Autonoma inspekcioni robotska sistema za 110kV prenosne linije: Dizajn i implementacija sistema sa tri ruke koje se penju

Апстракт

У циљу решавања унутрашњих ограничења ручне инспекције и аерофотограметрије за високонапонске преносне линије, овај предлог уводи аутономног инспекционог робота специјално дизајнираног за 110 кВ електропреводнице. Са иновативном механичком структуром са три рукава, робот интегрише аутономно пухтање, преодолевање препрека, онлајн скупљање енергије и многоструку дијагностику грешака. Циљ је аутоматизација и интелектуализација инспекције линија, значајно побољшавајући ефикасност и безбедност рада мреже и одржавања, док се своде трошкови.

I. Позадина пројекта и циљеви

1.1 Позадина: Изазови традиционалних метода инспекције

Високонапонске преносне линије, које су непрекидно изложени отвореној средини, подлеже дефектима попут пресечених жица и износа због механичких напона, електричних флашовера и старења материјала, па је потребна регуларна инспекција. Тренутни методи су сусрели значајна бутилошка:

• Ручна инспекција: Напорна, неефикасна, високоризична и снажно ограничена временским и теренским условима.
• Дронска аерофотограметрија: Високи оперативни трошкови, ограничен издржавај, подложна контроли ваздушног простора и лошим временским условима, те је тешко за детектовање дефекта на близини.

1.2 Циљеви: Интелигентна алтернатива инспекцији

Овај пројекат има за циљ развој аутономног инспекционог робота за високонапонске преносне линије од 110 кВ способног да замени ручну радњу. Кључни циљеви укључују:

• Функционална аутономија: Постигнути аутономно пухтање и прецизно преодолевање препрека (нпр. прелазак преко вибрационих гасилаца и шипова).
• Интелигентна детекција: Интеграција визуелних и инфрацрвених сензора за аутоматско препознавање и дијагностику типичних грешака попут пресечене жице.
• Самодовољна енергија: Искоришћење технологии бесконтактног индуктивног скупљања енергије за онлајн самооправљање, омогућавајући инспекцију на велике дистанце.
• Максимизирана ефикасност: Значајно повећање ефикасности инспекције и тачности података, што доводи до смањења оперативних трошкова и ризика за безбедност.

II. Основне техничке решења

2.1 Иновативни дизајн механичке структуре: Висока мобилност и стабилност

• Цела структура: Употребљава конфигурацију са три рукава која комбинује предности више-сеgmentnih одвојених и колесно-рукавних композитних механизама, балансирајући ефикасност кретања колеса са стабилношћу кретања као код гусенице. Укупна маса износи приближно 29 кг.
• Кључне компоненте:
• Флексибилни рукави: Предњи и задњи рукави користе механизам са двоструком четворо-барним повезивањем, покретани од 16 мотора, што омогућава независно или координовано кретање са глатким прелазом између чврстоће и флексибилности спојева како би се приспособило комплексним условима линије.
• Приводни јединица: Користи високо-мощне Швајцарске Maxon DC моторе са централно одвојеним приводним колесима, што обезбеђује јаку способност преодолевања препрека (способно да прелази вибрационе гасилаце) и стрмина (редовно 60°, до 80° са коцкањем).
• Јединица за коцкање: Примењује спирално-кривошијачки клизачи самозакључавајући механизам како би ефективно спречио случајно склизавање или падање при прелазу по нагибу или преодолевању препрека.
• Кинематичка валидација: Инверзна кинематичка анализа базирана на CCD итеративном алгоритму; симулације показују конвергенцију у само 7 итерација, ефективно валидирајући способност робота да постигне комплексне позе као што је прелазак преко висењих шипова и 45° скокови.

2.2 Хијерархијски интелигентни контролни систем: Беспрекидна аутономија и удаљена контрола

• Архитектура система: Употребљава три-слојну расподељену контролну структуру (горњи слој управљања на земљи, средњи слој планирања робота, доњи слој извршавања), координирану преко PC/104 индустријског рачунара и ATmega128AU микроконтролера за реално време одлучивања и извршавања.
• Хибридна контролна стратегија:
• Аутономни режим: Оффлайн планирање путање базирано на претходно постављену базу знања, у комбинацији са реалном време повратним информацијама сензора за потпуно аутономно пухтање и преодолевање препрека.
• Удаљени контролни режим: У екстремно комплексним срединама, оператори на земљи могу извршити фину манипулацију на нивоу спојева или послати макро-команде преко удаљене интервенције, подржане HD видео (25-30 Hz) преносима од робота.
• Метрике перформанса: Једна инспекција дужине ≥ 2 km, просечна брзина ≥ 0.9 m/h, дистанца преноса слике ≥ 2 km.

2.3 Онлајн индуктивно скупљање енергије & интелигентно управљање енергијом: Неограничена издржава

• Принцип скупљања енергије: Користи раздвојени језgren current transformer za induktivno sakupljanje energije iz magnetskog polja oko visokonaponskog vodnika. JT je napravljen od visokopermeabilnog željezo-baziranog nanokristalnog legiranih materijala; optimizovani dizajn omogućava niski početni struja od 32 A.
• Energetska sistema: Pruža stabilizovanu pravougaonu naponsku snagu; izlazna snaga pokriva opseg struje od 32 A do 10 kA. Opremljena je sa 24 V/12 A·h inteligentnim Li-ion akumulatorom koristeći tri-fazni algoritam punjenja, sa prekomernom zaštitom za bezbednost, efikasnost i dugotrajnu upotrebu.

2.4 Mašinsko vidljivo prepoznavanje prepreka: Tačna navigacija

• Ciljevi prepoznavanja: Tačno prepoznaje ključne prepreke poput visećih šipova, pravih skokova šipova i zakrivljenih skokova šipova.
• Algoritamski tok:
• Pozicioniranje: Grob pozicioniranje putem analize podblokova sive boje, tačno identifikovanje prenosne linije putem equalizacije histograma i segmentacije pragova.
• Izdvajanje karakteristika: Izvlači konture prepreka koristeći morfološke operacije, analizirajući nagibe levih/desnih ivica kao karakteristike klasifikacije.
• Prepoznavanje: Primenjuje neizrazito prepoznavanje uzoraka na osnovu principa maksimalnog članstva za brzo i tačno prepoznavanje tipa prepreke.
• Performanse: Vreme obrade jedne slike ≈ 108 ms; pouzdano prepoznaje tipične prepreke, pružajući u realnom vremenu ulaze za odluke o prelasku prepreka.

2.5 Inteligentna dijagnoza prekinute žice: Tačna upozorenja na greške

• Princip detekcije: Na osnovu fenomena lokalnog povećanja otpora i porasta temperature zbog prekinute žice, koristi infracrveni senzor za detekciju termalnih radijacionih signala.
• Inteligentni model dijagnoze:
• Obrada signala: Koristi db4 valna baza za 6-slojnu dekompoziciju kako bi se filtrirao šum i fokusirao na frekvencijske opsege koji sadrže karakteristike grešaka.
• Izdvajanje karakteristika: Uvodit će entropiju valne energije kako bi se karakterisala složenost signala, kombinovana sa vrh-vrh vrednostima detaljnih komponenti, formirajući četvorodimenzioni vektorski oblik.
• Odluka o dijagnozi: Koristi trostrani BP neuronski mreža za dijagnozu. Eksperimentalna verifikacija pokazuje 100% tačnost na testnim uzorcima i 98% uspeha online detekcije.

III. Sažetak prednosti rešenja

• Visoka adaptivnost: Tri-rakav fleksibilan dizajn pruža odličnu sposobnost prelaska prepreka i prilagođavanja terenu.
• Visoka autonomija: Hibridni kontrolni sistem omogućava dalekovode auktonomnu inspekciju sa mogućnošću udaljene intervencije.
• Dugotrajan rad: Inovativno online sakupljanje energije fundamentalno rešava ograničenja trajanja.
• Tačna detekcija: Integracija mašinskog vida i infracrvene termografije sa inteligentnim algoritmima osigurava visoku tačnost prepoznavanja grešaka.
• Bezbedno i ekonomično: Zamjenjuje visokorizičan ručni rad, smanjujući bezbednosne rizike i dugoročne operativne troškove.

IV. Trenutna ograničenja i buduće perspektive

4.1 Trenutna ograničenja

• Još uvek zahteva minimalnu ručnu pomoć u ekstremno kompleksnim uslovima linija.
• Mogućnost dalje optimizacije veličine mehanizma i hoda prelaska prepreka za kompaktniji dizajn.
• Početna struja energetske sisteme još uvek je relativno visoka, ograničavajući primenu na veoma nisko-opterećenim linijama.
• Trenutni tipovi detektovanih grešaka su uglavnom fokusirani na prekinute žice; opseg detektovanih grešaka može biti proširen.

4.2 Buduće perspektive

• Legeriranje i optimizacija ravnoteže mehanizma kako bi se poboljšala efikasnost i stabilnost prelaska prepreka.
• Integracija više-senzorskog navigacionog sistema kako bi se poboljšala tačnost pozicioniranja i percepcije okruženja.
• Optimizacija kruga sakupljanja energije kako bi se dodatno smanjila početna struja i proširio opseg primene.
• Proširenje biblioteke dijagnoze grešaka da uključi defekte poput oštećenih izolatora i kontaminacije.
• Unapređenje pouzdanosti robota, poboljšavajući industrijsku zaštitu (npr. prtljag, vodootpornost i EMC sposobnosti).