110kV Taşınım Hatları için Otomatik İnceleme Robotu: Üç Kolu Asılı Sistemin Tasarımı ve Uygulaması

Özet

Yüksek gerilimli hatların manuel incelemesi ve hava taraması ile ilgili doğal sınırlamaları çözmek için, bu öneri 110 kV güç hatları için özel olarak tasarlanmış otomatik bir inceleme robotu sunmaktadır. Yeni üç kolu asılı mekanik yapıya sahip olan robot, otomatik sürünme, engel aşıma, çevrimiçi enerji toplama ve çoklu arızayı tanıma özelliklerini birleştirir. Hat incelemesini otomatikleştirmeyi ve zekaleştirmeyi amaçlayan robot, grid operasyon ve bakımının hem verimliliğini hem de güvenliğini önemli ölçüde artırırken maliyetleri azaltmayı hedefler.

I. Proje Arka Planı ve Amaçları

1.1 Arka Plan: Geleneksel İnceleme Yöntemlerinin Zorlukları

Aşırı ortamlara sürekli maruz kalan yüksek gerilimli hatlar, mekanik gerginlik, elektrik arkı ve malzeme yaşlanma nedeniyle kopmuş tel ve aşınma gibi defektlerden etkilidir, bu nedenle düzenli inceleme gerektirir. Mevcut yöntemler önemli engellerle karşı karşıyadır:

• Manuel İnceleme: İşgücü yoğun, verimsiz, yüksek riskli ve hava durumu ve arazi koşullarına büyük ölçüde bağlıdır.
• Drone Hava Taraması: Yüksek işletme maliyeti, sınırlı dayanıklılık, hava alanı kontrolü ve kötü hava koşullarına tabi olma, yakın mesafeli defekt tespiti için zorluklar içerir.

1.2 Amaçlar: Zeki Bir İnceleme Alternatifi

Bu proje, manuel işgücünü değiştirebilecek 110 kV yüksek gerilimli hatlar için otomatik bir inceleme robotu geliştirmeyi amaçlamaktadır. Temel hedefler şunlardır:

• Fonksiyonel Otonomi: Hat üzerinde otomatik sürünme ve hassas engel aşımayı (örneğin, titreşim sönümleyicileri ve kıskaçlar üzerinden geçiş) gerçekleştirmeyi başarılması.
• Zeki Tespit: Görsel ve kızılötesi sensörlerin entegrasyonu ile kopmuş tel gibi tipik arızaların otomatik olarak tanınması ve tanımlanması.
• Enerji Kendi Yetenekli: Uzun mesafe incelemeleri için çevrimiçi kendi kendine yenilenmesi için temaslı olmayan indüktif enerji toplama teknolojisinin kullanılması.
• Maksimum Verimlilik: İnceleme verimliliğini ve veri doğruluğunu büyük ölçüde artırmak, böylece işletme maliyetlerini ve güvenlik risklerini azaltmak.

II. Temel Teknik Çözümler

2.1 Yenilikçi Mekanik Yapı Tasarımı: Yüksek Hareketlilik ve Stabilite

• Genel Yapı: Çok bölümlü ayrılmış ve tekerlek-kol bileşik mekanizmalarının avantajlarını birleştiren üç kol asılı konfigürasyonu benimser, tekerlek hareketinin verimliliğini inchworm benzeri sürünme istikrarıyla dengeler. Toplam ağırlık yaklaşık 29 kg'dır.
• Ana Bileşenler:
• Eşnek Kollar: Ön ve arka kollar, toplam 16 motorla sürülen çift dört çubuk bağlantı mekanizmasını kullanır, karmaşık hat koşullarına uyum sağlamak için bağımsız veya koordineli pitch hareketi ve eklemin esneklik-sertlik yumuşak geçiş yeteneği sağlar.
• Sürücü Birimi: Yüksek güçlü İsviçre Maxon DC motorları ve merkezi ayrılmış sürücü tekerleklerini kullanır, güçlü engel aşıma yeteneği sağlar (titreşim sönümleyicileri üzerinden geçebilir) ve yokuş çıkma yeteneği (rutin 60°, frenle 80°).
• Fren Birimi: Yokuş traversal veya engel aşıma sırasında tesadüfi kayma veya düşmenin önlenmesi için spiral-vana kayar self-locking mekanizmasını kullanır.
• Kinematik Doğrulama: CCD iteratif algoritmasına dayalı ters kinematik analizi; simülasyonlar, askı kıskaçları ve 45° dönüş sıçrayıcılar gibi karmaşık pozisyonları gerçekleştirmek için robotun yeteneğinin sadece 7 iterasyonda yakınsadığını gösterir.

2.2 Seviyeli Zeki Kontrol Sistemi: Sürekli Otonomi ve Uzaktan Kontrol

• Sistem Mimarisi: Üç katmanlı dağıtılmış kontrol yapısını (üst zemin yönetimi katmanı, orta robot planlama katmanı, alt yürütme katmanı) benimser, gerçek zamanlı karar alma ve yürütme için PC/104 endüstriyel bilgisayar ve ATmega128AU mikro denetleyici ile koordine edilir.
• Karma Kontrol Stratejisi:
• Otonom Mod: Önceden belirlenmiş bilgi tabanına dayalı çevrimdışı yol planlaması, tamamen otonom sürünme ve engel aşıma için gerçek zamanlı sensör geri bildirimleri ile birleştirilir.
• Uzaktan Kontrol Modu: Çok karmaşık ortamlarda, zemin operatörleri robottan aktarılan HD video (25-30 Hz) desteğiyle eklem düzeyinde ince manipülasyon yapabilir veya makro komutlar verebilir.
• Prestij Ölçüleri: Tek seferde inceleme mesafesi ≥ 2 km, ortalama hız ≥ 0.9 m/sa, görüntü iletim mesafesi ≥ 2 km.

2.3 Çevrimiçi Indüktif Enerji Toplama & Zeki Güç Yönetimi: Sınırsız Dayanıklılık

• Enerji Toplama Prensibi: Yüksek gerilimli iletken etrafındaki manyetik alanın enerjisini indüktif olarak toplamak için bölünmüş çekirdek akım transformatörünü kullanır. CT çekirdeği, yüksek geçirgenlikli demir bazlı nanokristal alaşımından yapılmıştır; optimize edilmiş tasarım, düşük başlangıç akımı (32 A) sağlar.
• Güç Sistemi: Kararlı dikdüzleştirilmiş gerilim sağlar; 32 A ila 10 kA hat akımı aralığındaki çıkış gücü kapsar. Üç aşamalı şarj algoritması ile donatılmış 24 V/12 A·h zeki Li-ion pilli paketi, güvenliği, verimliliği ve uzun ömürlülük için aşırı sıcaklık koruması ile birlikte gelir.

2.4 Makine Görüşü Engel Tanıma: Hassas Navigasyon

• Tanıma Hedefleri: Askı kıskaçları, doğrusal sıçrayıcı kıskaçları ve dönüş sıçrayıcı kıskaçları gibi ana engelleri hassas bir şekilde tanır.
• Algoritma Akışı:
• Konumlandırma: Alt blok gri ton analizi ile kaba konumlandırma, histogram eşitleme ve eşik segmentasyonu ile iletken hatın hassas tanımlaması.
• Özellik Çıkarma: Morfolojik işlemler kullanarak engel konturlarını çıkarır, sol/sağ kenar eğimlerini sınıflandırma özellikleri olarak analiz eder.
• Tanıma: En fazla üyelik prensibine dayalı bulanık desen tanıma algoritmasını uygular, hızlı ve hassas engel tipi tanımlaması sağlar.
• Prestij: Tek görüntü işleme süresi ≈ 108 ms; tipik engelleri güvenilir bir şekilde tanımlar, engel aşıma kararları için gerçek zamanlı giriş sağlar.

2.5 Kopmuş Tel Zeki Tanı: Hassas Arıza Uyarısı

• Tespit Prensibi: Kopmuş tellerin lokal direnç artışına ve sıcaklık yükselişine dayalı olarak, kızılötesi sensör kullanarak termal radyasyon sinyallerini algılar.
• Zeki Tanı Modeli:
• Sinyal İşleme: db4 dalgacık tabanını kullanarak 6 katmanlı ayrıştırma ile gürültüyü filtreler ve arıza özellikleri içeren frekans bantlarına odaklanır.
• Özellik Çıkarma: Dalgacık enerji entropisini sinyal karmaşıklığını karakterize etmek için kullanır, detay bileşenlerinin tepe-tepe değerleri ile birleştirerek 4 boyutlu özellik vektörü oluşturur.
• Tanı Kararı: 3 katmanlı BP sinir ağını kullanır. Deneysel doğrulama, test örnekleri üzerinde %100 doğruluk ve %98 çevrimiçi tespit başarı oranını gösterir.

III. Çözüm Avantajları Özeti

• Yüksek Uyumlayıcılık: Üç kol esnek yapısı, mükemmel engel aşıma ve arazi uyumlayıcılığı sağlar.
• Yüksek Otonomi: Karma kontrol sistemi, uzaktan müdahale yeteneği ile uzun mesafe otonom incelemeyi sağlar.
• Uzun Dayanıklılık: Yenilikçi çevrimiçi enerji toplama, dayanıklılık sınırlamalarını temelde çözer.
• Hassas Tespit: Makine görüşü ve kızılötesi termografinin zeki algoritmalarla entegrasyonu, yüksek arıza tanıma doğruluğu sağlar.
• Güvenli ve Ekonomik: Yüksek riskli manuel işi değiştirerek, güvenlik tehlikelerini ve uzun vadeli işletme maliyetlerini azaltır.

IV. Güncel Sınırlamalar ve Gelecekteki Beklentiler

4.1 Güncel Sınırlamalar

• Çok karmaşık hat ortamlarında minimal manuel yardıma hala ihtiyaç duyar.
• Mekanizmanın boyutunun ve engel aşıma.stroke'ının daha da optimizasyonu, daha kompakt bir tasarım için potansiyel vardır.
• Güç sisteminin başlangıç akımı hala nispeten yüksektir, çok düşük yük hatlarındaki uygulamayı sınırlar.
• Şu anki arıza tespit türleri çoğunlukla kopmuş tellere odaklanmıştır; tespit edilebilecek arıza türlerini genişletmek mümkündür.

4.2 Gelecekteki Beklentiler

• Mekanizmanın hafifletilmesi ve dengelenmesi, engel aşıma verimliliğini ve istikrarlığını artırmak için.
• Çoklu sensör navigasyonun entegrasyonu, konumlandırma ve çevre algılama doğruluğunu artırmak için.
• Güç toplama devresinin optimizasyonu, başlangıç akımını daha da azaltmak ve uygulama aralığını genişletmek için.
• Arıza tanı kitaplığına izolatör hasarı ve kirlilik dahil olmak üzere yeni defektlerin eklenmesi.
• Robotun güvenilirliğinin geliştirilmesi, endüstriyel sınıf koruma (örneğin, toz geçirmez, su geçirmez ve EMC yetenekleri) iyileştirilmesi.