基于電池實時電量的無人機電池分配策略

廣東電網有限責任公司東莞供電局 鄭安然 周智明 陳志明 田旦瑜 陳庚 羅艾珂

1 引言

目前無人機已在電力行業內廣泛應用，工作人員在后臺機下達巡視任務后，無人機與機巢配合就可以自動完成包含充電、起飛、巡視、降落全過程[1-2]。無人機機巢是無人機遠程精準起降平臺，即自動儲存無人機，自動拆裝電池，自動完成電池充電等功能，同時與無人機后臺機互通實現數據互聯。每次巡視任務開始前機巢中的機械臂會從電池充電位抓取電池裝入無人機[3]，然而每次裝設電池后都需要工作人員人工判別電池電量是否滿足本次巡視任務要求，當電池電量不足時人工下達更換電池指令，電池的反復拆裝不僅消耗大量時間，并且人工判別電池電量也引入人工干預，制約無人機巡視向全自動的方向發展。因此研究一種自動的無人機電池分配策略具有重要意義。

2 目前的無人機電池裝配方法

以廣東電網有限責任公司東莞供電局松山湖巡維中心使用的無人機機巢為例，機巢的電池裝配組件包括機械臂和4個電池充電位（一號位、二號位、三號位、四號位），可同時為4 個無人機電池充電。當工作人員在后臺機下達無人機巡視任務后，機巢收到后臺機指令，利用PLC 控制機械臂自動給無人機裝設電池，然而當前的電池選擇與安裝存在兩個問題，從而導致無人機電池安裝后電池電量不滿足該巡視任務要求的情況的發生。一是電池安裝進無人機之前，無法觀察到當前電池的電量，僅在電池安裝進無人機后由工作人員后臺檢查電池電量能否滿足該飛行任務，然后在后臺機發布更換電池指令，需要工作人員人工判斷該電池電量。二是機械臂每次只會自動抓取一號位的電池，只有當一號位電池安裝進無人機并且工作人員在后臺機上手動下達“電池拆卸”“電池裝載”的指令后，才會拆下電池，抓取二號位的電池，再次安裝完畢并人工下達命令后，才會抓取三號位電池，這樣會出現輪流裝拆完全部4 塊電池但均無法滿足任務要求的情況，花費大量時間并且巡視任務被迫中止，當前的無人機電池裝配方法無法直接抓取電量滿足要求的電池，反復拆裝電池耽誤了大量時間，嚴重影響無人機全自動化巡視，降低巡視效率。

3 無人機電池自動分配策略

為了解決傳統的電池分配方法電池電量不直觀、人工干預多的問題，提出一種基于電池實時電量的無人機自動電池分配策略，通過加裝電池電量讀取模塊、優化電池充電配置，在分配電池前自動讀取各電池電量，配置更精確的電池耗電量計算方法。基于巡視點位對任務所需電量進行修正，將各電池電量與任務所需電量對比判別，從而使分配的電池電量滿足無人機巡視任務要求。無人機控制界面上的“電池裝拆”指令按鈕如圖1所示，無人機電池裝配流程如圖2所示。

圖1 無人機控制界面上的“電池裝拆”指令按鈕

圖2 無人機電池裝配流程

3.1 配置要求

3.1.1 電量讀取模塊

新的無人機電池自動分配策略在原有的4 個機巢電池充電位上加裝電量讀取模塊，該模塊可讀取各個電池的實時電量并回傳至后臺機，從而可以直接在后臺機上基于電池的實時電量判斷是否有滿足無人機巡視任務需求的電池。

3.1.2 優化電池充電位

新的無人機電池自動分配策略要求機巢機械臂能夠方便抓取任意充電位電池。原有的電池位從上到下等距排列，原有的電池充電位排列如圖3所示。機械臂方便抓取一、二號位電池，但距離三、四號位行程較遠，不便抓取，因此需要對原有的充電位進行改造，改造方法是將一、二號位充電位并列裝設在上排，三、四號充電位并列裝設在下排，改造后的充電位更加集中，機械臂能夠隨意抓取任意充電位電池。

圖3 原有的電池充電位排列

3.2 基于巡視點位的電池耗電量修正

傳統的無人機巡視任務耗電量由無人機內嵌程序計算，內嵌程序會基于用戶要求的飛行距離和飛行速度和當天的氣象情況等因素，自動計算無人機飛行耗電量作為無人機巡視任務耗電量。無人機執行巡視任務的耗電量由飛行耗電和巡視點位耗電兩部分共同組成，這種巡視任務耗電量計算方法主要考慮的是無人機飛行途中的耗電量。當巡視點位較少時，無人機巡視任務耗電量約等于飛行耗電量，此時計算結果較為準確。當無人機巡視點位較多時，由于需要長時間懸停、對特定點位進行多角度成像并回傳圖像，會消耗額外電量，使得巡視點位耗電量占比增大，因此傳統的電量計算方法算出的電量不準確，甚至會發生很大的偏差，需要對電池耗電量修正。

基于任務點位的電池耗電量修正主要流程包括以下步驟。一是工作人員在無人機后臺機下達巡視任務。二是后臺機解析該巡視任務包含的巡視點位數量n。三是基于單個巡視點位耗電量q計算總的巡視點位耗電量ΔQ，其中單個巡視點位耗電量q是之前的試驗中得到的無人機對于單個巡視點位耗電量最大值。四是基于總的巡視點位耗電量ΔQ對無人機內嵌程序計算的無人機飛行耗電量Qf進行修正。

無人機飛行耗電量Qf、巡視點位耗電量ΔQ以及巡視任務的電池耗電量X 計算公式（1）、（2）、（3）如下：

式中：d 為該任務的距離；v為無人機飛行速度；w為風速；f為無人機飛行耗電函數。

3.3 電池自動分配策略

系統軟件部分主要流程包括以下步驟。一是當工作人員在無人機后臺機下達巡視任務后，后臺機自動計算完成該巡視任務的電池電量X，并留出20%的裕度；如果1.2X 大于等于100%，則令該任務所需電池電量為電池滿電（100%）；如果1.2X小于100%，則令該任務所需電池電量為1.2X。二是將機巢中當前所有電池的電量從高到低進行排序，對比第1名（若存在多個電池電量相等并列第1的情況，則從中隨機選取任意一個）電池電量是否大于該任務所需電池電量。如果第1 名電池電量大于1.2X，則立即執行飛行任務。選取第1 名的電池作為本次任務選定電池，定位電池電量第1 名的電池所在的充電位，后臺機給機巢機械臂下達抓取該電池的指令；如果第1 名電池電量小于等于1.2X，則等待用戶判別是否執行飛行任務。三是基于該電池當前實時電量與充電功率，計算出該電池電量達到1.2X 所需的時間t，后臺彈窗至用戶選擇界面“當前所有電池均無法滿足要求，最快還需要時間t，是否在時間t后電池充電完成后自動開始飛行？”，并提供“是”和“否”兩個選擇按鈕。若工作人員選擇“是”，則稍后執行飛行任務。等待時間t后，執行飛行任務。選取第1名的電池作為本次任務選定電池，定位電池電量第1 名的電池所在的充電位，后臺機給機巢機械臂下達抓取該電池的指令；若用戶選擇“否”，則取消本次飛行任務，上述新的無人機電池裝配流程如圖4所示。

圖4 新的無人機電池裝配流程

對新電池分配策略與原有電池分配策略的人工干預次數與電池裝配時間進行統計與對比，新舊電池分配策略的人工干預次數如表1所示，新舊電池分配策略的電池裝配時間如表2所示。由表1與表2可知，采用新策略后人工干預次數及電池裝配時間大幅度下降，新策略在4 種電池電量場景下的人工干預次數都為0，綜合5種電池電量場景下的平均干預次數降低97%，電池裝配時間由原本的1～5min降低至0.5min，平均電池裝配時間降低84%，顯著縮短電池裝配時間，提高無人機的巡視效率。

表1 新舊電池分配策略的人工干預次數(單位：次)

表2 新舊電池分配策略的電池裝配時間(單位：s）

4 結語

本文提出了一種基于電池實時電量的無人機自動電池分配策略，通過加裝電池電量讀取模塊，在分配電池前讀取各電池電量，配置更精確的電池耗電量計算方法，基于巡視點位對任務所需電量進行修正，將各電池電量與任務所需電量進行對比判別，使分配的電池電量滿足無人機巡視任務要求。該策略與原有電池分配策略相比人工干預程度大幅度降低，軟件自動判別取代人工判斷，使得無人機巡視過程時間顯著縮短，節約大量巡視時間的同時可以掃除限制無人機巡視全自動的最后一環，有助于無人機巡視在電力行業的深度應用。