Samostojno pregledovalni robot za 110kV prenosne linije: Načrtovanje in izvedba sistema s tremi roki na visečem nosilcu

Povzetek​

Za odpravljanje notranjih omejitev ročnega pregledovanja in zračnega snemanja visokonapetostnih prenosnih vodov predlaga ta predlog samodejnega pregledovalnega robota, specifično zasnovanega za 110 kV električne vode. Robot ima inovativno mehansko strukturo s tremi roki, ki združuje samodejno premikanje, prehod preko ovir, online nabiranje energije in večkratno diagnozo napak. Cilj je avtomatizacija in intelektualizacija pregleda vodov, kar znatno izboljša učinkovitost in varnost delovanja in vzdrževanja omrežja ter zmanjša stroške.

​I. Ozadje projekta in cilji​

​1.1 Ozadje: Izazovi tradicionalnih metod pregledovanja​

Visokonapetostni prenosni vodi, ki so stalno izpostavljeni zunanjim pogojem, so podvrženi poškodovanju, kot so pretrgani žice in opotrebitev zaradi mehanske napeti, električnih bljeskav in staranja materiala, zato zahtevajo redno preverjanje. Trenutne metode soočajo z velikimi omejitvami:

• ​Ročno pregledovanje:​​ trudno, neučinkovito, visoko tvegano in močno omejeno z vremenskimi pogoji in terenom.
• ​Zračno snemanje z droni:​​ visoki operativni stroški, omejena trajnost, podvrženo nadzoru zračnega prostora in slabi pogodi, težko za detekcijo napak na bližnjem razdalji.

​1.2 Cilji: Inteligentna alternativa za pregled​

Ta projekt se osredotoča na razvoj samodejnega pregledovalnega robota za 110 kV visokonapetostne prenosne vode, ki bo lahko nadomestil ročno delo. Ključni cilji so:

• ​Funkcijska samostojnost:​​ dosego samodejnega premikanja in natančnega prehoda preko ovir (npr. prehod preko uporov titranja in klampov).
• ​Inteligentna detekcija:​​ integracija vizualnih in infrardečih senzorjev za samodejno identifikacijo in diagnozo tipičnih napak, kot so pretrgani žice.
• ​Samozadostnost energije:​​ uporaba tehnologije nekontaktnega induktivnega nabiranja energije za online samopopolnjevanje, kar omogoča dolgočasno preverjanje.
• ​Maksimalizacija učinkovitosti:​​ znatno izboljšanje učinkovitosti pregleda in natančnosti podatkov, s tem pa zmanjšanje operativnih stroškov in varnostnih tveganj.

​II. Ključne tehnične rešitve​

​2.1 Inovativna zasnova mehanske strukture: Visoka mobilnost in stabilnost​

• ​Celotna struktura:​​ uporablja konfiguracijo s tremi rokami, ki združuje prednosti večsegmentnih ločenih in kolesno-ročnih kompozitnih mehanizmov, ravnotežje med učinkovitostjo kolesnega gibanja in stabilnostjo gibanja podobnega molju. Skupna teža je približno 29 kg.
• ​Ključne komponente:​​
• ​Gibljive roke:​​ prednja in zadnja roka uporabljata dvokratni četverokratni mehanizem, pogon s skupno 16 motorji, dovoljuje neodvisno ali koordinirano nagnjeno gibanje z gladkim prehodom med čvrsto in gibljivo vezavo, da se prilagodi kompleksnim pogoji voda.
• ​Jedro pogona:​​ uporablja močne švicarske Maxon DC motorje s središčno ločenimi pogonskimi kolesi, ki zagotavljajo močno prehajanje preko ovir (možnost prehoda preko uporov titranja) in nagiba (običajno 60°, do 80° z brezopasnostjo).
• ​Breza:​​ uporablja spiralo-lahkočrkljasto mehanizem samozaklepajoč, da učinkovito prepreči nenamerno sklizanje ali padec med prehodom po naklonu ali prehodu preko ovir.
• ​Kinematika preverjanja:​​ obratna kinematika analiza na podlagi algoritma CCD iteracije; simulacije kažejo konvergenco le v 7 iteracijah, učinkovito preverjajo zmogljivost robota za dosego kompleksnih pose, kot so prehod preko zavese in 45° skokov.

​2.2 Hierarhični inteligentni kontrolni sistem: Brezšumna samostojnost in oddaljena upravljanje​

• ​Sistem arhitektura:​​ uporablja triplast distribuirano kontrolno strukturo (gornji sloj upravljanja na tleh, srednji sloj načrtovanja robota, spodnji sloj izvajanja), usklajen z PC/104 industrijskim računalnikom in ATmega128AU mikrokontrolerom za realnočasno odločanje in izvajanje.
• ​Hibridna strategija upravljanja:​​
• ​Samodejni način:​​ ofline načrtovanje poti na podlagi prednastavljene baze znanja, kombinirano z realnočasnim povratnim informacijami senzorjev za popolnoma samodejno premikanje in prehod preko ovir.
• ​Oddaljeni upravljalni način:​​ v zelo kompleksnih okoljih lahko operatorji na tleh izvajajo natančno manipulacijo na nivoju vezave ali izdajajo makro-ukaze preko oddaljene intervencije, podprto z HD video (25–30 Hz) prenesenega s robota.
• ​Merila zmogljivosti:​​ ena pregledna razdalja ≥ 2 km, povprečna hitrost ≥ 0.9 m/h, razdalja prenosa slike ≥ 2 km.

​2.3 Online induktivno nabiranje energije in inteligentno upravljanje energije: Neomejena trajnost​

• ​Načelo nabiranja energije:​​ uporablja razdeljen tokovni transformator za induktivno nabiranje energije iz magnetnega polja okoli visokonapetostnega voda. Jezero CT je izdelano iz visokopermeabilnega železovodnega nanokristalnega legiranja; optimizirana zasnova omogoča nizko začetni tok 32 A.
• ​Energetska sistema:​​ zagotavlja stabilno pravokotni napon; izhodna moč pokriva obseg toka voda od 32 A do 10 kA. Opriključen s 24 V/12 A·h inteligentnim Li-ion akumulatorjem z uporabo trifaznega algoritma nalaganja, z zaščito pred previsokimi temperaturami za varnost, učinkovitost in dolgo življenjsko dobo.

​2.4 Računalniško vidno prepoznavanje ovir: Natančna navigacija​

• ​Cilji prepoznavanja:​​ natančno prepoznava ključnih ovir, kot so zavesni klampi, klampi za ravno skakanje in klampi za skakanje.
• ​Algoritmi tok:​​
• ​Položaj:​​ grob položaj preko analize sivinskega podatka podblokov, natančno identifikacija prenosnega voda preko poravnave histograma in pragovnega segmentiranja.
• ​Izluščevanje značilnic:​​ izluščuje konture ovir s morfološkimi operacijami, analizira levi/desni naklon robov kot klasifikacijske značilnice.
• ​Prepoznavanje:​​ uporablja razmerje nejasnosti prepoznavanje vzorcev na podlagi načela maksimalnega članstva za hitro in natančno identifikacijo vrste ovire.
• ​Zmogljivosti:​​ čas obdelave ene slike ≈ 108 ms; zanesljivo prepoznava tipičnih ovir, zagotavlja realnočasne vhode za odločitve o prehodu preko ovir.

​2.5 Inteligentna diagnoza pretrganega žica: Natančna opozorila o napakah​

• ​Načelo merjenja:​​ na podlagi pojavana lokalnega povečanja upora in temperature zaradi pretrganega žica, uporablja infrardeči senzor za detekcijo termalnih radiacijskih signalov.
• ​Inteligentni model diagnoze:​​
• ​Obdelava signala:​​ uporablja db4 valčkovno bazo za 6-slojno dekompozicijo, da filtrira šum in se osredotoči na frekvenčne pasove, ki vsebujejo značilnosti napak.
• ​Izluščevanje značilnic:​​ vpeljuje valčkovno energijsko entropijo za karakterizacijo kompleksnosti signala, kombinirano z vrh-vrh vrednostmi podrobnih komponent, tvori 4-dimenzionalni vektor značilnic.
• ​Odločanje o diagnozi:​​ uporablja 3-slojni BP nevronski mreža za diagnozo. Eksperimentalna preverjanja kažejo 100 % točnost na testnih vzorcih in 98 % uspešnost online detekcije.

​III. Povzetek prednosti rešitve​

• ​Visoka prilagodljivost:​​ struktura s tremi rokami ponuja odlično prehajanje preko ovir in prilagodljivost terena.
• ​Visoka samostojnost:​​ hibridni kontrolni sistem omogoča dolgočasno samodejno pregledovanje z možnostjo oddaljene intervencije.
• ​Dolga trajnost:​​ inovativno online nabiranje energije temeljito reši omejitve trajnosti.
• ​Natančna detekcija:​​ integracija računalniškega vida in infrardeče termografije z inteligentnimi algoritmi zagotavlja visoko točnost prepoznavanja napak.
• ​Varna in ekonomična:​​ nadomesti visokotvegano ročno delo, zmanjša varnostna tveganja in dolgoročne operativne stroške.

​IV. Trenutne omejitve in prihodnje perspektive​

​4.1 Trenutne omejitve​

• Še vedno zahteva minimalno ročno pomoč v zelo kompleksnih pogoji voda.
• Potencial za nadaljnje optimizacijo velikosti mehanizma in hodnika prehoda preko ovir za bolj kompaktno zasnovo.
• Začetni tok energetskega sistema ostaja relativno visok, kar omejuje uporabo na zelo nizkonapetostnih vodov.
• Trenutno so glavne vrste detektiranih napak osredotočene na pretrgane žice; obseg detektiranih napak se lahko razširi.

​4.2 Prihodnje perspektive​

• Lahkost mehanizma in optimizacija ravnovesja za izboljšanje učinkovitosti in stabilnosti prehoda preko ovir.
• Integracija večsenzorske navigacije za izboljšanje natančnosti pozicioniranja in spremljanja okolja.
• Optimizacija kruga nabiranja energije, da se nadalje zmanjša začetni tok in razširi obseg uporabe.
• Razširitev knjižnice diagnoze napak, da vključuje poskodbe, kot so poškodovani izolatori in onesnaženje.
• Izboljšanje zanesljivosti robota, izboljšanje industrijske zaščite (npr. protiprah, vodootpeljevalna in EMC sposobnosti).