電力巡查吊艙雙光傳感器重心補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

杜偉，劉寧，方平凱，周立存，孫鴻博

（國(guó)網(wǎng)通用航空有限公司，北京 100000）

吊艙型雙光傳感器是電力巡查作業(yè)中的關(guān)鍵應(yīng)用元件之一，能夠準(zhǔn)確記錄各個(gè)巡查節(jié)點(diǎn)所處的實(shí)際位置，并將記錄結(jié)果以傳感信息的形式反饋回核心電網(wǎng)主機(jī)元件中。

隨著電力巡查作業(yè)任務(wù)量的增大，傳感器結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息參量值也會(huì)不斷增加，此時(shí)信息文件間會(huì)出現(xiàn)明顯的覆蓋情況[1]。因此，為保證吊艙型雙光傳感器的穩(wěn)定工作能力，相鄰巡查節(jié)點(diǎn)的間隔距離不宜過(guò)近，一方面可為數(shù)據(jù)信息文件提供足夠長(zhǎng)的傳輸與反饋時(shí)間，另一方面也能夠適當(dāng)抑制數(shù)據(jù)信息參量之間的覆蓋與替代影響。

在吊艙雙光傳感器執(zhí)行電力巡查作業(yè)的過(guò)程中，由于內(nèi)、外力負(fù)載作用的存在，傳感器元件自身的運(yùn)動(dòng)行為會(huì)受到一定程度的影響，此時(shí)結(jié)構(gòu)體重心節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)度偏轉(zhuǎn)情況[2]。

為解決上述問(wèn)題，傳統(tǒng)三相交錯(cuò)型處理方法通過(guò)統(tǒng)計(jì)重心運(yùn)動(dòng)軌跡的方式，建立完整的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，再根據(jù)重心節(jié)點(diǎn)單位運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)值的變化，確定當(dāng)前偏轉(zhuǎn)行為的嚴(yán)重程度[3]。然而此方法對(duì)于外力負(fù)載作用的抵抗能力較強(qiáng)，而在內(nèi)力負(fù)載方面的實(shí)用性相對(duì)有限，并不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

為避免上述情況的發(fā)生，提出一種新型的電力巡查吊艙雙光傳感器重心補(bǔ)償方法。

1 重心標(biāo)注

1.1 傳感器作業(yè)空間

電力巡查吊艙雙光傳感器通常是三維空間中具有自由運(yùn)動(dòng)能力的剛體結(jié)構(gòu)元件，因此，電網(wǎng)主機(jī)需要同時(shí)對(duì)傳感器設(shè)備所處位置及其姿態(tài)表現(xiàn)形式進(jìn)行控制。

傳感器基座往往安裝于固定表面之上，所以在重心節(jié)點(diǎn)不斷變化的情況下，雙光傳感器元件所對(duì)應(yīng)的電力巡查作業(yè)空間也會(huì)有所不同[4-5]。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)重心節(jié)點(diǎn)的全局化補(bǔ)償，傳感器作業(yè)空間往往只針對(duì)一個(gè)參考坐標(biāo)系而存在。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是所有重心表現(xiàn)姿態(tài)坐標(biāo)的取值都只屬于同一個(gè)物理集合。

假設(shè)P1、P2表示兩個(gè)不重合的重心節(jié)點(diǎn)，其中P1的坐標(biāo)為(x1,y1,z1)，P2的坐標(biāo)為(x2,y2,z2)。聯(lián)立上述物理量，可將電力巡查吊艙雙光傳感器的作業(yè)空間KP表示為：

式中，α1表示橫坐標(biāo)標(biāo)記系數(shù)，δ1表示縱坐標(biāo)標(biāo)記系數(shù)，?1表示空間坐標(biāo)標(biāo)記系數(shù)。在同一電力巡查作業(yè)空間中，兩個(gè)吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)所處位置始終不會(huì)重合。

1.2 重心運(yùn)動(dòng)軌跡

重心運(yùn)動(dòng)軌跡標(biāo)注了吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑。在電力巡查作業(yè)空間中，軌跡曲線的斜率值越大，表明重心節(jié)點(diǎn)的偏移量越大。在不考慮其他干擾條件的情況下，重心運(yùn)動(dòng)軌跡標(biāo)注結(jié)果同時(shí)受到運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)角、起始運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)終止位置三項(xiàng)物理指標(biāo)的直接影響[6-7]。

若?表示電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)角，則可認(rèn)為在連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，該物理夾角的余弦值cos?能夠描述重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)能力。假設(shè)E0表示雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)的起始運(yùn)動(dòng)位置，En表示重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)終止位置，n表示重心節(jié)點(diǎn)在整條軌跡中的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)次數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將重心運(yùn)動(dòng)軌跡表達(dá)式定義為：

其中，λ表示電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)行為項(xiàng)。對(duì)于電力巡查吊艙雙光傳感器而言，其重心運(yùn)動(dòng)軌跡始終不會(huì)超出作業(yè)空間覆蓋范圍而獨(dú)立存在。

1.3 運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)值

在對(duì)電力巡查吊艙雙光傳感器重心的補(bǔ)償處理過(guò)程中，需參考重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)值。在已知重心運(yùn)動(dòng)軌跡的前提下，應(yīng)盡量保證在同一標(biāo)定空間內(nèi)布置最少的巡查節(jié)點(diǎn)，或在巡查節(jié)點(diǎn)布置數(shù)量相同的情況下，不斷向外擴(kuò)張重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)空間。

從理論層面來(lái)說(shuō)，傳感器重心的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)值越短，表明所設(shè)置巡查網(wǎng)絡(luò)越密集。這種情況下，電力主機(jī)能夠?qū)﹄p光傳感器運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行細(xì)致監(jiān)測(cè)；相反，若傳感器重心的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)值越長(zhǎng)，則表明所設(shè)置巡查網(wǎng)絡(luò)越稀疏。這種情況下，電力主機(jī)對(duì)雙光傳感器運(yùn)動(dòng)行為的監(jiān)測(cè)較為籠統(tǒng)，但整體覆蓋面積較大[8-9]。因此，在對(duì)雙光傳感器重心進(jìn)行補(bǔ)償處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的電力巡查作業(yè)要求，選取與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)值指標(biāo)。具體計(jì)算表達(dá)式如下：

式中，β表示雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行為判別指標(biāo)，χ表示巡查節(jié)點(diǎn)的布置數(shù)量值，f表示重心節(jié)點(diǎn)擴(kuò)張系數(shù)，ε表示運(yùn)動(dòng)行為判別指征，表示電力巡查作業(yè)中雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征。

一般來(lái)說(shuō)，電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)張能力越強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)值的計(jì)算數(shù)值也就越大。

2 重心標(biāo)注誤差補(bǔ)償

2.1 標(biāo)注參數(shù)冗余性分析

在電力巡查作業(yè)過(guò)程中，由于雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)所處位置始終保持變動(dòng)狀態(tài)，所以每一個(gè)標(biāo)注指標(biāo)的取值結(jié)果都具備一定的冗余性[10]。

冗余性就是指在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，重心節(jié)點(diǎn)所處位置并不是完全固定的，其所在位置應(yīng)是一個(gè)絕對(duì)區(qū)間，且在該區(qū)間中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的取值結(jié)果不可能完全相同。因此，為使電力巡查吊艙雙光傳感器的重心軌跡得到有效補(bǔ)償，應(yīng)對(duì)既定冗余參數(shù)進(jìn)行剔除處理，具體處理原則如圖1 所示。

在已知電力巡查吊艙雙光傳感器作業(yè)空間、重心運(yùn)動(dòng)軌跡等條件的情況下，可對(duì)冗余參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃處理。其中，冗余性較強(qiáng)的部分需直接剔除，而冗余性較弱的部分則可作為后續(xù)誤差系數(shù)標(biāo)定、補(bǔ)償差值計(jì)算步驟的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)[11]。

2.2 誤差系數(shù)標(biāo)定

由于在電力巡查吊艙雙光傳感器重心補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不存在明顯的建模處理環(huán)節(jié)。因此，必須在已知標(biāo)注參數(shù)冗余性的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵誤差系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定處理[12]。誤差系數(shù)標(biāo)定大體上可以理解為是對(duì)冗余參數(shù)剔除準(zhǔn)確性的分析。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在既定作業(yè)空間中，規(guī)定多個(gè)誤差系數(shù)指標(biāo)作為核心計(jì)算項(xiàng)，并聯(lián)合已知的補(bǔ)償處理原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)指標(biāo)參量數(shù)值的準(zhǔn)確計(jì)算[13-14]。

假設(shè)wmax表示待剔除冗余參數(shù)指標(biāo)的最大值，wmin表示冗余參數(shù)指標(biāo)的最小值，g1、g2表示兩個(gè)不同的誤差值標(biāo)度指標(biāo)，ξ表示誤差規(guī)律表達(dá)項(xiàng)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將誤差系數(shù)標(biāo)定表達(dá)式定義為：

對(duì)于電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)而言，誤差系數(shù)標(biāo)定原則有助于區(qū)分外力負(fù)載和內(nèi)力負(fù)載對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)行為造成的影響，這也是抑制重心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)度偏轉(zhuǎn)行為的關(guān)鍵計(jì)算環(huán)節(jié)。

2.3 補(bǔ)償差值計(jì)算

補(bǔ)償差值指標(biāo)直接決定了電力巡查吊艙雙光傳感器重心補(bǔ)償方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在已知標(biāo)注參數(shù)冗余性能力、誤差系數(shù)值水平的基礎(chǔ)上，可以認(rèn)為該指標(biāo)參量的數(shù)值水平越接近實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，傳感器重心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)度偏轉(zhuǎn)行為的可能性就越低[15-16]。

為確保電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)過(guò)度偏轉(zhuǎn)行為，補(bǔ)償差值指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果不易過(guò)大。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證該文方法的可行性，選取圖2 所示的電力巡查吊艙雙光傳感器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在確保其重心節(jié)點(diǎn)與豎直運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)保持水平的前提下開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

圖2 電力巡查吊艙雙光傳感器示意圖

將搭載該文方法的計(jì)算機(jī)元件與RCM 結(jié)構(gòu)相連，然后控制電力巡查吊艙大臂、小臂，使豎直結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式與電力巡查需求保持一致，將所得數(shù)據(jù)信息作為實(shí)驗(yàn)組變量；再將搭載傳統(tǒng)三相交錯(cuò)型處理方法的計(jì)算機(jī)元件與RCM 結(jié)構(gòu)相連，再次控制大臂、小臂，使豎直結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式與電力巡查需求保持一致，將所得數(shù)據(jù)信息作為對(duì)照組變量。

外力負(fù)載、內(nèi)力負(fù)載作用均能對(duì)電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行為造成影響。一般來(lái)說(shuō)，在力學(xué)負(fù)載作用下，重心節(jié)點(diǎn)最終所處位置與其初始位置之間的物理距離越大，則表示重心節(jié)點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)行為越明顯（已知當(dāng)間隔距離超過(guò)25 cm 時(shí)，電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)過(guò)度偏轉(zhuǎn)行為）。

圖3 反映了在單純外力負(fù)載的作用下，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組重心節(jié)點(diǎn)間隔的數(shù)值變化情況。

圖3 外力負(fù)載下的重心節(jié)點(diǎn)間隔

分析圖3 可知，在單純外力負(fù)載作用下，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組重心節(jié)點(diǎn)間隔的物理差值水平相對(duì)較小。在外力負(fù)載作用處于0.3～1.5 N 時(shí)，實(shí)驗(yàn)組重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值始終等于13.4 cm；在外力負(fù)載作用處于1.5～2.4 N 時(shí)，實(shí)驗(yàn)組重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值不斷增大。當(dāng)外力負(fù)載作用處于0.3～1.2 N 時(shí)，對(duì)照組重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值的存在狀態(tài)相對(duì)波動(dòng)，但其均值水平基本與實(shí)驗(yàn)組相等；當(dāng)外力負(fù)載作用處于1.2～2.4 N 時(shí)，對(duì)照組重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值也不斷增大。

圖4 反映了在單純內(nèi)力負(fù)載的作用下，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組重心節(jié)點(diǎn)間隔的數(shù)值變化情況。

圖4 內(nèi)力負(fù)載下的重心節(jié)點(diǎn)間隔

分析圖4 可知，在單純內(nèi)力負(fù)載作用下，實(shí)驗(yàn)組重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值始終保持不斷波動(dòng)的變化狀態(tài)，其最大值只能達(dá)到21.9 cm。對(duì)照組重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值則保持連續(xù)上升的變化狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)力負(fù)載達(dá)到2.0 N 時(shí)，對(duì)照組重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值就已經(jīng)超過(guò)25 cm，其全局最大值更是達(dá)到了30.8 cm，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組極值水平。

該次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1）在外力負(fù)載作用下，該文方法與傳統(tǒng)的三相交錯(cuò)型處理方法均能較好控制重心節(jié)點(diǎn)的間隔數(shù)值，從而避免電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)度偏轉(zhuǎn)的情況。

2）在內(nèi)力負(fù)載作用下，傳統(tǒng)三相交錯(cuò)型處理方法對(duì)于重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值的控制能力較弱，其最大間隔數(shù)值超過(guò)了25 cm；而該文方法依然可以較好地控制重心節(jié)點(diǎn)間隔數(shù)值，從而有效解決重心節(jié)點(diǎn)過(guò)度偏轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力巡查吊艙雙光傳感器重心補(bǔ)償方法在傳感器作業(yè)空間內(nèi)，通過(guò)標(biāo)注重心運(yùn)動(dòng)軌跡的方式，求解運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)的具體數(shù)值，又聯(lián)合誤差系數(shù)與補(bǔ)償差值，對(duì)標(biāo)注參數(shù)的冗余性進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

從實(shí)用性角度來(lái)看，在該文方法的作用下，重心節(jié)點(diǎn)間隔在外力負(fù)載、內(nèi)力負(fù)載作用下，均可以保持相對(duì)較小的數(shù)值水平，這對(duì)于避免電力巡查吊艙雙光傳感器重心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)度偏轉(zhuǎn)的情況，能夠起到較強(qiáng)的促進(jìn)作用。