油浸式變壓器內(nèi)部巡檢式UUV設計與運動性能分析

汪旭海，杜向黨，陳宏博，王碩陽，房文軒，馬婧婧，邱瑞林

(西北工業(yè)大學，陜西 西安 710072)

0 引言

大型油浸式電力變壓器是電網(wǎng)的核心裝備，容量大、價值高且結構復雜，是變電運行中關注的重點[1-2]。由于變壓器油箱是封閉的，無法直接觀察到內(nèi)部的情況，傳統(tǒng)檢修方式需要令變壓器停機，排空內(nèi)部的絕緣油后讓工作人員進入檢修，檢修作業(yè)復雜、耗時、費力且有一定的危險性。本文將水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)技術應用于變壓器箱體內(nèi)部檢測工作，設計了一種高機動性巡檢式UUV，可搭載攝像裝置，在不排空絕緣油的情況下對變壓器內(nèi)部進行圖像檢測，提高了檢測的經(jīng)濟性、效率和安全性。該UUV也可作為一個智能型傳感器節(jié)點，以無線通信的方式接入電力系統(tǒng)泛在物聯(lián)網(wǎng)，遠程實時監(jiān)測變壓器的健康狀態(tài)。

1 巡檢式UUV總體設計

1.1 需求分析與功能特性

現(xiàn)需要一款UUV，可在變壓器不排出內(nèi)部絕緣油、人員不進入變壓器內(nèi)部的情況下對變壓器內(nèi)部設備目視檢查。

油浸式變壓器內(nèi)部結構主要由鐵芯柱、鐵軛和絕緣套管等不規(guī)則附件組成[3]，內(nèi)部通道狹小，結構復雜，對UUV外形尺寸和運動性能要求很高。巡檢式UUV應當具備以下功能特性。

a.結構精巧：外形尺寸小，無外露器件，能夠通過狹小空間。

b.機動性高：具備前進、后退、上浮、下潛、側移、原地旋轉(zhuǎn)和定深懸浮等運動模式及多種運動模式組合功能，可以實現(xiàn)無死角攝影攝像。

c.工作載荷：多組攝像和照相裝置。

d.操控方式：人工無線遙控操作、UUV本體具備自穩(wěn)定輔助控制功能。

1.2 總體設計

1.2.1 總體布局

UUV總體布局如圖1所示，采用了圓柱體外形，直徑為224 mm,高為300 mm。UUV殼體外形分為上中下3段，上殼體內(nèi)安裝較輕的控制系統(tǒng)和攝像模塊，中環(huán)安裝推進系統(tǒng)，下殼體內(nèi)安裝較重的電源模塊和驅(qū)動器。其中，上下殼體形狀尺寸相同、中環(huán)上下對稱，使水平運動時所受的阻力分布均勻。水平推進系統(tǒng)位于航行器上下對稱軸上，垂直推進系統(tǒng)位于航行器圓柱軸線上。

圖1 UUV實物布局

1.2.2 工作模式

典型油浸式變壓器箱體側邊開設有入孔，便于檢測人員或儀器進入內(nèi)部進行檢測。當變壓器停止運行檢測時，待油溫降至一定溫度后，可從入孔將巡檢式UUV放入變壓器箱體內(nèi)部，人工遙控或者UUV自主運動，進行攝影攝像，檢測人員可以進行實時在線檢測與評估。

2 機械結構與動力系統(tǒng)設計

2.1 外形設計

常見的水下航行器的外形按結構特點[4]可分為框架式結構和封閉式結構。根據(jù)油浸式變壓器內(nèi)部特定的工作環(huán)境，UUV外形采全封閉式結構，無外露器件，以避免與變壓器內(nèi)部附件結構發(fā)生刮碰，增強其機動性與通過性。為了減小外形尺寸，增加空間利用率，UUV采用了圓柱體外形。

2.2 推進系統(tǒng)設計

2.2.1 水平推進系統(tǒng)設計

變壓器內(nèi)部空間狹小，設備較多，UUV巡航時要有很高的機動性。因此，UUV水平推進系統(tǒng)采用矢量推進模式，如圖2所示。4個水平推進器在同一水平面上圓周分布，相對的2個推進器采用偏心布置，偏心距根據(jù)轉(zhuǎn)動要求設計，4個推進器可獨立控制產(chǎn)生推力，由于單個推進器推力較小，所以通過相鄰2個推進器的組合控制實現(xiàn)前進、后退及側移等直線運動，通過間隔的2個推進器組合控制實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動[5]。

圖2 水平推進系統(tǒng)原理

2.2.2 豎直推進系統(tǒng)設計

UUV在巡檢時，為了對某些位置進行詳細檢測，要進行懸停檢測，需要較高的深度控制精度。如圖3所示，UUV垂直推進系統(tǒng)采用活塞式浮力調(diào)節(jié)裝置，通過改變活塞的位置，從而改變重力與浮力的關系，實現(xiàn)UUV的下潛和上浮運動，通過高精度伺服電機控制系統(tǒng)和精密滾珠絲桿，可以實現(xiàn)垂直方向的高精度動態(tài)定位。

圖3 浮力調(diào)節(jié)裝置三維模型

2.2.3 關鍵部件布局及材料

巡檢式UUV圓柱外形確定后，其內(nèi)部設備總體布局與結構如圖4所示。將垂直推進系統(tǒng)的浮力調(diào)節(jié)裝置布置在UUV的中心軸線上；水平推進裝置布置在UUV的中環(huán)對稱面上，水平推力矢量作用于浮心。將測控系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和攝像裝置等模塊布置在上殼體內(nèi)，鋰電池布置在下殼體內(nèi)。為了實現(xiàn)攝像功能，上殼體和下殼體材料選用透明材料，原理樣機采用亞克力，其材料特性[6-7]適合制作外殼；由于殼體中環(huán)結構復雜，因此采用光敏樹脂3D打印進行制作[8]。當水平推進器轉(zhuǎn)動時周邊水壓會產(chǎn)生變化，因此將深度傳感器布置在UUV的下殼體底面，可減小水壓變化的影響，提高測量精度。

圖4 巡檢式UUV總體布局與結構

3 巡檢式UUV運動仿真分析

3.1 阻力分析

巡檢式UUV在運動時受推力、浮力、重力和流體動力的綜合作用，需要估算UUV流體阻力大小，為動力系統(tǒng)設計提供參考。

3.1.1 水平直線運動阻力分析

本文采用ANSYS對阻力進行仿真計算，將Solidworks中的UUV殼體三維模型導入ANSYS中，模擬其在水中的水平直線運動，分別設定了5組航速進行水平直線運動仿真。將航速和阻力數(shù)據(jù)導入MATLAB中進行二次函數(shù)擬合[9]，得到水中的阻力和速度關系式，擬合后可得水中水平直線運動的阻力系數(shù)為1.092。

3.1.2 垂直運動流體動力參數(shù)估算

為巡檢式UUV在水中做垂直運動的仿真，共設定了5組航速對巡檢式UUV進行垂直運動仿真。將航速和阻力數(shù)據(jù)導入MATLAB中進行二次函數(shù)擬合，得到水中的阻力和速度關系式，擬合后可得水中垂直運動的阻力系數(shù)為1.575.

3.1.3 動力推進系統(tǒng)主要參數(shù)設計

根據(jù)流體動力分析結果，進行了推進器的選型和布局設計，推進器參數(shù)如表1所示。進行了浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計，活塞缸內(nèi)徑為60 mm，行程為50 mm。

表1 推進器主要性能參數(shù)

3.2 運動性能仿真

3.2.1 水平直線運動仿真

根據(jù)巡檢式UUV的運動學和動力學模型，建立水平運動的運動方程為

(1)

基于上述運動方程，采用MATLAB對水平直線運動進行仿真，得到水平直線運動的速度仿真曲線。

水平速度-時間仿真曲線如圖5所示。其中，正向推力Tx=6.800 N，初始階段推力大于阻力，UUV加速運動，一段時間后推力和阻力大小相同，UUV作勻速運動，速度穩(wěn)定在0.503 m/s；25.00 s時螺旋槳反轉(zhuǎn)，設定反向推力Tx=-0.305 N，反向推力和阻力聯(lián)合作用下，UUV做減速運動，經(jīng)過1.48 s速度由0.503 m/s減小為0。

圖5 水平直線運動速度-時間仿真曲線

位移-時間仿真模擬表明，隨著不同階段速度的變化，位移曲線的斜率也相應變化，加速階段位移曲線的斜率逐漸增大，勻速階段斜率不變，減速階段斜率逐漸減小為零。在減速過程中UUV的位移為0.300 m，考慮到UUV在運動過程中要懸停檢測，為了減小減速運動時的位移，可通過施加反向推力實現(xiàn)。

3.2.2 垂直運動仿真

根據(jù)巡檢式UUV的運動學和動力學模型，建立垂直運動的運動方程為

(2)

基于上述運動方程，采用MATLAB對垂直運動進行仿真，得到垂直運動的速度仿真曲線。 垂直速度-時間仿真曲線如圖6所示。其中，UUV以正浮力最大調(diào)節(jié)量ΔFw(+max)=0.693 N作為垂向驅(qū)動力，其垂向速度在1.74 s時達到0.100 m/s，且該驅(qū)動力下所能到達的最大垂向速度為0.617 m/s。在40.00 s時,若以負浮力最大調(diào)節(jié)量ΔFw(-max)=-0.693 N作為驅(qū)動力，UUV的垂向速度可在1.98 s內(nèi)從0.617 m/s減小為0。

圖6 水中垂直運動速度-時間仿真曲線

垂直運動位移-時間仿真模擬表明，UUV加速階段的位移曲線斜率逐漸增大，勻速階段斜率不變，減速階段斜率逐漸減小為0。UUV從最大垂向速度0.617 m/s減小為0，這一過程的垂向位移為0.147 m，在伺服控制系統(tǒng)作用下，可以實現(xiàn)高精度深度定位目標。

4 水池試驗

4.1 原理樣機制作

根據(jù)設計和仿真結果，本文研制了巡檢式UUV原理樣機，如圖7所示。外形尺寸為200 mm×246 mm(D×h)，上殼體搭載攝像裝置，可進行水下拍攝，水池試驗時，通過上浮天線實現(xiàn)無線遙控和視頻信號無線傳輸。查閱相關文獻[10]可知在較淺深度的變壓器絕緣油中可以實現(xiàn)WIFI等無線信號傳輸，因此，實際使用的UUV可改為無線通訊的方式。

圖7 巡檢式UUV原理樣機

4.2 運動性能測試

對巡檢式UUV原理樣機進行了水池試驗，重點測試驗證了其運動性能和控制性能。

4.2.1 水平直線運動測試

水平直線運動測試包括前進和后退運動。在巡檢式UUV原理樣機平直線運動的測試中，UUV測控系統(tǒng)記錄了航向、姿態(tài)和推進電機PWM值等參數(shù)，根據(jù)記錄參數(shù)繪制運動曲線，水平直線運動的航向角-時間曲線如圖8所示?？煽闯鲈谒街本€運動過程中，UUV航向角保持在初始航向角附近，實現(xiàn)直線航行。但在運動過程中，由于各推進器性能偏差產(chǎn)生推力偏差，使得航向角逐漸偏離初始航向角?？筛鶕?jù)姿態(tài)傳感器反饋數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)推進器轉(zhuǎn)速即調(diào)節(jié)推進器推力，可以實現(xiàn)UUV直線航行的閉環(huán)控制。

圖8 水平直線運動航向角-時間曲線

水平直線運動時，各推進器PWM-時間曲線如圖9所示。可以看出，UUV水平直線運動時，PWM值在430～440之間動態(tài)變化，通過改變推進器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)推力大小，使UUV保持直線航行；在減速停止時，通過控制器調(diào)節(jié)反向2個推進器的轉(zhuǎn)速，可在短時間內(nèi)使UUV速度減小為0，完成減速運動。根據(jù)UUV水平直線運動的位移和時間可計算出其運動速度大致0.034 m/s為，此時推進器的推力約為全功率推力的十分之一，在全功率推力作用下UUV的水平速度可達到0.500 m/s。

圖9 水平直線運動各推進器PWM-時間曲線

4.2.2 垂直運動測試

垂直運動測試是指UUV在垂直方向上的上浮下潛和定深運動。由于環(huán)境限制，UUV的垂向運動范圍較小。將UUV初始時刻所在的位置深度設為0，采用壓力傳感器記錄深度。

在測試中，UUV首先進行下潛運動，下潛目標深度為600 mm，到達目標深度后懸停約6.00 s后做上浮運動。UUV下潛時深度曲線斜率先增大后減小，表明下潛運動時先加速后減速；懸停時深度基本保持在600 mm附近；上浮運動與下潛相同，UUV先進行加速后逐漸減速，直至到達初始深度位置。

從水池試驗數(shù)據(jù)分析，巡檢式UUV原理樣機總體外形、布局和結構設計合理，具有較高的機動性，水平運動速度可達0.500 m/s，深度控制精度在15 mm以內(nèi)，可以滿足變壓器內(nèi)部巡檢的運動性能要求。

5 結束語

本文設計了一種用于油浸式變壓器箱體內(nèi)部檢測的巡檢式UUV，可搭載攝像裝置在箱體內(nèi)部靈活運行，進行圖像檢測。闡述巡檢式UUV的總體方案、動力系統(tǒng)、布局與結構設計，進行了運動仿真分析。水池試驗結果表明，所研制的巡檢式UUV原理樣機的運動性能指標達到變壓器內(nèi)部檢測的要求。