หุ่นยนต์ตรวจสอบอิสระสำหรับสายส่งไฟฟ้า 110kV: การออกแบบและการสร้างระบบแขวนสามแขน

บทคัดย่อ​

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดที่มีอยู่ของวิธีตรวจสอบด้วยมือและสำรวจทางอากาศสำหรับสายส่งไฟฟ้าแรงสูง ข้อเสนอแนะนี้แนะนำหุ่นยนต์ตรวจสอบอัตโนมัติที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับสายส่งไฟฟ้า 110 kV โดยมีโครงสร้างกลไกแบบสามแขนที่แขวนอยู่ หุ่นยนต์นี้รวมเอาการคลานอัตโนมัติ การผ่านอุปสรรค การเก็บพลังงานออนไลน์ และการวินิจฉัยความผิดปกติหลายประเภท ซึ่งมีเป้าหมายในการทำให้การตรวจสอบสายส่งไฟฟ้าเป็นระบบอัตโนมัติและใช้เทคโนโลยี เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความปลอดภัยในการดำเนินงานและการบำรุงรักษาเครือข่ายไฟฟ้า และลดต้นทุน

​I. บริบทของโครงการและเป้าหมาย​

​1.1 บริบท: ความท้าทายของวิธีตรวจสอบแบบดั้งเดิม​

สายส่งไฟฟ้าแรงสูงที่ถูกสัมผัสกับสภาพแวดล้อมกลางแจ้งตลอดเวลา มีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหาย เช่น สายขาดและสึกหรอเนื่องจากแรงตึงเครียดทางกล การแฟลชโอเวอร์ทางไฟฟ้า และการเสื่อมสภาพของวัสดุ ซึ่งจำเป็นต้องตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอ วิธีการปัจจุบันเผชิญกับข้อจำกัดสำคัญ:

• ​การตรวจสอบด้วยมือ:​​ ใช้แรงงานมาก ไม่มีประสิทธิภาพ มีความเสี่ยงสูง และได้รับผลกระทบจากสภาพอากาศและภูมิประเทศ
• ​การสำรวจทางอากาศด้วยโดรน:​​ ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานสูง ความสามารถในการทำงานจำกัด อยู่ภายใต้การควบคุมพื้นที่อากาศ และมีความยากในการตรวจจับความเสียหายในระยะใกล้

​1.2 เป้าหมาย: ทางเลือกการตรวจสอบที่ชาญฉลาด​

โครงการนี้มีเป้าหมายในการพัฒนาหุ่นยนต์ตรวจสอบอัตโนมัติสำหรับสายส่งไฟฟ้าแรงสูง 110 kV ที่สามารถทดแทนแรงงานคน โดยมีเป้าหมายหลักดังนี้:

• ​การทำงานอัตโนมัติ:​​ สามารถคลานและผ่านอุปสรรคได้อย่างแม่นยำ (เช่น การข้ามอุปกรณ์ลดแรงสั่นสะเทือนและคลิป)
• ​การตรวจจับที่ชาญฉลาด:​​ รวมเซ็นเซอร์ภาพและอินฟราเรดเพื่อตรวจจับและวินิจฉัยความผิดปกติทั่วไป เช่น สายขาด
• ​การเก็บพลังงานเอง:​​ ใช้เทคโนโลยีเก็บพลังงานโดยเหนี่ยวนำแบบไม่สัมผัสเพื่อเติมพลังงานออนไลน์ ทำให้สามารถตรวจสอบระยะไกลได้
• ​เพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด:​​ เพิ่มประสิทธิภาพการตรวจสอบและความแม่นยำของข้อมูล ลดต้นทุนการดำเนินงานและความเสี่ยงด้านความปลอดภัย

​II. โซลูชันทางเทคนิคหลัก​

​2.1 การออกแบบโครงสร้างกลไกใหม่: ความคล่องตัวและความมั่นคง​

• ​โครงสร้างโดยรวม:​​ ใช้การกำหนดค่าแบบสามแขนที่แขวนอยู่ รวมเอาข้อดีของกลไกแยกหลายส่วนและกลไกคอมโพสิตแบบวงล้อ-แขน ซึ่งบาลานซ์ระหว่างประสิทธิภาพของการเคลื่อนไหวแบบวงล้อและความมั่นคงของการคลานแบบหนอน น้ำหนักรวมประมาณ 29 กก.
• ​ส่วนประกอบหลัก:​​
• ​แขนยืดหยุ่น:​​ แขนหน้าและหลังใช้กลไกสี่เหลี่ยมคางหมูสองชุด ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ 16 ตัว ทำให้สามารถเคลื่อนไหวแบบเอียงได้ทั้งแบบอิสระและประสานกัน พร้อมความสามารถในการเปลี่ยนแปลงความแข็ง-อ่อนของข้อต่ออย่างราบรื่นเพื่อปรับตัวตามสภาพสายที่ซับซ้อน
• ​หน่วยขับเคลื่อน:​​ ใช้มอเตอร์ DC Maxon กำลังสูงจากสวิส พร้อมวงล้อขับเคลื่อนที่แยกศูนย์กลาง ให้ความสามารถในการผ่านอุปสรรคสูง (สามารถผ่านอุปกรณ์ลดแรงสั่นสะเทือน) และความสามารถในการขึ้นทางลาด (60° ปกติ ถึง 80° ด้วยเบรก)
• ​หน่วยเบรก:​​ ใช้กลไกเบรกแบบสไลด์สกรูเกลียวเพื่อป้องกันการลื่นไถลหรือตกอย่างมีประสิทธิภาพขณะขึ้นทางลาดหรือผ่านอุปสรรค
• ​การตรวจสอบคณิตศาสตร์การเคลื่อนไหว:​​ การวิเคราะห์คณิตศาสตร์การเคลื่อนไหวแบบผกผันบนพื้นฐานของอัลกอริทึม CCD ผลจากการจำลองแสดงการลู่เข้าภายใน 7 รอบ ยืนยันความสามารถของหุ่นยนต์ในการบรรลุท่าทางที่ซับซ้อน เช่น การข้ามคลิปแขวนและกระโดดข้ามสายกระโดด 45°

​2.2 ระบบควบคุมอัจฉริยะแบบลำดับชั้น: การควบคุมอัตโนมัติและระยะไกลอย่างไร้รอยต่อ​

• ​สถาปัตยกรรมระบบ:​​ ใช้โครงสร้างการควบคุมแบบกระจายสามชั้น (ชั้นการจัดการภาคพื้นดินชั้นบน, ชั้นวางแผนหุ่นยนต์ชั้นกลาง, ชั้นปฏิบัติการชั้นล่าง) ประสานกันโดยคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรม PC/104 และไมโครคอนโทรลเลอร์ ATmega128AU สำหรับการตัดสินใจและปฏิบัติงานแบบเรียลไทม์
• ​กลยุทธ์ควบคุมผสม:​​
• ​โหมดอัตโนมัติ:​​ การวางแผนเส้นทางแบบออฟไลน์บนพื้นฐานของฐานความรู้ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ร่วมกับการตอบสนองเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์สำหรับการคลานและผ่านอุปสรรคแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ
• ​โหมดควบคุมระยะไกล:​​ ในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนมาก ผู้ดำเนินงานภาคพื้นดินสามารถทำการควบคุมระดับข้อต่ออย่างละเอียดหรือส่งคำสั่งแมโครผ่านการแทรกแซงระยะไกล พร้อมด้วยวิดีโอความละเอียดสูง (25-30 Hz) ที่ส่งมาจากหุ่นยนต์
• ​ตัวชี้วัดประสิทธิภาพ:​​ ระยะตรวจสอบครั้งเดียว ≥ 2 กม. ความเร็วเฉลี่ย ≥ 0.9 เมตร/ชั่วโมง ระยะส่งภาพ ≥ 2 กม.

​2.3 การเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำออนไลน์และการจัดการพลังงานอัจฉริยะ: ความทนทานไม่จำกัด​

• ​หลักการเก็บพลังงาน:​​ ใช้ทรานส์ฟอร์เมอร์กระแสแบ่งแบบแยกแกนเพื่อเก็บพลังงานจากสนามแม่เหล็กรอบๆ สายส่งไฟฟ้าแรงสูง แกน CT ทำจากอัลลอยด์นาโนคริสตัลเหล็กที่มีความซึมผ่านสูง การออกแบบที่เหมาะสมทำให้กระแสเริ่มต้นต่ำเพียง 32 A
• ​ระบบพลังงาน:​​ มอบแรงดันไฟฟ้าที่แปลงเป็นตรงที่มั่นคง กำลังไฟฟ้าที่ส่งออกครอบคลุมช่วงกระแสในสายตั้งแต่ 32 A ถึง 10 kA ติดตั้งแบตเตอรี่ Li-ion แบบอัจฉริยะ 24 V/12 Ah ที่ใช้อัลกอริทึมการชาร์จสามขั้นตอน พร้อมการป้องกันความร้อนสูงเพื่อความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานยาวนาน

​2.4 การรู้จำอุปสรรคด้วยวิชวลคอมพิวเตอร์: การนำทางที่แม่นยำ​

• ​เป้าหมายการรู้จำ:​​ ระบุอุปสรรคสำคัญ เช่น คลิปแขวน คลิปกระโดดตรง และคลิปกระโดดโค้ง
• ​ลำดับขั้นตอนของอัลกอริทึม:​​
• ​การระบุตำแหน่ง:​​ การระบุตำแหน่งคร่าวๆ ผ่านการวิเคราะห์โทนสีแบบย่อยส่วน การระบุสายส่งไฟฟ้าอย่างแม่นยำผ่านการปรับเทียบฮิสโตแกรมและการแบ่งส่วนแบบค่า порождение