Автономний робот для перевірки ліній електропередач 110 кВ: розробка та реалізація системи з трьома підвіски

Абстракт​

Для вирішення вбудованих обмежень ручного огляду та аерофотозйомки високовольтних ліній електропередач, ця пропозиція представляє автономні роботи-оглядачі, спеціально спроектовані для ліній 110 кВ. З інноваційною трирукою підвісною механічною структурою, роботи інтегрують автономне пересування, подолання перешкод, онлайн-збирання енергії та багатофункціональну діагностику. Метою є автоматизація та інтелектуалізація огляду ліній, значне підвищення ефективності та безпеки функціонування та обслуговування мереж, а також зниження витрат.

​I. Фон проекту та мети​

​1.1 Фон: Виклики традиційних методів огляду​

Високовольтні лінії електропередач, будучи постійно відкритими до зовнішнього середовища, скільки завгодно виявляються дефектами, такими як зламані стрічки та витертості через механічне напруження, електричний пробій та старіння матеріалу, що вимагає регулярного огляду. Поточні методи стикаються з значними узяками:

• ​Ручний огляд:​​ трудоємкий, неефективний, високоризиковий, і сильно обмежений погодою та рельєфом.
• ​Аерофотозйомка дронами:​​ висока операційна вартість, обмежена тривалість, підпорядкованість контролю повітряного простору та погодним умовам, а також складність детального виявлення дефектів на короткій відстані.

​1.2 Мети: Інтелектуальна альтернатива огляду​

Цей проект має за мету розробку автономного робота-оглядача для високовольтних ліній електропередач 110 кВ, здатного замінити ручний працю. Основні мети включають:

• ​Функціональна автономія:​​ досягти автономного пересування та точного подолання перешкод (наприклад, переходу через демпфери вібрацій та кліпси).
• ​Інтелектуальне виявлення:​​ інтеграція візуальних та інфрачервоних датчиків для автоматичного виявлення та діагностики типових дефектів, таких як зламані стрічки.
• ​Енергетична самодостатність:​​ використання технології небезпосереднього індуктивного збирання енергії для онлайн-поповнення, що дозволяє довговідстаневий огляд.
• ​Максимізація ефективності:​​ значно підвищити ефективність огляду та точність даних, що призводить до зниження операційних витрат та ризиків безпеки.

​II. Основні технічні рішення​

​2.1 Інноваційний дизайн механічної конструкції: Висока мобільність та стабільність​

• ​Загальна конструкція:​​ використовує трируку підвісну конфігурацію, яка поєднує переваги багатоелементних розділених та колесно-рукових композитних механізмів, балансуючи ефективність колесного руху зі стабільністю дюймовоподібного ползіння. Загальна вага становить приблизно 29 кг.
• ​Ключові компоненти:​​
• ​Гнучкі руки:​​ передня та задня руки використовують двохчотиризв'язковий механізм, приводиться в рух загалом 16 моторами, що дозволяє незалежний або координований кивковий рух з гнучким перехідом жорсткості-гнучкості для адаптації до складних умов лінії.
• ​Привідний блок:​​ використовує високопотужні швейцарські DC-мотори Maxon з центральнорозділеними привідними колесами, що забезпечує сильну здатність до подолання перешкод (здатність проходити через демпфери вібрацій) та здатність до підйому (зазвичай 60°, до 80° з гальмуванням).
• ​Гальмівний блок:​​ використовує спірально-крутильний повзунковий самоблокуючий механізм, що ефективно запобігає випадковому прослизьківанию або падінню під час пересування по схилам або подолання перешкод.
• ​Кінематична перевірка:​​ аналіз оберненої кінематики на основі ітераційного алгоритму CCD; моделювання показує збіжність лише за 7 ітерацій, ефективно підтверджуючи здатність робота до досягнення складних поз, таких як переход через підвісні кліпси та стрибки на 45°.

​2.2 Ієрархічна інтелектуальна система керування: Безперервна автономія та дистанційне керування​

• ​Архітектура системи:​​ використовує тришарову розподілену структуру керування (верхній шар управління землею, середній планувальний шар робота, нижній шар виконання), координовану за допомогою промислового комп'ютера PC/104 та мікроконтролера ATmega128AU для реального часу прийняття рішень та виконання.
• ​Гібридна стратегія керування:​​
• ​Автономний режим:​​ офлайн-планування шляху на основі попередньо встановленої бази знань, поєднане з реальним часом датчиків для повної автономної ползучости та подолання перешкод.
• ​Дистанційний режим керування:​​ у надзвичайно складних середовищах оператори землі можуть виконувати точні маніпуляції на рівні суглобів або видавати макрокоманди через дистанційну інтервенцію, підтриману HD-відео (25–30 Гц), передане від робота.
• ​Показники продуктивності:​​ одноразова відстань огляду ≥ 2 км, середня швидкість ≥ 0,9 м/год, відстань передачі зображення ≥ 2 км.

​2.3 Онлайн-індуктивне збирання енергії та інтелектуальне управління енергією: Безмежна тривалість​

• ​Принцип збирання енергії:​​ використовує розщеплений трансформатор струму для індуктивного збирання енергії з магнітного поля навколо високовольтного провідника. Сердцевина трансформатора виготовлена з високопермісного нанокристалічного сплаву на основі заліза; оптимізований дизайн дозволяє низький стартовий струм 32 А.
• ​Система живлення:​​ забезпечує стабільне прямопропорційне напругу; вихідна потужність покриває діапазон струму лінії від 32 А до 10 кА. Обладнана 24 В/12 А·год інтелектуальною батареєю Li-ion з триступінчастим алгоритмом зарядки, з захистом від перегріву для безпеки, ефективності та довгого терміну служби.

​2.4 Розпізнавання перешкод машинним зором: Точне навігація​

• ​Об'єкти розпізнавання:​​ точно розпізнає ключові перешкоди, такі як підвісні кліпси, прямолінійні стрибкові кліпси та поворотні стрибкові кліпси.
• ​Потік алгоритму:​​
• ​Позиціонування:​​ грубе позиціонування через аналіз сірих тонів підблоків, точне визначення лінії електропередач через рівніяння гістограми та порогове сегментування.
• ​Витягання ознак:​​ витягує контури перешкод за допомогою морфологічних операцій, аналізуючи нахили лівих/правих країв як ознаки класифікації.
• ​Розпізнавання:​​ застосовує алгоритм нечіткого розпізнавання образів на основі принципу максимальної належності для швидкого та точного визначення типу перешкоди.
• ​Продуктивність:​​ час обробки одного зображення ≈ 108 мс; надійно визначає типові перешкоди, надаючи реальні дані для рішень щодо подолання перешкод.

​2.5 Інтелектуальна діагностика зламаних стрічок: Точне попередження про дефекти​

• ​Принцип виявлення:​​ на основі явища локального збільшення опору та підвищення температури через зламані стрічки, використовує інфрачервоний датчик для виявлення сигналів теплового випромінювання.
• ​Інтелектуальна модель діагностики:​​
• ​Обробка сигналу:​​ використовує базу хвильових функцій db4 для 6-шарової декомпозиції, щоб відфільтрувати шум та зосередитися на частотних діапазонах, що містять ознаки дефектів.
• ​Витягання ознак:​​ вводить ентропію енергії хвильових функцій для характеристики складності сигналу, поєднано з піковими значеннями деталей, формуючи 4-вимірний вектор ознак.
• ​Рішення діагностики:​​ використовує 3-шарову BP-нейронну мережу для діагностики. Експериментальна перевірка показала 100% точність на тестових зразках та 98% успішності онлайн-виявлення.

​III. Сумарні переваги рішення​

• ​Висока адаптивність:​​ трирука гнучка конструкція забезпечує відмінну здатність до подолання перешкод та адаптації до рельєфу.
• ​Висока автономія:​​ гібридна система керування дозволяє довговідстаневий автономний огляд з можливістю дистанційної інтервенції.
• ​Довга тривалість:​​ інноваційне онлайн-збирання енергії фундаментально вирішує обмеження тривалості.
• ​Точне виявлення:​​ інтеграція машинного зору та інфрачервоного теплового зображення з інтелектуальними алгоритмами забезпечує високу точність розпізнавання дефектів.
• ​Безпечність та економічність:​​ замінює високоризикову ручну роботу, зменшуючи ризики безпеки та довгострокові операційні витрати.

​IV. Поточні обмеження та перспективи на майбутнє​

​4.1 Поточні обмеження​

• Досі потребує невеликої ручної допомоги в надзвичайно складних умовах ліній.
• Потенційна можливість подальшої оптимізації розмірів механізму та ходу подолання перешкод для більш компактного дизайну.
• Стартовий струм системи живлення все ще високий, що обмежує застосування на лініях з дуже низьким навантаженням.
• Поточні типи виявлених дефектів зосереджені на зламаних стрічках; можна розширити спектр виявлюваних дефектів.

​4.2 Перспектива на майбутнє​

• Легкійший дизайн та оптимізація балансу для підвищення ефективності та стабільності подолання перешкод.
• Інтеграція навігації з багатьма датчиками для підвищення точності позиціонування та сприймання оточення.
• Оптимізація цепи збирання енергії для подальшого зниження стартового струму та розширення діапазону застосування.
• Розширення бібліотеки діагностики дефектів, щоб включити дефекти, такі як пошкоджені ізолятори та забруднення.
• Покращення надійності робота, підвищення промислового захисту (наприклад, захист від пилу, води та ЕМС-захист).