Robot Kiểm Tra Tự Động cho Đường Dây Truyền tải 110kV: Thiết Kế và Triển Khai Hệ Thống Treo Ba Cánh Tay

Tóm tắt​

Để giải quyết các hạn chế cố hữu của việc kiểm tra bằng tay và khảo sát từ trên không đối với đường dây truyền tải điện áp cao, đề xuất này giới thiệu một robot kiểm tra tự động được thiết kế đặc biệt cho đường dây 110 kV. Với cấu trúc cơ khí treo ba cánh tay sáng tạo, robot tích hợp khả năng bò tự động, vượt qua chướng ngại vật, thu năng lượng trực tuyến và chẩn đoán nhiều lỗi. Mục tiêu là tự động hóa và trí tuệ hóa quá trình kiểm tra, cải thiện đáng kể cả hiệu quả và an toàn trong vận hành và bảo dưỡng lưới điện, đồng thời giảm chi phí.

​I. Bối cảnh dự án và mục tiêu​

​1.1 Bối cảnh: Thách thức của phương pháp kiểm tra truyền thống​

Đường dây truyền tải điện áp cao, do liên tục tiếp xúc với môi trường bên ngoài, dễ bị hỏng hóc như đứt sợi và mòn do lực cơ học, phóng điện và lão hóa vật liệu, do đó cần kiểm tra định kỳ. Các phương pháp hiện tại gặp phải các rào cản đáng kể:

• ​Kiểm tra bằng tay:​​ Đòi hỏi nhiều lao động, kém hiệu quả, nguy hiểm cao và bị hạn chế bởi thời tiết và địa hình.
• ​Khảo sát từ trên không bằng drone:​​ Chi phí vận hành cao, thời gian hoạt động hạn chế, phụ thuộc vào kiểm soát không phận và thời tiết xấu, và khó khăn trong việc phát hiện lỗi ở khoảng cách gần.

​1.2 Mục tiêu: Giải pháp kiểm tra thông minh thay thế​

Dự án này nhằm phát triển một robot kiểm tra tự động cho đường dây truyền tải điện áp cao 110 kV có khả năng thay thế lao động thủ công. Các mục tiêu chính bao gồm:

• ​Tự chủ chức năng:​​ Đạt được khả năng bò tự động và vượt qua chướng ngại vật chính xác (ví dụ: vượt qua bộ giảm rung và kẹp).
• ​Phát hiện thông minh:​​ Tích hợp cảm biến thị giác và hồng ngoại để tự động nhận diện và chẩn đoán các lỗi điển hình như đứt sợi.
• ​Tự cung cấp năng lượng:​​ Sử dụng công nghệ thu năng lượng cảm ứng không tiếp xúc để tự bổ sung năng lượng trực tuyến, cho phép kiểm tra quãng đường dài.
• ​Tối đa hóa hiệu quả:​​ Nâng cao đáng kể hiệu quả kiểm tra và độ chính xác dữ liệu, do đó giảm chi phí vận hành và rủi ro an toàn.

​II. Giải pháp kỹ thuật cốt lõi​

​2.1 Thiết kế cấu trúc cơ khí sáng tạo: Độ di chuyển và ổn định cao​

• ​Cấu trúc tổng thể:​​ Sử dụng cấu hình treo ba cánh tay kết hợp ưu điểm của cơ chế phân đoạn riêng biệt và cơ chế bánh xe - cánh tay, cân bằng giữa hiệu quả di chuyển bằng bánh xe và sự ổn định của cách di chuyển giống như sâu đo đất. Trọng lượng tổng cộng khoảng 29 kg.
• ​Thành phần chính:​​
• ​Cánh tay linh hoạt:​​ Cánh tay trước và sau sử dụng cơ chế liên kết bốn thanh kép, được điều khiển bởi tổng cộng 16 motor, cho phép chuyển động độc lập hoặc phối hợp với khả năng chuyển đổi mượt mà giữa độ cứng và độ mềm để thích ứng với các điều kiện đường dây phức tạp.
• ​Đơn vị truyền động:​​ Sử dụng motor DC Maxon công suất cao của Thụy Sĩ với bánh xe truyền động trung tâm, cung cấp khả năng vượt qua chướng ngại vật mạnh mẽ (có thể đi qua bộ giảm rung) và khả năng leo dốc (thông thường 60°, lên đến 80° với phanh).
• ​Đơn vị phanh:​​ Sử dụng cơ chế tự khóa dạng vít - thanh trượt để ngăn chặn hiệu quả tình trạng trượt hoặc rơi khi đi qua dốc hoặc vượt qua chướng ngại vật.
• ​Xác nhận động học:​​ Phân tích động học ngược dựa trên thuật toán CCD lặp lại; mô phỏng cho thấy hội tụ chỉ trong 7 lần lặp, hiệu quả xác nhận khả năng của robot đạt được các tư thế phức tạp như vượt qua kẹp treo và nhảy 45°.

​2.2 Hệ thống kiểm soát thông minh phân cấp: Tự chủ liền mạch và kiểm soát từ xa​

• ​Kết cấu hệ thống:​​ Sử dụng cấu trúc kiểm soát phân tán ba lớp (lớp quản lý mặt đất trên, lớp lập kế hoạch robot giữa, lớp thực thi dưới), được điều phối bởi máy tính công nghiệp PC/104 và vi điều khiển ATmega128AU để ra quyết định và thực thi theo thời gian thực.
• ​Chiến lược kiểm soát lai:​​
• ​Chế độ tự động:​​ Lập kế hoạch đường đi ngoại tuyến dựa trên cơ sở tri thức đã đặt sẵn, kết hợp với phản hồi cảm biến theo thời gian thực để bò và vượt qua chướng ngại vật hoàn toàn tự động.
• ​Chế độ kiểm soát từ xa:​​ Trong môi trường cực kỳ phức tạp, người vận hành mặt đất có thể thực hiện thao tác tinh chỉnh cấp khớp hoặc đưa ra lệnh vĩ mô thông qua can thiệp từ xa, được hỗ trợ bởi video HD (25-30 Hz) truyền từ robot.
• ​Các chỉ số hiệu suất:​​ Quãng đường kiểm tra đơn ≥ 2 km, tốc độ trung bình ≥ 0,9 m/giờ, khoảng cách truyền hình ảnh ≥ 2 km.

​2.3 Thu năng lượng cảm ứng trực tuyến & Quản lý năng lượng thông minh: Thời gian hoạt động không giới hạn​

• ​Nguyên tắc thu năng lượng:​​ Sử dụng biến áp dòng phân chia để thu năng lượng cảm ứng từ trường xung quanh dây dẫn điện áp cao. Lõi CT được làm từ hợp kim nano tinh thể sắt có độ thẩm thấu cao; thiết kế tối ưu cho phép dòng khởi động thấp 32 A.
• ​Hệ thống năng lượng:​​ Cung cấp điện áp chỉnh lưu ổn định; công suất đầu ra bao phủ phạm vi dòng điện từ 32 A đến 10 kA. Trang bị bộ pin Li-ion thông minh 24 V/12 A·h sử dụng thuật toán sạc ba giai đoạn, với bảo vệ quá nhiệt để đảm bảo an toàn, hiệu quả và tuổi thọ dài.

​2.4 Nhận diện chướng ngại vật bằng thị giác máy tính: Điều hướng chính xác​

• ​Mục tiêu nhận diện:​​ Nhận diện chính xác các chướng ngại vật quan trọng như kẹp treo, kẹp nhảy thẳng và kẹp nhảy góc.
• ​Quy trình thuật toán:​​
• ​Vị trí:​​ Định vị thô thông qua phân tích mức xám của các khối con, xác định chính xác đường dây truyền tải thông qua cân bằng histogram và phân đoạn ngưỡng.
• ​Trích xuất đặc trưng:​​ Trích xuất đường viền chướng ngại vật sử dụng các phép toán hình thái, phân tích độ dốc cạnh trái/phải làm đặc trưng phân loại.
• ​Nhận diện:​​ Áp dụng thuật toán nhận diện mẫu mờ dựa trên nguyên tắc thành viên lớn nhất để nhận diện nhanh và chính xác loại chướng ngại vật.
• ​Hiệu suất:​​ Thời gian xử lý hình ảnh đơn ≈ 108 ms; nhận diện đáng tin cậy các chướng ngại vật điển hình, cung cấp đầu vào theo thời gian thực cho quyết định vượt qua chướng ngại vật.

​2.5 Chẩn đoán thông minh đứt sợi: Cảnh báo lỗi chính xác​

• ​Nguyên tắc phát hiện:​​ Dựa trên hiện tượng tăng trở kháng cục bộ và tăng nhiệt độ do đứt sợi, sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát hiện tín hiệu bức xạ nhiệt.
• ​Mô hình chẩn đoán thông minh:​​
• ​Xử lý tín hiệu:​​ Sử dụng cơ sở wavelet db4 để phân rã 6 tầng, lọc nhiễu và tập trung vào dải tần chứa đặc trưng lỗi.
• ​Trích xuất đặc trưng:​​ Giới thiệu entropy năng lượng wavelet để mô tả độ phức tạp của tín hiệu, kết hợp với giá trị đỉnh-trũng của các thành phần chi tiết, tạo thành vector đặc trưng 4 chiều.
• ​Quyết định chẩn đoán:​​ Sử dụng mạng neural BP ba tầng để chẩn đoán. Kiểm nghiệm thực nghiệm cho thấy độ chính xác 100% trên mẫu thử nghiệm và tỷ lệ phát hiện trực tuyến 98%.

​III. Tóm tắt ưu điểm giải pháp​

• ​Độ thích ứng cao:​​ Cấu trúc ba cánh tay linh hoạt cung cấp khả năng vượt qua chướng ngại vật và thích ứng địa hình xuất sắc.
• ​Độ tự chủ cao:​​ Hệ thống kiểm soát lai cho phép kiểm tra tự động quãng đường dài với khả năng can thiệp từ xa.
• ​Thời gian hoạt động dài:​​ Công nghệ thu năng lượng trực tuyến sáng tạo giải quyết cơ bản hạn chế về thời gian hoạt động.
• ​Phát hiện chính xác:​​ Tích hợp thị giác máy tính và chụp ảnh nhiệt hồng ngoại với thuật toán thông minh đảm bảo độ chính xác cao trong việc nhận diện lỗi.
• ​An toàn và tiết kiệm:​​ Thay thế công việc thủ công nguy hiểm, giảm nguy cơ an toàn và chi phí vận hành lâu dài.

​IV. Hạn chế hiện tại và triển vọng tương lai​

​4.1 Hạn chế hiện tại​

• Vẫn cần sự hỗ trợ thủ công tối thiểu trong các môi trường đường dây cực kỳ phức tạp.
• Có thể tối ưu hóa thêm kích thước cơ chế và hành trình vượt qua chướng ngại vật để có thiết kế nhỏ gọn hơn.
• Dòng khởi động của hệ thống năng lượng vẫn còn khá cao, hạn chế ứng dụng trên các đường dây tải rất thấp.
• Các loại lỗi phát hiện hiện tại chủ yếu tập trung vào đứt sợi; có thể mở rộng phạm vi lỗi phát hiện.

​4.2 Triển vọng tương lai​

• Giảm trọng lượng và tối ưu hóa cân bằng cơ chế để cải thiện hiệu quả và ổn định khi vượt qua chướng ngại vật.
• Tích hợp định vị đa cảm biến để nâng cao độ chính xác định vị và nhận biết môi trường.
• Tối ưu hóa mạch thu năng lượng để giảm dòng khởi động và mở rộng phạm vi ứng dụng.
• Mở rộng thư viện chẩn đoán lỗi để bao gồm các khuyết tật như insulator bị hỏng và ô nhiễm.
• Nâng cao độ tin cậy của robot, cải thiện bảo vệ công nghiệp (ví dụ: chống bụi, chống nước và khả năng EMC).