光伏電站巡檢機器人電磁導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計*

蘭建軍，李春來，劉寅東

（1.東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，西寧810008）

0 引 言

為了保證光伏電站可靠高效運行，需要電站巡檢員定期檢查組件積灰，鋼化玻璃變色、破損等情況。隨著變電站的無人值守化的逐步推進，光伏電站現(xiàn)場的機器人巡檢也將成為一種趨勢。由于巡檢機器人的運行軌跡相對固定，因此電磁導(dǎo)航方式是一種低成本、高可靠性的導(dǎo)航方式［1-2］。電磁導(dǎo)航研究早期，主要以位置和方向檢測為主［3］，隨著應(yīng)用的不斷普及，目前該技術(shù)逐步轉(zhuǎn)向了自由空間場的定位和導(dǎo)航應(yīng)用［4-5］，該技術(shù)實用性強，具有良好的發(fā)展前景。為了保證電磁導(dǎo)航機器人沿著預(yù)定的電磁軌道可靠運行，電磁軌道的磁場信號檢測與轉(zhuǎn)向控制是電磁導(dǎo)航機器人研究的重點。伍洲等進行了電磁傳感器IIR濾波器的設(shè)計，改善了傳感器數(shù)據(jù)的線性度［6］，黃水提出了基于模糊控制的舵機轉(zhuǎn)向控制算法，改善智能車的動態(tài)性能［7］。唐昊等通過三次多項式曲線擬合方式進行了機器人位置解算，較好的完成了電磁導(dǎo)航機器人的轉(zhuǎn)向控制［8］。

為了進一步準(zhǔn)確獲取巡檢機器人偏離導(dǎo)航信號線距離，實現(xiàn)巡檢機器人轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確控制。文章在現(xiàn)有電磁導(dǎo)航理論的基礎(chǔ)上，在機械結(jié)構(gòu)上設(shè)置了8個對稱分布的電感傳感器進行電磁導(dǎo)航巡檢機器人的信號檢測，利用數(shù)據(jù)加權(quán)融合算法對傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，準(zhǔn)確計算出巡檢機器人的轉(zhuǎn)向角度。最后在設(shè)計的巡檢機器人裝置上對方案進行了效果測試，給出了實驗測試數(shù)據(jù)。

1 檢測原理與傳感器布局

1.1 磁場檢測原理

依據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流周圍會產(chǎn)生交變的電磁場?？梢栽谳喪綑C器人運行軌道上敷設(shè)導(dǎo)線，導(dǎo)線上輸入20 kHz頻率信號后產(chǎn)生交變磁場，利用該磁場作為輪式機器人的路徑導(dǎo)航信號。磁場的信號檢測利用電感實現(xiàn)，通過LC諧振電路進行選頻，通過濾波電路濾除干擾信號，導(dǎo)線磁感應(yīng)強度計算圖如圖1所示。

圖1 直線電流磁場計算Fig.1 Linear current magnetic field calculation

依據(jù)畢奧-薩伐爾定律可以將距離導(dǎo)線距離為r處P點的磁感應(yīng)強度推導(dǎo)如下：

對于無限長的導(dǎo)線來說，式中θ1可近似為0，θ2可近似為π，所以磁感應(yīng)強度B可近似為：

當(dāng)電感線圈的軸線為水平方向時，設(shè)電磁感應(yīng)線圈中心軸線距離地面的垂直距離為h，水平距離為x時，可以將感應(yīng)電動勢推導(dǎo)如下：

1.2 傳感器布局

圖2 感應(yīng)電動勢變化趨勢Fig.2 Development trend of induction electromotive force

當(dāng)垂直距離固定后，感應(yīng)電動勢隨水平距離變化趨勢圖如圖2所示。根據(jù)圖2所示的曲線變化趨勢可知，當(dāng)水平偏移距離在4 cm之內(nèi)時，電感的感應(yīng)電勢和距離偏移關(guān)系趨近于線性。為了提高傳感器輸出的線性程度，傳感器在布局時，兩個電感傳感器中心距離為3 cm，在傳感器支架中心左右兩側(cè)共安裝有8個電感傳感器。

2 信號采集與處理

2.1 信號檢測與采集

電感傳感器選用10 mH的工字型電感，可以較好的感應(yīng)交變電流產(chǎn)生的磁場。通過LC諧振電路實現(xiàn)選頻，經(jīng)過TLC2274放大后，可以得到50倍以上增益，可以實現(xiàn)距離在15 cm以上距離的可靠檢測，并且有較好的線性度，詳細的傳感器檢測電路原理圖如圖3所示。

圖3 傳感器檢測電路原理圖Fig.3 Principle diagram of sensor detection circuit

2.2 信號濾波處理

由于電感和后續(xù)處理電路等特性不一致的問題，使得不同傳感器在同一高度和同一位置處檢測值不同，如果不進行處理，后續(xù)將產(chǎn)生轉(zhuǎn)向控制誤差。因此首先要對傳感器的輸出值進行歸一化標(biāo)定，這樣每路傳感器輸出值都歸一化到統(tǒng)一量綱，保證傳感器輸出值只與偏移位置有關(guān)，與傳感器及其配套處理電路特性差異無關(guān)，歸一化公式如下：

式中VLi為第i個傳感器歸一化后值；adi為第i個傳感器A／D轉(zhuǎn)換之后值；max為標(biāo)定的最大值；min為標(biāo)定的最小值。

3 數(shù)據(jù)融合算法

3.1 支持度矩陣

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是對多源的、多形式、多層次的信息進行有效綜合應(yīng)用的一種數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)［10-11］。利用n個傳感器從不同方位對同一參數(shù)進行測量，設(shè) xi（k）和 xj（k）分別為第 i個和第 j個傳感器在k時刻的測量值，如果二者測量值間相差較大，表明該時刻2個傳感器的觀測值相互支持度較低；相反，如果二者很接近，則表明傳感器的觀測值相互支持度高，將多傳感器測得數(shù)據(jù)間的這種支持程度定義為支持度。同時，為統(tǒng)一量化處理，利用模糊集合理論中的隸屬函數(shù)可將k時刻的支持度函數(shù)sij（k）描述如下：

為了衡量傳感器測量值之間的相互支持度，可將k時刻傳感器數(shù)據(jù)支持矩陣由sij（k）進行構(gòu)造：

3.2 加權(quán)數(shù)據(jù)融合

為了使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，需要對多個傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，令wi（k）為k時刻第i個傳感器測量數(shù)據(jù)xi（k）在融合過程中所占權(quán)重，因此可以利用wi（k）對 xi（k）進行加權(quán)求和［13］，同時對加權(quán)系數(shù)wi（k）限定條件如下：

這樣多個傳感器在k時刻最終的數(shù)據(jù)融合值表達式如式（8）所示，通過采用不同的加權(quán)系數(shù)，保證數(shù)據(jù)融合結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.3 加權(quán)系數(shù)確定

圖4 傳感器布局結(jié)構(gòu)Fig.4 Sensor layout structure

圖4所示為傳感器布局結(jié)構(gòu)圖，8個電感傳感器對稱分布，右邊4個傳感器和小車中心線距離分布為L1、L2、L3、L4，舵機離電路板垂直距離為 D。舵機轉(zhuǎn)向最大角度為±57°，因此可以根據(jù)傳感器偏離中心位置距離L設(shè)置加權(quán)系數(shù)。由于傳感器對稱分布，因此傳感器S1和S8到電路板中心距離均為L4，通過反正切的形式分別計算需要轉(zhuǎn)換的角度，根據(jù)轉(zhuǎn)換角度計算加權(quán)系數(shù)。具體的機械參數(shù)和加權(quán)系數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 機械參數(shù)和加權(quán)系數(shù)對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between mechanical parameters and weighting coefficient

4 實驗數(shù)據(jù)與效果

為了驗證方案的可行性，將小車傳感器中心置于信號線正上方作為0點處數(shù)據(jù)，之后對傳感器電路板進行左平移和右平移（保證信號線處于單個傳感器正上方或者在兩個相鄰電感的中心位置）。依次分別記錄下8個傳感器的測量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行歸一化處理后進行加權(quán)融合。得到如圖5所示的位置-轉(zhuǎn)向角度關(guān)系曲線，依據(jù)數(shù)據(jù)曲線可知，加權(quán)融合后的位置-轉(zhuǎn)向角度曲線和實際位置-轉(zhuǎn)向曲線基本吻合，表2給出了實際位置-轉(zhuǎn)角角度和融合位置-轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)，并進行了誤差分析，分析表明，經(jīng)過數(shù)據(jù)加權(quán)融合后的角度符合精度要求。

圖5 位置-轉(zhuǎn)向角度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between position and steering angle

表2 測試數(shù)據(jù)與誤差分析Tab.2 Test data and error analysis

5 結(jié)束語

依據(jù)電磁檢測原理，設(shè)計了光伏電站巡檢機器人的電磁導(dǎo)航系統(tǒng)。為了保證巡檢機器人實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向控制，依據(jù)機械結(jié)構(gòu)完成加權(quán)系數(shù)的設(shè)定和計算，采用數(shù)據(jù)加權(quán)融合算法對傳感器數(shù)據(jù)進行了融合。方案可以根據(jù)機器人偏離航線距離準(zhǔn)確計算出機器人的轉(zhuǎn)向角度，獲取了數(shù)據(jù)加權(quán)融合后的位置-轉(zhuǎn)向角度曲線，并進行了誤差分析。實驗數(shù)據(jù)表明，該方案可以實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確測量，測量相對誤差在3%以內(nèi)，滿足控制精度要求。