基于多傳感器的無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視方法

錢金偉，范 楊，陳國輝，辛 巍，張 燦

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北武漢 430000）

在輸電網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)地線是導(dǎo)線組織與地線組織的統(tǒng)稱，對(duì)無人機(jī)飛行器設(shè)備而言，導(dǎo)地線負(fù)責(zé)將剩余供應(yīng)電量轉(zhuǎn)移至地下環(huán)境之中。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于配電參數(shù)、電量敏感度、電壓數(shù)值、電流數(shù)值等指標(biāo)參量取值結(jié)果不同，導(dǎo)地線組織對(duì)傳輸電量的轉(zhuǎn)存能力會(huì)有所不同[1]。一般來說，隨著無人機(jī)作業(yè)任務(wù)的進(jìn)行，供應(yīng)電信號(hào)的累積量也會(huì)增多，此時(shí)導(dǎo)線組織傳輸電量的轉(zhuǎn)移能力，將決定無人機(jī)設(shè)備實(shí)際飛行效果。出于安全性考慮，導(dǎo)地線還應(yīng)具備一定電信號(hào)承載能力，在傳輸電量不能快速轉(zhuǎn)存的情況下，導(dǎo)線裝置能夠暫時(shí)抵御電信號(hào)的攻擊行為，使無人機(jī)設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)還能繼續(xù)維持原有飛行狀態(tài)[2]。

傳感器是具有電量感知能力的電路連接元件，其存在位置不受電壓強(qiáng)度、電流強(qiáng)度等外界干擾條件的影響。近年來，多傳感器協(xié)同作用工作模式成為電力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，特別是對(duì)無人機(jī)供電體系來說，多傳感器模式更能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸電量信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)[3]。為促進(jìn)無人機(jī)實(shí)際飛行能力，傳統(tǒng)IMU 冗余補(bǔ)償算法借助單一傳感器元件記錄無人機(jī)設(shè)備的實(shí)際行進(jìn)狀態(tài)，再借助導(dǎo)航主機(jī)對(duì)所記錄信息深度分析[4]。然而，該方法并不能充分發(fā)揮無人機(jī)導(dǎo)地線的點(diǎn)電荷傳輸能力，易導(dǎo)致剩余供應(yīng)電量轉(zhuǎn)移行為受到威脅。為解決上述問題，提出一種基于多傳感器的無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視方法。

1 量測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

無人機(jī)量測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理包含多傳感器配準(zhǔn)原則構(gòu)建、無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取、電信號(hào)檢測(cè)三個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)。

1.1 多傳感器配準(zhǔn)原則構(gòu)建

多傳感器配準(zhǔn)原則能夠直接面對(duì)無人機(jī)導(dǎo)地線組織中的電量傳輸誤差信息，并對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性處理，不但能夠控制剩余供應(yīng)電量信號(hào)對(duì)常規(guī)傳輸信號(hào)的影響強(qiáng)度，還可將電流、電壓等電量指標(biāo)的數(shù)值水平控制在既定區(qū)間之內(nèi)，從根本上發(fā)揮無人機(jī)導(dǎo)地線的點(diǎn)電荷傳輸能力[5-6]。

設(shè)r0表示無人機(jī)剩余供應(yīng)電量信號(hào)的初始傳輸位置，rn表示終止傳輸位置，n表示電量信號(hào)傳輸行為項(xiàng)指標(biāo)，表示巡視傳感器元件中的感應(yīng)電流均值，表示感應(yīng)電壓均值，P表示巡視傳感器元件的額定功率。聯(lián)立上述物理量，將多傳感器配準(zhǔn)原則定義為：

1.2 無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取是實(shí)施自主導(dǎo)地線巡視算法關(guān)鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)，在多傳感器配準(zhǔn)原則支持下，規(guī)劃供應(yīng)電量轉(zhuǎn)移指令的，限制對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處電量指標(biāo)參量的數(shù)值變化趨勢(shì)[7-8]。在不考慮其他干擾條件的情況下，無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取能力受導(dǎo)地線內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移量、傳感器電信號(hào)強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)參量直接影響。導(dǎo)地線內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移量可表示為O，在實(shí)際運(yùn)算過程中，該項(xiàng)物理量可繼續(xù)細(xì)分為轉(zhuǎn)移量均值、特定轉(zhuǎn)移量指標(biāo)O1、O2，若參考多傳感器配準(zhǔn)原則影響能力，則的不等式條件恒成立。

傳感器電信號(hào)強(qiáng)度表示為β，該項(xiàng)指標(biāo)參量取值越大，傳感器設(shè)備獲取的無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)也就越多。在上述物理量支持下，聯(lián)立式（1），可將無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取表達(dá)式定義為：

式中，q1、q2表示兩個(gè)不同的電量信號(hào)供應(yīng)系數(shù)。在已知無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取結(jié)果前提下，多級(jí)傳感器設(shè)備元件可自主控制導(dǎo)地線內(nèi)的剩余供應(yīng)電量信息。

1.3 電信號(hào)檢測(cè)

電信號(hào)檢測(cè)是對(duì)無人機(jī)自主導(dǎo)地線內(nèi)的剩余供應(yīng)電量檢測(cè)，能夠決定多傳感器巡檢技術(shù)模型實(shí)用性價(jià)值，感應(yīng)主機(jī)能獲取的無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)越多，最終所得電信號(hào)檢測(cè)結(jié)果越符合實(shí)際應(yīng)用需求[9-10]。

設(shè)?max表示剩余供應(yīng)電量檢測(cè)特征的最大取值，在傳感器檢測(cè)權(quán)限等于c的情況下，?max>1 不等式條件恒成立。ω表示無人機(jī)自主導(dǎo)線信號(hào)在傳輸過程中迭代次數(shù)，若考慮多傳感器配準(zhǔn)原則作用能力，則可認(rèn)為指標(biāo)ω的取值結(jié)果始終與無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取表達(dá)式相關(guān)。在上述物理量支持下，聯(lián)立式（2），可將電信號(hào)檢測(cè)結(jié)果表示為：

其中，β表示與剩余供應(yīng)電量信號(hào)相關(guān)巡視檢測(cè)系數(shù)，δ表示特定電量處理系數(shù)。傳感器元件根據(jù)電信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，確定無人機(jī)自主導(dǎo)地線內(nèi)電量傳輸情況，按照實(shí)時(shí)配準(zhǔn)原則，完成電信號(hào)參量傳輸能力判別。

2 無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視算法

2.1 作業(yè)域環(huán)境劃分

在執(zhí)行無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視指令前，劃分作業(yè)域環(huán)境，盡可能多地將傳感器節(jié)點(diǎn)安置在同一物理區(qū)間內(nèi)[11-12]。

規(guī)定d0表示無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視作業(yè)域的核心節(jié)點(diǎn)，其物理坐標(biāo)可表示為(x0,y0)，dn表示一個(gè)隨機(jī)選取的作業(yè)域節(jié)點(diǎn)，其物理坐標(biāo)可表示為(xn,yn)，n表示作業(yè)域規(guī)劃系數(shù)的最大取值結(jié)果。利用上述兩個(gè)物理坐標(biāo)，可將點(diǎn)d0與點(diǎn)dn之間的距離表達(dá)式定義為：

設(shè)μ表示無人機(jī)自主導(dǎo)地線內(nèi)的電量巡視指標(biāo)，f表示電信號(hào)巡視感應(yīng)特征值，lμ表示巡視指標(biāo)為μ時(shí)的電信號(hào)定標(biāo)量。聯(lián)立上述物理量，將無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視算法的作業(yè)域環(huán)境劃分表達(dá)式定義為：

為使各級(jí)傳感器設(shè)備能夠準(zhǔn)確感知電量信號(hào)的傳輸行為，無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視技術(shù)只能在作業(yè)域環(huán)境中進(jìn)行。

2.2 巡視節(jié)點(diǎn)定義

在作業(yè)域環(huán)境中，各級(jí)傳感器設(shè)備所處連接位置不完全固定，為使無人機(jī)自主導(dǎo)地線內(nèi)的剩余供應(yīng)電量能夠得到安全轉(zhuǎn)移，必須按照既定原則對(duì)各類巡視節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義[13]。假設(shè)原節(jié)點(diǎn)所處位置不改變，最末端節(jié)點(diǎn)到原節(jié)點(diǎn)間的巡視距離也不會(huì)發(fā)生改變，則可認(rèn)為待轉(zhuǎn)移的剩余供應(yīng)電量越多，傳感器元件內(nèi)所累積的巡視信號(hào)量越大。

設(shè)λ表示基于多傳感器配準(zhǔn)原則的設(shè)備元件連接系數(shù)，m表示傳感器元件內(nèi)的電量信號(hào)轉(zhuǎn)移權(quán)限指標(biāo)，jmax表示最末端節(jié)點(diǎn)處的電量信號(hào)標(biāo)度指征，jmin表示原節(jié)點(diǎn)處的電量信號(hào)標(biāo)度指征。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（5），可將巡視節(jié)點(diǎn)定義條件表示為：

對(duì)各級(jí)傳感器設(shè)備元件而言，只有在已知巡視節(jié)點(diǎn)定義的條件下，才能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主導(dǎo)地線內(nèi)剩余供應(yīng)電量信號(hào)安全轉(zhuǎn)移[14]。

2.3 電信號(hào)敏感性分析

電信號(hào)敏感性分析是無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視算法搭建的末尾設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在已知巡視節(jié)點(diǎn)定義條件的情況下，若將電信號(hào)敏感性能力作為恒定變量條件，則可認(rèn)為導(dǎo)地線組織對(duì)于電量信號(hào)的容納能力越強(qiáng)，最終所得巡視指令的實(shí)用性能力也就越強(qiáng)[15-16]。設(shè)kˉ表示單位時(shí)間內(nèi)的供應(yīng)電量信號(hào)轉(zhuǎn)移均值，b1、b2表示兩個(gè)不同的電量信號(hào)容納指標(biāo)，且在多傳感器配準(zhǔn)原則的作用下，b1≠b2的不等式條件恒成立。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（6），可將電信號(hào)敏感性分析結(jié)果表示為：

至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在各級(jí)傳感器設(shè)備元件的支持下，完成基于多傳感器的無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視技術(shù)研究。

3 實(shí)例分析

為突出基于多傳感器的無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視算法、傳統(tǒng)IMU 冗余補(bǔ)償算法的實(shí)用差異性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

步驟一：選取圖1（a）中的無人機(jī)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。在其進(jìn)入穩(wěn)定飛行狀態(tài)后，對(duì)導(dǎo)地線內(nèi)的電信號(hào)傳輸行為進(jìn)行調(diào)試，如圖1（b）所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

步驟二：利用基于多傳感器的巡視算法對(duì)圖2中的定量感應(yīng)裝置進(jìn)行控制，將所獲數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組變量。

圖2 剩余供應(yīng)電量信號(hào)檢測(cè)

步驟三：利用傳統(tǒng)IMU 冗余補(bǔ)償算法對(duì)圖2 中定量感應(yīng)裝置進(jìn)行控制，將所獲數(shù)據(jù)作為對(duì)照組變量；

步驟四：對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量數(shù)據(jù)。

無人機(jī)導(dǎo)地線設(shè)備對(duì)于點(diǎn)電荷的傳輸能力可以反映出所采用巡視方法的實(shí)用性價(jià)值。一般來說，無人機(jī)導(dǎo)地線設(shè)備對(duì)于點(diǎn)電荷的傳輸能力越強(qiáng)，剩余供應(yīng)電量被安全轉(zhuǎn)移至地下環(huán)境所需的消耗時(shí)間也就越短，此時(shí)，所采用巡視方法所具有的實(shí)用性價(jià)值也就越高；反之，若無人機(jī)導(dǎo)地線設(shè)備對(duì)于點(diǎn)電荷的傳輸能力較弱，剩余供應(yīng)電量被安全轉(zhuǎn)移至地下環(huán)境所需的消耗時(shí)間也就越長，此時(shí)，所采用巡視方法所具有的實(shí)用性價(jià)值也就相對(duì)較低。

表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組無人機(jī)導(dǎo)地線設(shè)備對(duì)于點(diǎn)電荷傳輸能力的數(shù)值對(duì)比情況。

表1 點(diǎn)電荷傳輸能力

分析表1 可知，在理想情況下，點(diǎn)電荷的傳輸量保持先增大、再穩(wěn)定、最后減小的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，其最大數(shù)值達(dá)到了6.8×109C，且該數(shù)值水平能夠保持5 min 的穩(wěn)定存在狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)組點(diǎn)電荷的傳輸量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中始終保持不斷增大的數(shù)值變化狀態(tài)，其最大值7.5×109C與理想最大值6.8×109C 相比，上升了0.7×109C。

對(duì)照組點(diǎn)電荷的傳輸量則保持先上升、再穩(wěn)定的數(shù)值變化狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，其最大數(shù)值僅能達(dá)到6.0×109C 與理想最大值6.8×109C 相比，下降了0.8×109C，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)組極值水平。

綜合上述研究結(jié)果可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

1）隨著基于多傳感器巡視技術(shù)模型的應(yīng)用，無人機(jī)導(dǎo)地線設(shè)備對(duì)于點(diǎn)電荷的傳輸能力得到了一定程度的促進(jìn)；

2）基于多傳感器巡視技術(shù)模型能夠?qū)⑹Ｓ喙?yīng)電量安全且快速地轉(zhuǎn)移至地下環(huán)境之中，與傳統(tǒng)IMU 冗余補(bǔ)償算法相比，這種新型巡視方法具備較強(qiáng)的實(shí)際可行性。

4 結(jié)束語

新型無人機(jī)自主導(dǎo)地線巡視模型以多傳感器配準(zhǔn)原則為基礎(chǔ)，對(duì)已獲取的無人機(jī)電量供應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行按需處理，又根據(jù)電信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，將整個(gè)作業(yè)域環(huán)境劃分成多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考區(qū)間，不但能夠精準(zhǔn)定義各級(jí)巡檢節(jié)點(diǎn)，也可以得到符合應(yīng)用需求的電信號(hào)敏感性分析結(jié)果。從實(shí)用性角度來看，在這種新型巡視模型的作用下，無人機(jī)導(dǎo)地線設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)所傳輸?shù)狞c(diǎn)電荷數(shù)量水平明顯增大，能夠在較短時(shí)間內(nèi)將剩余供應(yīng)電量安全轉(zhuǎn)移至地下環(huán)境中，與傳統(tǒng)IMU冗余補(bǔ)償算法相比，具有更強(qiáng)的可行性價(jià)值。