o 45°.

2.2 Hierarchiczny system inteligentnego sterowania: bezszwowe sterowanie autonomiczne i zdalne

• Architektura systemu: Wykorzystuje trójwarstwową rozproszoną strukturę sterowania (górna warstwa zarządzania naziemnego, środkowa warstwa planowania robota, dolna warstwa wykonawcza), skoordynowaną przez komputer przemysłowy PC/104 i mikrokontroler ATmega128AU do podejmowania decyzji i realizacji w czasie rzeczywistym.
• Strategia hybrydowego sterowania:
• Tryb autonomiczny: Offline planowanie ścieżki oparte na wstępnie ustawionej bazie wiedzy, połączone z feedbackem czujników w czasie rzeczywistym do pełnej autonomicznej poruszania się i przekraczania przeszkód.
• Tryb sterowania zdalnego: W ekstremalnie złożonych środowiskach operatorzy naziemni mogą wykonywać precyzyjne manipulacje na poziomie stawów lub wydawać makropolecenia poprzez interwencję zdalną, wspieraną transmisją HD video (25-30 Hz) z robota.
• Wskaźniki wydajności: Odległość pojedynczej inspekcji ≥ 2 km, prędkość średnia ≥ 0,9 m/h, odległość transmisji obrazu ≥ 2 km.

2.3 Online pobieranie energii indukcyjnej i inteligentne zarządzanie energią: nieograniczona wytrzymałość

• Zasada pobierania energii: Wykorzystuje transformator prądowy o otwartym rdzeniu do indukcyjnego pobierania energii z pola magnetycznego wokół przewodnika wysokiego napięcia. Rdzeń CT jest wykonany z nanokrystalicznego stopu żelaza o wysokiej przenikalności magnetycznej; zoptymalizowany projekt umożliwia niską prąd początkowy 32 A.
• System zasilania: Dostarcza stabilne napięcie prostowane; moc wyjściowa obejmuje zakres prądu liniowego od 32 A do 10 kA. Wyposażony w inteligentny akumulator Li-ion 24 V/12 A·h z trójfazowym algorytmem ładowania, z ochroną przed nadmiernym nagrzewaniem dla bezpieczeństwa, efektywności i długiego okresu użytkowania.

2.4 Rozpoznawanie przeszkód przez maszynę wizyjną: precyzyjna nawigacja

• Cele rozpoznawania: Precyzyjnie identyfikuje kluczowe przeszkody, takie jak klamry zawieszenia, klamry skoków proste i klamry skoków obrotowych.
• Przepływ algorytmu:
• Pozycjonowanie: Szerokie pozycjonowanie poprzez analizę siatki szarosci, precyzyjne identyfikowanie linii przesyłowej poprzez równoważenie histogramu i segmentację progową.
• Ekstrakcja cech: Ekstrahuje kontury przeszkód przy użyciu operacji morfologicznych, analizując nachylenia krawędzi lewej/prawej jako cechy klasyfikacyjne.
• Rozpoznawanie: Stosuje algorytm rozpoznawania wzorców rozmytych oparty na zasadzie maksymalnego członkostwa do szybkiego i precyzyjnego identyfikowania typu przeszkody.
• Wydajność: Czas przetwarzania pojedynczego obrazu ≈ 108 ms; niezawodnie identyfikuje typowe przeszkody, dostarczając实时终止，看起来我犯了一个错误，在翻译过程中出现了非目标语言的文本。我会立即纠正这个问题并重新提供完整的翻译结果。

  

  Streszczenie

  Aby rozwiązać wewnętrzne ograniczenia ręcznej inspekcji i lotniczego zbadania linii wysokiego napięcia, niniejsza propozycja wprowadza autonomicznego robota do inspekcji specjalnie zaprojektowanego dla linii energetycznych 110 kV. Robot ten charakteryzuje się innowacyjną trójramienną zawieszoną konstrukcją mechaniczną, która integruje autonomiczne poruszanie się, przekraczanie przeszkód, online pobieranie energii oraz wielowymiarową diagnostykę uszkodzeń. Celem jest automatyzacja i inteligentyfikacja inspekcji linii, znaczne zwiększenie efektywności i bezpieczeństwa eksploatacji i utrzymania sieci, a także obniżenie kosztów.

  I. Tło projektu i cele

  1.1 Tło: Wyzwania tradycyjnych metod inspekcji

  Linie wysokiego napięcia, które są ciągle narażone na warunki zewnętrzne, podlegają uszkodzeniom takim jak pęknięcia i zużycie spowodowane napięciem mechanicznym, elektryczną przepiórką i starzeniem materiałów, co wymaga regularnej inspekcji. Obecne metody napotykają istotne ograniczenia:

  • Ręczna inspekcja: pracochłonna, nieefektywna, o wysokim ryzyku i silnie uzależniona od warunków pogodowych i terenu.
  • Lotnicze badanie dronami: wysoki koszt operacyjny, ograniczona wytrzymałość, podlega kontroli przestrzeni powietrznej i warunkom atmosferycznym, a także trudności w detekcji defektów z bliska.

  1.2 Cele: Inteligentna alternatywa do inspekcji

  Celem projektu jest rozwój autonomicznego robota do inspekcji linii wysokiego napięcia 110 kV zdolnego zastąpić pracę ręczną. Główne cele to:

  • Funkcjonalna autonomia: osiągnięcie autonomicznego poruszania się i precyzyjnego przekraczania przeszkód (np. przejście przez tłumiki drgań i klamry).
  • Inteligentna detekcja: integracja czujników wizualnych i podczerwonych do automatycznego rozpoznawania i diagnozowania typowych uszkodzeń, takich jak pęknięcia.
  • Samowystarczalność energetyczna: wykorzystanie technologii bezkontaktowego pobierania energii indukcyjnej do online samoodżywiania, umożliwiającego długodystansową inspekcję.
  • Maksymalizacja efektywności: znaczne zwiększenie efektywności inspekcji i dokładności danych, co prowadzi do obniżenia kosztów operacyjnych i ryzyka bezpieczeństwa.

  II. Kluczowe rozwiązania techniczne

  2.1 Innowacyjny projekt konstrukcji mechanicznej: wysoka mobilność i stabilność

  • Ogólna struktura: Wykorzystuje trójramienny zawieszony układ, który połącza zalety wielosegmentowej separacji i kompozytowej konstrukcji koła-ramienia, balansując efektywność ruchu na kółkach ze stabilnością czołgowania. Całkowita masa wynosi około 29 kg.
  • Kluczowe komponenty:
  • Sprężyste ramiona: Przednie i tylne ramiona wykorzystują mechanizm dwuczwórnika, napędzane przez łącznie 16 silników, pozwalające na niezależne lub skoordynowane ruchy nachylenia z płynnym przejściem między sztywnością a elastycznością stawów, aby dostosować się do złożonych warunków linii.
  • Jednostka napędowa: Używa wysokomocnych szwajcarskich silników DC Maxon z centralnie oddzielonymi kołami napędowymi, zapewniając silną zdolność przekraczania przeszkód (zdolność do przejścia przez tłumiki drgań) i zdolność pokonywania nachylenia (standardowo 60°, maksymalnie 80° z hamowaniem).
  • Jednostka hamulcowa: Zastosowano spiralno-klinowy suwak z samoblokującym mechanizmem, aby skutecznie zapobiegać przypadkowemu ślizgowaniu lub spadaniu podczas przejazdu po zboczach lub przekraczaniu przeszkód.
  • Weryfikacja kinematyczna: Analiza kinematyki odwrotnej oparta na algorytmie iteracyjnym CCD; symulacje pokazują zbieżność już po 7 iteracjach, efektywnie weryfikując zdolność robota do osiągania złożonych postaw, takich jak przejście przez klamry zawieszenia i skręty o 45°.

  2.2 Hierarchiczny system inteligentnego sterowania: bezszwowe sterowanie autonomiczne i zdalne

  • Architektura systemu: Wykorzystuje trójwarstwową rozproszoną strukturę sterowania (górna warstwa zarządzania naziemnego, środkowa warstwa planowania robota, dolna warstwa wykonawcza), skoordynowaną przez komputer przemysłowy PC/104 i mikrokontroler ATmega128AU do podejmowania decyzji i realizacji w czasie rzeczywistym.
  • Strategia hybrydowego sterowania:
  • Tryb autonomiczny: Offline planowanie ścieżki oparte na wstępnie ustawionej bazie wiedzy, połączone z feedbackem czujników w czasie rzeczywistym do pełnej autonomicznej poruszania się i przekraczania przeszkód.
  • Tryb sterowania zdalnego: W ekstremalnie złożonych środowiskach operatorzy naziemni mogą wykonywać precyzyjne manipulacje na poziomie stawów lub wydawać makropolecenia poprzez interwencję zdalną, wspieraną transmisją HD video (25-30 Hz) z robota.
  • Wskaźniki wydajności: Odległość pojedynczej inspekcji ≥ 2 km, prędkość średnia ≥ 0,9 m/h, odległość transmisji obrazu ≥ 2 km.

  2.3 Online pobieranie energii indukcyjnej i inteligentne zarządzanie energią: nieograniczona wytrzymałość

  • Zasada pobierania energii: Wykorzystuje transformator prądowy o otwartym rdzeniu do indukcyjnego pobierania energii z pola magnetycznego wokół przewodnika wysokiego napięcia. Rdzeń CT jest wykonany z nanokrystalicznego stopu żelaza o wysokiej przenikalności magnetycznej; zoptymalizowany projekt umożliwia niską prąd początkowy 32 A.
  • System zasilania: Dostarcza stabilne napięcie prostowane; moc wyjściowa obejmuje zakres prądu liniowego od 32 A do 10 kA. Wyposażony w inteligentny akumulator Li-ion 24 V/12 A·h z trójfazowym algorytmem ładowania, z ochroną przed nadmiernym nagrzewaniem dla bezpieczeństwa, efektywności i długiego okresu użytkowania.

  2.4 Rozpoznawanie przeszkód przez maszynę wizyjną: precyzyjna nawigacja

  • Cele rozpoznawania: Precyzyjnie identyfikuje kluczowe przeszkody, takie jak klamry zawieszenia, klamry skoków proste i klamry skoków obrotowych.
  • Przepływ algorytmu:
  • Pozycjonowanie: Szerokie pozycjonowanie poprzez analizę siatki szarosci, precyzyjne identyfikowanie linii przesyłowej poprzez równoważenie histogramu i segmentację progową.
  • Ekstrakcja cech: Ekstrahuje kontury przeszkód przy użyciu operacji morfologicznych, analizując nachylenia krawędzi lewej/prawej jako cechy klasyfikacyjne.
  • Rozpoznawanie: Stosuje algorytm rozpoznawania wzorców rozmytych oparty na zasadzie maksymalnego członkostwa do szybkiego i precyzyjnego identyfikowania typu przeszkody.
  • Wydajność: Czas przetwarzania pojedynczego obrazu ≈ 108 ms; niezawodnie identyfikuje typowe przeszkody, dostarczając real-time input for obstacle-negotiation decisions.

  2.5 Inteligentna diagnostyka pęknięć: precyzyjne ostrzeganie o uszkodzeniach

  • Zasada wykrywania: Opiera się na zjawisku lokalnego wzrostu oporu i temperatury spowodowanego pęknięciami, wykorzystuje czujnik podczerwieni do wykrywania sygnałów promieniowania cieplnego.
  • Model inteligentnej diagnostyki:
  • Przetwarzanie sygnałów: Wykorzystuje bazę falową db4 do 6-warstwowej dekompozycji, aby wyfiltrować szum i skupić się na pasmach częstotliwości zawierających cechy uszkodzeń.
  • Ekstrakcja cech: Wprowadza entropię energii falowej do charakteryzowania złożoności sygnału, połączoną z wartością szczytowo-szczytową składowych szczegółowych, tworząc wektor cech 4-wymiarowy.
  • Decyzja diagnostyczna: Wykorzystuje 3-warstwową sieć neuronową BP do diagnostyki. Eksperymentalna weryfikacja pokazuje 100% dokładność na próbkach testowych i 98% skuteczność wykrywania online.

  III. Podsumowanie zalet rozwiązania

  • Wysoka adaptacja: Trójramienna elastyczna struktura zapewnia doskonałą zdolność przekraczania przeszkód i adaptację do terenu.
  • Wysoka autonomia: Hybrydowy system sterowania umożliwia długodystansową autonomiczną inspekcję z możliwością interwencji zdalnej.
  • Długa wytrzymałość: Innowacyjne online pobieranie energii fundamentalnie rozwiązuje ograniczenia związane z wytrzymałością.
  • Precyzyjne wykrywanie: Integracja maszyny wizyjnej i termografii podczerwonej z inteligentnymi algorytmami zapewnia wysoką dokładność rozpoznawania uszkodzeń.
  • Bezpieczeństwo i ekonomia: Zastępuje pracy o wysokim ryzyku, zmniejszając zagrożenia bezpieczeństwa i długoterminowe koszty operacyjne.

  IV. Obecne ograniczenia i perspektywy przyszłe

  4.1 Obecne ograniczenia

  • Wciąż wymaga minimalnej pomocy ręcznej w ekstremalnie złożonych warunkach liniowych.
  • Potencjał do dalszej optymalizacji rozmiaru mechanizmu i przejazdu przeszkód dla bardziej kompaktowego projektu.
  • Prąd początkowy systemu zasilania pozostaje stosunkowo wysoki, ograniczając zastosowanie na liniach o bardzo niskim obciążeniu.
  • Obecnie wykrywane typy uszkodzeń koncentrują się głównie na pęknięciach; zakres wykrywanych uszkodzeń może być rozszerzony.

  4.2 Perspektywy przyszłe

  • Lekkość i optymalizacja bilansu mechanizmu, aby zwiększyć efektywność i stabilność przekraczania przeszkód.
  • Integracja nawigacji wieloczujnikowej, aby zwiększyć dokładność pozycjonowania i percepcji środowiska.
  • Optymalizacja obwodu pobierania energii, aby dalej obniżyć prąd początkowy i rozszerzyć zakres zastosowania.
  • Rozszerzenie biblioteki diagnostyki uszkodzeń, aby uwzględnić defekty, takie jak uszkodzone izolatory i zanieczyszczenia.
  • Wzmocnienie niezawodności robota, poprawiając ochronę przemysłową (np. ochronę przed pyłem, wodą i EMC).