電力巡查吊艙雙光傳感器重心補償方法設計

杜偉，劉寧，方平凱，周立存，孫鴻博

（國網通用航空有限公司，北京 100000）

吊艙型雙光傳感器是電力巡查作業中的關鍵應用元件之一，能夠準確記錄各個巡查節點所處的實際位置，并將記錄結果以傳感信息的形式反饋回核心電網主機元件中。

隨著電力巡查作業任務量的增大，傳感器結構中存儲的數據信息參量值也會不斷增加，此時信息文件間會出現明顯的覆蓋情況[1]。因此，為保證吊艙型雙光傳感器的穩定工作能力，相鄰巡查節點的間隔距離不宜過近，一方面可為數據信息文件提供足夠長的傳輸與反饋時間，另一方面也能夠適當抑制數據信息參量之間的覆蓋與替代影響。

在吊艙雙光傳感器執行電力巡查作業的過程中，由于內、外力負載作用的存在，傳感器元件自身的運動行為會受到一定程度的影響，此時結構體重心節點會出現嚴重的過度偏轉情況[2]。

為解決上述問題，傳統三相交錯型處理方法通過統計重心運動軌跡的方式，建立完整的統計學模型，再根據重心節點單位運動步長值的變化，確定當前偏轉行為的嚴重程度[3]。然而此方法對于外力負載作用的抵抗能力較強，而在內力負載方面的實用性相對有限，并不能完全滿足實際應用需求。

為避免上述情況的發生，提出一種新型的電力巡查吊艙雙光傳感器重心補償方法。

1 重心標注

1.1 傳感器作業空間

電力巡查吊艙雙光傳感器通常是三維空間中具有自由運動能力的剛體結構元件，因此，電網主機需要同時對傳感器設備所處位置及其姿態表現形式進行控制。

傳感器基座往往安裝于固定表面之上，所以在重心節點不斷變化的情況下，雙光傳感器元件所對應的電力巡查作業空間也會有所不同[4-5]。

為實現對重心節點的全局化補償，傳感器作業空間往往只針對一個參考坐標系而存在。簡單來說，就是所有重心表現姿態坐標的取值都只屬于同一個物理集合。

假設P1、P2表示兩個不重合的重心節點，其中P1的坐標為(x1,y1,z1)，P2的坐標為(x2,y2,z2)。聯立上述物理量，可將電力巡查吊艙雙光傳感器的作業空間KP表示為：

式中，α1表示橫坐標標記系數，δ1表示縱坐標標記系數，?1表示空間坐標標記系數。在同一電力巡查作業空間中，兩個吊艙雙光傳感器重心節點所處位置始終不會重合。

1.2 重心運動軌跡

重心運動軌跡標注了吊艙雙光傳感器重心節點的運動路徑。在電力巡查作業空間中，軌跡曲線的斜率值越大，表明重心節點的偏移量越大。在不考慮其他干擾條件的情況下，重心運動軌跡標注結果同時受到運動偏轉角、起始運動位置、運動終止位置三項物理指標的直接影響[6-7]。

若?表示電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點的運動偏轉角，則可認為在連續運動過程中，該物理夾角的余弦值cos?能夠描述重心節點的運動偏轉能力。假設E0表示雙光傳感器重心節點的起始運動位置，En表示重心節點的運動終止位置，n表示重心節點在整條軌跡中的運動偏轉次數。在上述物理量的支持下，聯立式（1），可將重心運動軌跡表達式定義為：

其中，λ表示電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點處的運動行為項。對于電力巡查吊艙雙光傳感器而言，其重心運動軌跡始終不會超出作業空間覆蓋范圍而獨立存在。

1.3 運動步長值

在對電力巡查吊艙雙光傳感器重心的補償處理過程中，需參考重心節點的運動步長值。在已知重心運動軌跡的前提下，應盡量保證在同一標定空間內布置最少的巡查節點，或在巡查節點布置數量相同的情況下，不斷向外擴張重心節點的運動空間。

從理論層面來說，傳感器重心的運動步長值越短，表明所設置巡查網絡越密集。這種情況下，電力主機能夠對雙光傳感器運動行為進行細致監測；相反，若傳感器重心的運動步長值越長，則表明所設置巡查網絡越稀疏。這種情況下，電力主機對雙光傳感器運動行為的監測較為籠統，但整體覆蓋面積較大[8-9]。因此，在對雙光傳感器重心進行補償處理時，應根據具體的電力巡查作業要求，選取與之相對應的運動步長值指標。具體計算表達式如下：

式中，β表示雙光傳感器重心節點的運動行為判別指標，χ表示巡查節點的布置數量值，f表示重心節點擴張系數，ε表示運動行為判別指征，表示電力巡查作業中雙光傳感器重心節點的運動特征。

一般來說，電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點的擴張能力越強，運動步長值的計算數值也就越大。

2 重心標注誤差補償

2.1 標注參數冗余性分析

在電力巡查作業過程中，由于雙光傳感器重心節點所處位置始終保持變動狀態，所以每一個標注指標的取值結果都具備一定的冗余性[10]。

冗余性就是指在實際運動過程中，重心節點所處位置并不是完全固定的，其所在位置應是一個絕對區間，且在該區間中，兩個節點的取值結果不可能完全相同。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償，應對既定冗余參數進行剔除處理，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空間、重心運動軌跡等條件的情況下，可對冗余參數進行規劃處理。其中，冗余性較強的部分需直接剔除，而冗余性較弱的部分則可作為后續誤差系數標定、補償差值計算步驟的準備數據[11]。

2.2 誤差系數標定

由于在電力巡查吊艙雙光傳感器重心補償方法設計的過程中，不存在明顯的建模處理環節。因此，必須在已知標注參數冗余性的基礎上，對關鍵誤差系數指標進行標定處理[12]。誤差系數標定大體上可以理解為是對冗余參數剔除準確性的分析。簡單來說，就是在既定作業空間中，規定多個誤差系數指標作為核心計算項，并聯合已知的補償處理原則，實現對指標參量數值的準確計算[13-14]。

假設wmax表示待剔除冗余參數指標的最大值，wmin表示冗余參數指標的最小值，g1、g2表示兩個不同的誤差值標度指標，ξ表示誤差規律表達項。在上述物理量的支持下，聯立式（3），可將誤差系數標定表達式定義為：

對于電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點而言，誤差系數標定原則有助于區分外力負載和內力負載對節點運動行為造成的影響，這也是抑制重心節點出現過度偏轉行為的關鍵計算環節。

2.3 補償差值計算

補償差值指標直接決定了電力巡查吊艙雙光傳感器重心補償方法的實際應用價值。在已知標注參數冗余性能力、誤差系數值水平的基礎上，可以認為該指標參量的數值水平越接近實際應用標準，傳感器重心節點出現過度偏轉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點不出現過度偏轉行為，補償差值指標的計算結果不易過大。

3 實例分析

為了驗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驗對象，在確保其重心節點與豎直運動結構保持水平的前提下開始實驗。

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算機元件與RCM 結構相連，然后控制電力巡查吊艙大臂、小臂，使豎直結構的運動形式與電力巡查需求保持一致，將所得數據信息作為實驗組變量；再將搭載傳統三相交錯型處理方法的計算機元件與RCM 結構相連，再次控制大臂、小臂，使豎直結構的運動形式與電力巡查需求保持一致，將所得數據信息作為對照組變量。

外力負載、內力負載作用均能對電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點的運動行為造成影響。一般來說，在力學負載作用下，重心節點最終所處位置與其初始位置之間的物理距離越大，則表示重心節點的偏轉行為越明顯（已知當間隔距離超過25 cm 時，電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點會出現過度偏轉行為）。

圖3 反映了在單純外力負載的作用下，實驗組、對照組重心節點間隔的數值變化情況。

圖3 外力負載下的重心節點間隔

分析圖3 可知，在單純外力負載作用下，實驗組、對照組重心節點間隔的物理差值水平相對較小。在外力負載作用處于0.3～1.5 N 時，實驗組重心節點間隔數值始終等于13.4 cm；在外力負載作用處于1.5～2.4 N 時，實驗組重心節點間隔數值不斷增大。當外力負載作用處于0.3～1.2 N 時，對照組重心節點間隔數值的存在狀態相對波動，但其均值水平基本與實驗組相等；當外力負載作用處于1.2～2.4 N 時，對照組重心節點間隔數值也不斷增大。

圖4 反映了在單純內力負載的作用下，實驗組、對照組重心節點間隔的數值變化情況。

圖4 內力負載下的重心節點間隔

分析圖4 可知，在單純內力負載作用下，實驗組重心節點間隔數值始終保持不斷波動的變化狀態，其最大值只能達到21.9 cm。對照組重心節點間隔數值則保持連續上升的變化狀態，當內力負載達到2.0 N 時，對照組重心節點間隔數值就已經超過25 cm，其全局最大值更是達到了30.8 cm，遠高于實驗組極值水平。

該次實驗結果如下：

1）在外力負載作用下，該文方法與傳統的三相交錯型處理方法均能較好控制重心節點的間隔數值，從而避免電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點出現過度偏轉的情況。

2）在內力負載作用下，傳統三相交錯型處理方法對于重心節點間隔數值的控制能力較弱，其最大間隔數值超過了25 cm；而該文方法依然可以較好地控制重心節點間隔數值，從而有效解決重心節點過度偏轉的問題。

4 結束語

電力巡查吊艙雙光傳感器重心補償方法在傳感器作業空間內，通過標注重心運動軌跡的方式，求解運動步長的具體數值，又聯合誤差系數與補償差值，對標注參數的冗余性進行準確分析。

從實用性角度來看，在該文方法的作用下，重心節點間隔在外力負載、內力負載作用下，均可以保持相對較小的數值水平，這對于避免電力巡查吊艙雙光傳感器重心節點出現過度偏轉的情況，能夠起到較強的促進作用。