مقاله سامانه هوایی هوشمند بازرسی شبکه های توزیع برق با استفاده از دوربین ترموویژن

بخشی از مقاله

چکیده -

در این مقاله به معرفی سامانه هوایی بدون سرنشین طراحی شده در توزیع نیروی برق شهرستان مشهد به منظور بازرسی خطوط هوایی شبکه برق ، پرداخته شده و اجزا اصلی آن شامل Drone ، برد کنترل کننده پرنده، دوربین حرارتی و دوربین دید در روز و همچنین نرم
افزار گزارش گیری از تصاویر ضبط شده ، توضیح داده خواهند شد.

کلید واژه- سامانه هوایی، Drone، ترموگرافی

-1 مقدمه

اهمیت بکارگیری تعمیرات پیشگیرانه در صنایع مختلف از جمله صنعت توزیع برق بر هیچ کس پوشیده نیست و گام اول در این راه داشتن سیستم بازدید منظم و با سرعت مناسب می باشد. بازدید شبکه های توزیع برق به علت گستردگی بسیار زیاد در سطح شهر و مشکلات ناشی از ترافیک و تردد در مناطق شهری بسیار زمان بر بوده و عملا پایش کل شبکه بصورت بصری امکان پذیر نمی باشد. در سالهای اخیر استفاده از سیستمهای هوانوردی بدون سرنشین - Drones - در زمینه های مختلف رواج بسیاری یافته است و از آن جمله می توان به کاربرد آن در بازرسی سدها، توربین های بادی ، ترافیک جاده ها، خطوط برق فشار قوی اشاره نمود. از این تکنولوژی می توان در بازدید شبکه های توزیع نیروی برق نیز استفاده نمود، بخصوص می توان با نصب دوربینهای ترموگرافی بر روی هواپیما شبکه را بصورت کامل مورد بازرسی دقیق قرار داد. در همین راستا شرکت توزیع نیروی برق شهرستان مشهد اقدام به طراحی و ساخت یک نمونه صنعتی Drone دارای طراحی اختصاصی برای بازرسی خطوط توزیع نیروی برق با استفاده از دوربین های ترموگرافی نموده است که در ادامه به بیان سخت افزار و نرم افزار و همچنین قابلیتهای این سامانه پرداخته خواهد شد.

-2 سخت افزار

سخت افزار این سامانه شامل دوربین دید در روز، دوربین ترموویژن، برد کنترلی و GPS می باشد که بر روی پرنده نصب و مونتاژ گردیده اند. با توجه به در دسترس بودن تنوع زیادی از رباتهای پرنده - Drone - در این پروژه تصمیم بر این گرفته شد تا از یک ربات پرنده موجود استفاده گردد و تیم تحقیقاتی تمرکز خود را بر انتخاب پرنده مناسب و همچنین تجهیز آن بر اساس نیازهای صنعت توزیع برق قرار دهد و سعی گردد نمونه ای نیمه صنعتی و یا صنعتی تهیه شود که قابل استفاده توسط بهره برداران شبکه بوده و قابلیت کار در شرایط مختلف کاری را داشته باشد. در ادامه سخت افزار سیستم با جزئیات معرفی خواهد گردید.

Drone  -1-2

مهمترین جز در این سامانه خود ربات پرنده می باشد که تمامی تجهیزات بر روی آن نصب می گردد و وظیفه حرکت بر روی مسیر مشخص شده و انجام تصویر برداری را بر عهده دارد. شاخصهایی که در انتخاب این پرنده مد نظر تیم تحقیقاتی بوده است عبارتند از : . قابلیت اطمینان بالا جهت انجام پرواز در شرایط مختلف جوی و دماهای کاری مختلف در فصول گرم و سرد سال جهت انجام عملیات بازرسی در طول سال

. دارا بودن مداومت پروازی مناسب - در حدود 30 دقیقه - که با توجه به نوع موتورهای پرنده که می بایستی موتور الکتریکی باشند و همچنین ماموریت پرنده در مناطق شهری بایستی انتخاب گردد.

.  توانایی پرنده در حمل دوربینها و برد کنترلی

.  قدرت مانور مناسب و کنترل راحت توسط کاربر

. فراهم بودن امکان دسترسی به توابع کنترلی پرواز به صورت سخت افزاری و نرم افزاری از سوی تولید کننده برای توسعه دهندگان با در نظر گرفتن فاکتورهای بالا و پس از بررسی مدلهای مختلف سرانجام مدل - Matric 100 - M100 ساخت شرکت DJI به عنوان پرنده انتخاب گردیدM100 . - 1 - [1] یک پرنده قدرتمند با انعطاف پذیری و پایداری بالا است که منابع آزاد با قابلیت شخصی سازی سبب شده Drone را برای استفاده در کاربرد های تحقیقاتی ، تجاری و سرگرمی قابل استفاده و انعطاف پذیر نماید. تعبیه محل ثانویه برای نصب باتری امکان پرواز Drone را به زمان بیش از 40 دقیقه میرساند.

-2-2 برد کنترلی

برای کنترل و همچنین مانیتورینگ وضعیت پرواز از یک کارت کنترلی استفاده شده است که بر روی پرنده مونتاژ میگردد.. این برد از طریق ارتباط سریال با واحد پردازنده drone لینک شده و امکان کنترل هوشمند drone را از طریق حسگرها ، برنامه های تحلیلی و پارامترهای ورودی به کارت طراحی شده ، انجام میدهد.[2] کارت طراحی شده را می توان به سه بلوک مجزا تقسیم کرد. بلوک یک که پردازنده کارت میباشد و شامل یک بردDiscovery STM32F407 می باشد و وظیفه دریافت اطلاعات از حسگرها و برقراری ارتباط با پرنده را بر عهده دارد. بلوک دو که ماژول GPS می باشد و به عنوان GSP خارجی در اضافه نمودن اطلاعات جغرافیایی بر روی تصاویر دوربین ترموویژن بکار میرود و بلوک سه که در حقیقت سنسور تشخیص میدان الکترومغناطیسی هست و از برخورد پرنده با شبکه و تجهیزات برقدار جلوگیری می نماید. شکل 2 تصویری از کارت طراحی شده بدین منظور را نمایش میدهد. علت انتخاب این ربات ، در دسترس بودن و اوپن سورس بودن توابع کنترل کننده و مانیتورینگ پرواز می باشد. جهت کنترل این پرنده می توان از Onboard SDK، Mobile SDK و یا سیستم عاملهای ویندوز و لینوکس بهره برد که در نمونه ساخته شده از Onboard SDK استفاده شده است. همچنین از دیگر قابلیتهای این ربات این است که می توان تا 16 نقطه ماموریتی را بر روی مسیر برای این پرنده تعریف نمود که پرنده به ترتیب به آن نقاط می رود و پس از اتمام ماموریت دوباره به محل آشیانه بر میگردد.

-3-2 دوربین حرارتی

جهت تصویربرداری حرارتی از شبکه توزیع برق از یک دوربین حرارتی ساخت شرکت FLIR مدل Tau 2 استفاده گردیده است. این دوربین توسط یک گیمبال D3 به ربات پرنده متصل گردیده است و توسط کاربر می تواند کنترل گردد. دوربین حرارتی کالیبره گردیده است و دمای تک تک پیکسل های آن به همراه مشخصات جغرافیایی محل تصویربرداری بر روی هر فریم فیلم گرفته شده از شبکه ، ذخیره میگردد.برد کنترلی که در قسمت قبل توضیح داده شد مختصات جغرافیایی را از GPS خود دریافت مینماید و در فایل Row Data خروجی از دوربین ذخیره مینماید. تصاویر گرفته شده توسط دوربین بصورت زنده بر روی مانیتور ریموت کنترل کاربر و به صورت همزمان با دوربین دید در روز قابل مشاهده می باشد و علاوه بر آن این فیلمها بر روی حافظه SD دوربین نیز ذخیره میگردد. شکل 2 نمایی از دوربین ترموویژن را نشان میدهد.

-4-2 دوربین دید در روز

برای تصویر برداری در حالت معمولی و با کیفیت HD از یک دوربین ZENMUSE Z3 استفاده شده است. این دوربین دارای وزن 265 گرم بوده و رزولوشن 12,4 مگا پیکسل می باشد. تصاویر این دوربین می تواند بر روی یک حافظه Micro SD و حداکثر با ظرفیت 64 گیگا بایت ، ذخیره گردد. شکل 3 تصویری از این دوربین را نمایش میدهد

-3 نرم افزار

در هر عملیات پروازی در حدود 20 دقیقه تصویربرداری انجام میشود و برای تشخیص تجهیز معیوب نیاز است تمامی این مدت زمان با دقت توسط کاربر تماشا گردد تا نقاط دارای حرارت بالا در تصویر برداری ترموویژن مشخص گردد. این کار بسیار زمانبر بوده و همچنین می تواند دارای خطای انسانی باشد. لذا برای سهولت در امر گزارش گیری ، نرم افزاری تهیه گردیده است که فیلم تصویر برداری شده از شبکه را به عنوان ورودی دریافت می نماید و با توجه به تنظیماتی که بر روی آن صورت گرفته و حد بالای درجه حرارتی که برای آن تنظیم گردیده است، مختصات جغرافیایی محلی که دمای آن از حالت نرمال بالاتر بوده را مشخص می نماید و بر روی نقشه نمایش می دهد و همچنین عکسی از تجهیز دارای دمای غیر عادی را نیز در پنجره ای جداگانه برای کاربر نمایش میدهد. این نرم افزار در محیط Matlab توسعه یافته است و زمان پیدا کردن محل خطا را بسیار کاهش میدهد. شکل 6 یک نمونه از تصاویر هوایی گرفته شده توسط این سامانه را نمایش میدهد. در شکل 7 نیز پنجره های مختلف محیط نرم افزار گزارش گیری از تصاویر قابل مشاهده می باشد.