Autonoma inspektionsrobot för 110kV-förselningsledningar: Design och implementering av ett trearmat upphängningssystem

Sammanfattning

För att hantera de inbyggda begränsningarna med manuell inspektion och luftbildsövervakning av högspänningsledningar introducerar detta förslag en självstyrd inspektionsrobot speciellt utformad för 110 kV ledningar. Med en innovativ trearmad upphängd mekanisk struktur integrerar roboten automatisk krypning, hinderhantering, online energihävstilling och flera felidentifieringar. Syftet är att automatisera och intelligenterisera linjeinspektion, vilket betydligt ökar effektiviteten och säkerheten i nätverksdrift och underhåll samtidigt som kostnader minskas.

I. Projektbakgrund och mål

1.1 Bakgrund: Utmaningar med traditionella inspektionsmetoder

Högspänningsledningar, som ständigt utsätts för utomhusmiljö, är benägna att få defekter såsom brutna trådar och slitage på grund av mekanisk spänning, elektriska gnistfläkt och materialålder, vilket kräver regelbunden inspektion. Nuvarande metoder står inför betydande flaskhalsar:

• Manuell inspektion: Arbetsintensiv, ineffektiv, högrisk och starkt begränsad av väder och terräng.
• Drönarluftbildsövervakning: Hög driftskostnad, begränsad räckvidd, omfattas av luftrumskontroll och otillräckliga väderförhållanden, samt svårigheter vid nära distansdefektdetektering.

1.2 Mål: En intelligent inspektionsalternativ

Denna projekt syftar till att utveckla en självstyrd inspektionsrobot för 110 kV högspänningsledningar som kan ersätta manuell arbetskraft. Kärnmål inkluderar:

• Funktionell autonomi: Uppnå automatisk krypning och precist hinderhantering (t.ex. övergång av vibrationsdämpare och klamrar) på ledningarna.
• Intelligent detektering: Integrera visuella och infraröda sensorer för att automatiskt identifiera och diagnostisera typiska fel såsom brutna trådar.
• Energiselförtrogenhet: Använda icke-kontaktinduktiv energihävstillingsteknik för online självåterhämtning, vilket möjliggör långdistansinspektion.
• Maximal effektivitet: Betydligt förbättra inspektionseffektivitet och dataexakthet, vilket minskar driftskostnader och säkerhetsrisker.

II. Kärntekniska lösningar

2.1 Innovativ mekanisk strukturdesign: Högt rörlighet och stabilitet

• Övergripande struktur: Använder en trearmad upphängd konfiguration som kombinerar fördelarna med flera segment separerade och hjul-arm kompositmekanismer, balanserar effektiviteten av hjulrörelse med stabiliseringsförmågan hos maskmaskliknande krypning. Total vikt är ungefär 29 kg.
• Viktiga komponenter:
• Flexibla armar: Främre och bakre armar använder en dubbel fjäderställningsmekanism, drivna av totalt 16 motorer, som tillåter oberoende eller koordinerad pitchrörelse med joint stiffness-flexibility smidig övergångsförmåga för att anpassa sig till komplexa linjevillkor.
• Driv enhet: Använder högeffektiva schweiziska Maxon DC-motorer med centrerat separat drivhjul, som ger stark hinderöverkorsningsförmåga (förmåga att passera vibrationsdämpare) och lutningsförmåga (rutin 60°, upp till 80° med broms).
• Bromsenhet: Använder en spiral-stöpslagare self-locking mekanism för att effektivt förhindra oavsiktlig glidning eller fall under lutningstraversering eller hinderhantering.
• Kinematisk validering: Invers kinematisk analys baserad på CCD-iterativ algoritm; simuleringar visar konvergens i endast 7 iterationer, effektivt validerar robotens förmåga att uppnå komplexa poser som övergång av upphängda klamrar och 45° vinkelhoppare.

2.2 Hierarkisk intelligent kontrollsystem: Nahtlosautonomi och fjärrkontroll

• Systemarkitektur: Använder en tre-lager distribuerad kontrollstruktur (övre markledningslager, mellersta robotplaneringslager, nedre exekveringslager), koordinerad av en PC/104 industriell dator och en ATmega128AU mikrokontroller för realtidsbeslut och exekvering.
• Hybridkontrollstrategi:
• Autonom läge: Offline vägbestämning baserad på en förinställd kunskapsbas, kombinerad med realtids sensorfeedback för fullständig autonom krypning och hinderhantering.
• Fjärrkontrollläge: I extremt komplexa miljöer kan markoperatörer utföra finjusteringar på joints-nivå eller utfärda makrokommender via fjärrintervention, stödd av HD-video (25–30 Hz) som sänds från roboten.
• Prestandamått: Enkel inspektionsavstånd ≥ 2 km, medelhastighet ≥ 0.9 m/h, bildöverföringsavstånd ≥ 2 km.

2.3 Online induktiv energihävstilling & intelligent energihantering: Obegränsad uthållighet

• Energihävstilling princip: Använder en split-core strömtransformator för induktiv energihävstilling från magnetfältet runt den högspänningsledaren. CT-kärnan är gjord av högpermeabilitet järnbaserad nanokristallin legering; en optimerad design möjliggör en låg startström på 32 A.
• Energisystem: Levererar stabil rektifierad spänning; utmatningskraft täcker ett strömintervallet från 32 A till 10 kA. Utrustad med en 24 V/12 A·h intelligent Li-ion batteripack med en trestegs laddningsalgoritm, med övertemperatursskydd för säkerhet, effektivitet och lång livslängd.

2.4 Maskinvisuell hinderigenkänning: Precis navigering

• Identifikationsmål: Identifierar korrekt viktiga hinder som upphängda klamrar, raka linje hoppklamrar och vinkelhoppklamrar.
• Algoritmflöde:
• Positionering: Grovt positionering via sub-block gråskala analys, exakt identifiering av transmissionslinjen via histogram jämnviktsreglering och tröskelsegmentering.
• Egenskapsutvinning: Extraherar hinderkonturer genom morfologiska operationer, analyserar vänster/höger kantlutning som klassificeringsattribut.
• Identifiering: Använder en oskarp mönsterigenkänningsalgoritm baserad på maximum membership princip för snabb och exakt hinder typ identifiering.
• Prestanda: Enkel bildbehandlings tid ≈ 108 ms; pålitligt identifierar typiska hinder, ger realtidsinput för hinderhanteringsbeslut.

2.5 Brutna trådar intelligent diagnos: Exakt felförvarning

• Detecteringsprincip: Baserat på fenomenet lokal resistansökning och temperaturökning på grund av brutna trådar, använder en infraröd sensor för att detektera termisk strålningssignaler.
• Intelligent diagnostikmodell:
• Signalbehandling: Använder db4 wavelet-bas för 6-lager dekomposition för att filtrera bort brus och fokusera på frekvensband som innehåller felegenskaper.
• Egenskapsutvinning: Inför wavelet energientropi för att karakterisera signalkomplexitet, kombinerat med topp-topp värden av detaljkomponenter, formar en 4-dimensionell egenskapsvektor.
• Diagnosbeslut: Använder en 3-lager BP-neuronnätverk för diagnos. Experimentell verifiering visar 100 % exakthet på testprov och 98 % online detektering framgångsgrad.

III. Löstningens fördelar sammanfattning

• Hög anpassbarhet: Trearmad flexibel struktur ger utmärkt hinderhantering och terränganpassning.
• Hög autonomi: Hybridkontrollsystem möjliggör långdistans autonom inspektion med fjärrinterventionsförmåga.
• Lång uthållighet: Innovativ online energihävstilling löser fundamentalt uthållighetsbegränsningar.
• Exakt detektering: Integration av maskinvision och infraröd termografi med intelligenta algoritmer säkerställer hög feligenkänningsexakthet.
• Säker och ekonomisk: Ersätter högrisk manuell arbete, minskar säkerhetsrisker och långsiktiga driftskostnader.

IV. Nuvarande begränsningar och framtida perspektiv

4.1 Nuvarande begränsningar

• Kräver fortfarande minimal manuell assistans i extremt komplexa linjemiljöer.
• Potentiell för ytterligare optimering av mekanismstorlek och hinderhantering slag för en mer kompakt design.
• Energisystem startström är fortfarande relativt hög, begränsar användningen på mycket låg belastning linjer.
• Nuvarande feltyper är huvudsakligen fokuserade på brutna trådar; detekteringsområdet kan utvidgas.

4.2 Framtida utsikter

• Mekanism ljusviktning och balansoptimering för att förbättra hinderhanteringseffektivitet och stabilitet.
• Integration av flersensor navigation för att förbättra positionering och miljöperceptionsexakthet.
• Optimering av energihävstilling circuit för att ytterligare minska startströmmen och utvidga användningsområdet.
• Utvidgning av fel diagnostikbibliotek för att inkludera defekter såsom skadade isolatorer och förorening.
• Förbättring av robotens tillförlitlighet, förbättrar industriell grad skydd (t.ex. damm-, vatten- och EMC-förmågor).