
Аннотация
Для решения врожденных ограничений ручного осмотра и аэрофотосъемки высоковольтных линий электропередачи, данное предложение представляет автономного робота-инспектора, специально разработанного для линий 110 кВ. Обладая инновационной трехручьевой подвесной механической конструкцией, робот интегрирует автономное ползание, преодоление препятствий, онлайн-генерацию энергии и многопараметрическую диагностику неисправностей. Он направлен на автоматизацию и интеллектуализацию осмотра линий, значительно улучшая эффективность и безопасность эксплуатации и обслуживания сетей, а также снижая затраты.
I. Проектный фон и цели
1.1 Фон: Проблемы традиционных методов осмотра
Высоковольтные линии электропередачи, постоянно находящиеся в условиях открытой среды, подвержены дефектам, таким как обрыв проводников и износ вследствие механического напряжения, электрического пробоя и старения материалов, что требует регулярного осмотра. Текущие методы сталкиваются с значительными бутылочными горлышками:
- Ручной осмотр: трудоемкий, неэффективный, высокорискованный и сильно зависящий от погодных условий и рельефа местности.
 
- Аэрофотосъемка с помощью дронов: высокая стоимость эксплуатации, ограниченная продолжительность работы, зависимость от воздушного пространства и неблагоприятных погодных условий, а также сложность обнаружения дефектов на близком расстоянии.
 
1.2 Цели: Интеллектуальная альтернатива осмотра
Цель данного проекта - разработать автономного робота-инспектора для высоковольтных линий электропередачи 110 кВ, способного заменить ручной труд. Основные цели включают:
- Функциональная автономия: достижение автономного ползания и точного преодоления препятствий (например, пересечение демпферов вибрации и зажимов).
 
- Интеллектуальное обнаружение: интеграция визуальных и инфракрасных датчиков для автоматического обнаружения и диагностики типичных неисправностей, таких как обрыв проводников.
 
- Энергетическая самодостаточность: использование технологии бесконтактного индуктивного генерирования энергии для онлайн-подзарядки, позволяющей проводить дальние осмотры.
 
- Максимальная эффективность: значительное повышение эффективности осмотра и точности данных, что приводит к снижению эксплуатационных затрат и рисков безопасности.
 
II. Основные технические решения
2.1 Инновационный дизайн механической конструкции: Высокая мобильность и стабильность
- Общая конструкция: использует трехручьевую подвесную конфигурацию, сочетающую преимущества многосегментной раздельной и колесно-ручьевой композитной механизмов, обеспечивая баланс между эффективностью движения на колесах и стабильностью ползания, подобного движению гусеницы. Общий вес составляет около 29 кг.
 
- Ключевые компоненты:
 
- Гибкие руки: передняя и задняя руки используют двойной четырехзвенный механизм, приводимый 16 двигателями, что позволяет независимое или координированное движение с возможностью плавного перехода жесткости-гибкости, адаптируясь к сложным условиям линий.
 
- Приводной блок: использует мощные швейцарские DC-двигатели Maxon с центрально-разделенными ведущими колесами, обеспечивающими сильную способность преодолевать препятствия (способны проходить через демпферы вибрации) и подъем (обычно 60°, до 80° с торможением).
 
- Тормозной блок: использует спирально-кривошипный механизм самофиксации, эффективно предотвращающий случайное скольжение или падение при преодолении склонов или препятствий.
 
- Кинематическая проверка: обратный кинематический анализ на основе алгоритма CCD-итераций; моделирование показывает сходимость всего за 7 итераций, эффективно подтверждая способность робота выполнять сложные позы, такие как пересечение подвесных зажимов и прыжки на угле 45°.
 
2.2 Иерархическая интеллектуальная система управления: Бесшовная автономия и дистанционное управление
- Архитектура системы: использует трехуровневую распределенную структуру управления (верхний уровень наземного управления, средний уровень планирования робота, нижний уровень выполнения), координируемую промышленным компьютером PC/104 и микроконтроллером ATmega128AU для принятия решений и выполнения в реальном времени.
 
- Смешанная стратегия управления:
 
- Автономный режим: офлайн-планирование маршрута на основе заранее установленной базы знаний, сочетаемое с обратной связью от датчиков в реальном времени для полностью автономного ползания и преодоления препятствий.
 
- Режим дистанционного управления: в крайне сложных условиях операторы на земле могут выполнять точное манипулирование на уровне суставов или выдавать макрокоманды через дистанционное вмешательство, поддерживаемые HD-видео (25-30 Гц), передаваемым от робота.
 
- Показатели производительности: одиночное расстояние осмотра ≥ 2 км, средняя скорость ≥ 0,9 м/ч, расстояние передачи изображения ≥ 2 км.
 
2.3 Онлайн-индуктивное генерирование энергии и интеллектуальное управление энергией: Безграничное время работы
- Принцип генерирования энергии: использует раздельно-сердечниковый трансформатор тока для индуктивного генерирования энергии из магнитного поля вокруг высоковольтного проводника. Сердечник трансформатора выполнен из высоко-пермеабельного железосодержащего нанокристаллического сплава; оптимизированный дизайн обеспечивает низкий пороговый ток 32 А.
 
- Энергетическая система: обеспечивает стабильное выпрямленное напряжение; выходная мощность покрывает диапазон тока линии от 32 А до 10 кА. Снабжена интеллектуальной литий-ионной батареей 24 В/12 А·ч, использующей трехступенчатый алгоритм зарядки, с защитой от перегрева для безопасности, эффективности и длительного срока службы.
 
2.4 Машино-визуальное распознавание препятствий: Точная навигация
- Цели распознавания: точно распознает ключевые препятствия, такие как подвесные зажимы, прямолинейные зажимы-перемычки и угловые зажимы-перемычки.
 
- Алгоритмический процесс:
 
- Позиционирование: грубое позиционирование по анализу серых подблоков, точное распознавание линии электропередачи по выравниванию гистограммы и пороговой сегментации.
 
- Извлечение признаков: извлечение контуров препятствий с использованием морфологических операций, анализ уклонов левых и правых кромок в качестве классификационных признаков.
 
- Распознавание: применение алгоритма нечеткого распознавания образов на основе принципа максимального членства для быстрого и точного идентификации типа препятствия.
 
- Производительность: время обработки одного изображения ≈ 108 мс; надежное распознавание типичных препятствий, предоставляющее входные данные в реальном времени для принятия решений о преодолении препятствий.
 
2.5 Интеллектуальная диагностика обрыва проводников: Точное предупреждение о неисправностях
- Принцип обнаружения: основывается на явлении локального увеличения сопротивления и повышения температуры вследствие обрыва проводников, использует инфракрасный датчик для обнаружения сигналов теплового излучения.
 
- Интеллектуальная модель диагностики:
 
- Обработка сигналов: использует базу вейвлет-преобразования db4 для 6-слойной декомпозиции, чтобы фильтровать шум и сосредоточиться на частотных диапазонах, содержащих признаки неисправностей.
 
- Извлечение признаков: вводится энергия вейвлет-энтропии для характеристики сложности сигнала, объединенная с пиковыми значениями детальных компонентов, формируя 4-мерный вектор признаков.
 
- Принятие решения о диагностике: использует трехслойную нейронную сеть BP для диагностики. Экспериментальная проверка показала 100% точность на тестовых образцах и 98% успеха онлайн-обнаружения.
 
III. Сводка преимуществ решения
- Высокая адаптивность: трехручьевая гибкая конструкция обеспечивает отличное преодоление препятствий и адаптивность к рельефу местности.
 
- Высокая автономность: смешанная система управления обеспечивает долгое автономное обследование с возможностью дистанционного вмешательства.
 
- Долгое время работы: инновационное онлайн-генерирование энергии фундаментально решает ограничения по времени работы.
 
- Точное обнаружение: интеграция машинного зрения и инфракрасной термографии с интеллектуальными алгоритмами обеспечивает высокую точность распознавания неисправностей.
 
- Безопасность и экономичность: заменяет высокорискованный ручной труд, снижая опасности безопасности и долгосрочные эксплуатационные затраты.
 
IV. Текущие ограничения и перспективы
4.1 Текущие ограничения
- Требуется минимальная помощь человека в крайне сложных условиях линий.
 
- Потенциал для дальнейшей оптимизации размера механизма и хода преодоления препятствий для более компактного дизайна.
 
- Начальный ток энергетической системы остается относительно высоким, ограничивая применение на линиях с очень низкой нагрузкой.
 
- Текущие типы обнаруживаемых неисправностей в основном сосредоточены на обрывах проводников; можно расширить диапазон обнаруживаемых неисправностей.
 
4.2 Будущие перспективы
- Легковесность и оптимизация баланса механизма для улучшения эффективности и стабильности преодоления препятствий.
 
- Интеграция многодатчиковой навигации для улучшения точности позиционирования и восприятия окружающей среды.
 
- Оптимизация цепи генерирования энергии для дальнейшего снижения начального тока и расширения области применения.
 
- Расширение библиотеки диагностики неисправностей, включая дефекты, такие как поврежденные изоляторы и загрязнение.
 
- Улучшение надежности робота, повышение промышленной защиты (например, пыле- и влагозащита, а также EMC-способности).