油浸式變壓器微型仿生魚導航定位技術綜述

賀欣　張應田　劉力卿　栗薇　于洋

摘 要：在微型仿生魚檢測過程中，實現(xiàn)微型仿生魚位姿的準確定位是仿生魚任務完成的關鍵。本文通過對常用水下航行器導航定位技術的優(yōu)缺點進行分析，為油浸式變壓器微型仿生魚的定位導航技術研究提供借鑒。

關鍵詞：變壓器;微型仿生魚;導航定位技術

中圖分類號：TM411 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0051-02

Survey on Navigation and Positioning Technology of Micro-Bionic

Fish for Oil-immersed Transformer

HE Xin1 ZHANG Yingtian1 LIU Liqing2 LI Wei2 YU Yang2

（1.Tianjin Electric Power Technology Development Limited，Tianjin 300384;2.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300384）

Abstract： In the process of Micro-Bionic fish detection， accurate positioning of Micro-Bionic fish posture is the key to complete the task of bionic fish. In this paper， the advantages and disadvantages of navigation and positioning technology of common underwater vehicle were analyzed， which could provide reference for the research of positioning and navigation technology of Micro-Bionic fish in oil-immersed transformer.

Keywords： transformer;miniature bionic fish;navigation and positioning technology

大型電力變壓器額定容量大、電壓等級高，是電網的核心設備。據統(tǒng)計，絕緣性能劣化是導致電氣設備發(fā)生的故障的主要原因[1]。目前，局部放電監(jiān)測是判斷電氣設備絕緣故障的常用手段。但由于變壓器的封閉性，并且其內部結構復雜，局放監(jiān)測難以對變壓器內部放電的類型、位置以及嚴重程度進行準確判斷[2]。微型仿生魚體積較小，可通過變壓器注油管道直接進入變壓器本體，對其內部絕緣表面上的碳痕進行觀測，能夠準確判定變壓器內部絕緣的故障位置及劣化程度[3]。

大型變壓器內部結構復雜，體積較大，變壓器微型仿生魚在檢測過程中，實現(xiàn)其位姿準確定位是仿生魚任務完成的關鍵。由于變壓器由金屬外殼完全密封，難以采用常規(guī)的傳感器（激光雷達、視覺相機、GPS等）對微型仿生魚的位姿進行定位，因此，變壓器油中微型仿生魚的定位可參考水下航行器的一些定位方法。

1 水下導航定位技術研究現(xiàn)狀

由于電磁波在水中傳播衰減較大，高精度GPS信號常常無法直接用于水下導航定位。為此，非衛(wèi)星水下導航技術成為研究熱點，常用的定位方法主要有慣性導航、地形輔助導航、重力場匹配導航和聲學導航等多種方式。

1.1 慣性導航技術

慣性導航定位技術能在不與外界通信的情況下進行連續(xù)三維空間定位，屬于自主導航定位技術的一種[4]。與衛(wèi)星導航、天文導航相比，慣性導航定位技術具有自主、隱蔽、載體信息獲取完備等優(yōu)點。但是，隨著時間推移，慣性導航定位技術容易產生積累誤差，存在原理性缺陷。因此，為了能進行長時間高精度導航定位，需要利用外界位置信息周期性地對慣性導航進行調整和校正[5，6]。

1.2 地形輔助導航技術

地形輔助導航技術能利用地形高程特征信息，輔助慣性導航系統(tǒng)對飛機、潛艇、導彈等進行精確導航[7]。目前，地形輔助導航技術在飛機、導彈上的應用已經較為成熟。對于水下航行器，利用水下航行器所處位置的水深信息作為高程特征信息。在運動過程中，水下航行器利用水深傳感器實時探測其所在位置的水深信息（實時序列），并利用INS提供的水下航行器位置，在預先存儲的數(shù)字地形扇程數(shù)據庫中提取出相應的地形高程數(shù)據（基準序列），將實時序列與基準序列進行匹配得到水下航行器的匹配軌跡，利用匹配軌跡修正慣性導航系統(tǒng)的解算軌跡，從而對慣性導航系統(tǒng)的時間積累誤差進行校正。

地形匹配算法是地形輔助導航系統(tǒng)的核心，算法性能的優(yōu)劣直接影響導航系統(tǒng)的精度[8]。常用的地形匹配算法主要有以下幾種。第一，采用批相關處理技術的地形輪廓匹配系統(tǒng)，該方法能在事先規(guī)劃好的地形匹配區(qū)上周期地、連續(xù)地進行地形高程匹配定位，并同時修正主慣性導航系統(tǒng)的位置誤差，主要應用于巡航導彈的導航;第二，采用遞推濾波技術的桑迪亞慣性地形輔助導航系統(tǒng)，該方法能進行連續(xù)和逆推的地形高程匹配定位，同時修正主慣性導航系統(tǒng)的位置誤差，主要用于戰(zhàn)斗機的導航。

1.3 重力場匹配導航技術

重力場匹配導航技術是一種新型無源導航技術，主要利用航行器重力儀測量所處位置的重力場特征信息，并將測得的信息與預先構建好的重力場背景圖進行匹配，在此基礎上，利用匹配算法計算航行器的位置。重力場匹配導航系統(tǒng)包括重力儀、重力圖和重力場匹配定位算法。目前，水下重力場分辨率已經達到2′×2′以內，這給高精度重力匹配導航提供了可能性[9]。

1.4 聲學導航定位技術

由于聲波信號比電磁波信號在水中能傳播更遠的距離，聲學導航定位技術也是水下導航的重要手段。聲學導航定位通過在水下鋪設應答器基陣，并根據聲信號在航行器與應答器之間傳播的特性，計算航行器距應答器的位置。聲學導航定位技術精度高，無累積誤差，但需要提前鋪設應答基陣，設備成本較高[10]。

2 結語

單一水下導航技術各有優(yōu)缺點。變壓器的金屬外殼完全密封，變壓器內部無光照，且地球重力場難以進入，因此，難以采用常規(guī)的傳感器（激光雷達、視覺相機、GPS、重力儀等）對微型仿生魚的位姿進行定位，且由于變壓器微型仿生魚法發(fā)出的超聲信號會經過變壓器油和外殼進行傳播，傳播路徑較復雜，對超聲定位傳感器的布置造成較大困擾。為此，本文擬將基于聲-電位姿定位和慣性導航相結合，以用于微型機器人的導航定位。

參考文獻：

[1]李儉，孫才新，陳偉根，等.灰色聚類與模糊聚類集成診斷變壓器內部故障的方法研究[J].中國電機工程學報，2003（2）：112-115.

[2]翟季青，劉志清.變壓器故障診斷的綜述[J].電力設備，2003（6）：60-61.

[3]黃榮輝，馮迎賓，李勛，等.基于WiFi遙控的油浸式變壓器內部檢測機器人研究[J].機械工程師，2017（6）：73-76.

[4]呂余海.激光測角技術在艦載機慣導動基座對準中的應用研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[5]張逸群.水下航行器的地形匹配算法研究[D].南京：東南大學，2009.

[6]陳小龍.AUV水下地形匹配輔助導航技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[7]楊繪弘.基于ICCP的水下潛器地形輔助導航方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[8]劉承香.水下潛器的地形應配輔助定位技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.

[9]黃揚明.高精度捷聯(lián)式航空重力儀誤差估計方法研究[D].長沙：國防科學技術大學，2013.

[10]尹偉偉，郭士犖.非衛(wèi)星水下導航定位技術綜述[J].艦船電子工程，2017（3）：8-11.