基于多傳感器的無人機自主導(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，對無人機飛行器設(shè)備而言，導(dǎo)地線負責將剩余供應(yīng)電量轉(zhuǎn)移至地下環(huán)境之中。在實際應(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)值等指標參量取值結(jié)果不同，導(dǎo)地線組織對傳輸電量的轉(zhuǎn)存能力會有所不同[1]。一般來說，隨著無人機作業(yè)任務(wù)的進行，供應(yīng)電信號的累積量也會增多，此時導(dǎo)線組織傳輸電量的轉(zhuǎn)移能力，將決定無人機設(shè)備實際飛行效果。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)線裝置能夠暫時抵御電信號的攻擊行為，使無人機設(shè)備在短時間內(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度、電流強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，特別是對無人機供電體系來說，多傳感器模式更能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸電量信號的準確檢測[3]。為促進無人機實際飛行能力，傳統(tǒng)IMU 冗余補償算法借助單一傳感器元件記錄無人機設(shè)備的實際行進狀態(tài)，再借助導(dǎo)航主機對所記錄信息深度分析[4]。然而，該方法并不能充分發(fā)揮無人機導(dǎo)地線的點電荷傳輸能力，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自主導(dǎo)地線巡視方法。

1 量測數(shù)據(jù)預(yù)處理

無人機量測數(shù)據(jù)預(yù)處理包含多傳感器配準原則構(gòu)建、無人機電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取、電信號檢測三個執(zhí)行環(huán)節(jié)。

1.1 多傳感器配準原則構(gòu)建

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

設(shè)r0表示無人機剩余供應(yīng)電量信號的初始傳輸位置，rn表示終止傳輸位置，n表示電量信號傳輸行為項指標，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，將多傳感器配準原則定義為：

1.2 無人機電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取

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

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

式中，q1、q2表示兩個不同的電量信號供應(yīng)系數(shù)。在已知無人機電量供應(yīng)數(shù)據(jù)獲取結(jié)果前提下，多級傳感器設(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 電信號檢測

電信號檢測是對無人機自主導(dǎo)地線內(nèi)的剩余供應(yīng)電量檢測，能夠決定多傳感器巡檢技術(shù)模型實用性價值，感應(yīng)主機能獲取的無人機電量供應(yīng)數(shù)據(jù)越多，最終所得電信號檢測結(jié)果越符合實際應(yīng)用需求[9-10]。

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

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

2 無人機自主導(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)點安置在同一物理區(qū)間內(nèi)[11-12]。

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

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

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

2.2 巡視節(jié)點定義

在作業(yè)域環(huán)境中，各級傳感器設(shè)備所處連接位置不完全固定，為使無人機自主導(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各類巡視節(jié)點進行定義[13]。假設(shè)原節(jié)點所處位置不改變，最末端節(jié)點到原節(jié)點間的巡視距離也不會發(fā)生改變，則可認為待轉(zhuǎn)移的剩余供應(yīng)電量越多，傳感器元件內(nèi)所累積的巡視信號量越大。

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

對各級傳感器設(shè)備元件而言，只有在已知巡視節(jié)點定義的條件下，才能實現(xiàn)無人機自主導(dǎo)地線內(nèi)剩余供應(yīng)電量信號安全轉(zhuǎn)移[14]。

2.3 電信號敏感性分析

電信號敏感性分析是無人機自主導(dǎo)地線巡視算法搭建的末尾設(shè)計環(huán)節(jié)，在已知巡視節(jié)點定義條件的情況下，若將電信號敏感性能力作為恒定變量條件，則可認為導(dǎo)地線組織對于電量信號的容納能力越強，最終所得巡視指令的實用性能力也就越強[15-16]。設(shè)kˉ表示單位時間內(nèi)的供應(yīng)電量信號轉(zhuǎn)移均值，b1、b2表示兩個不同的電量信號容納指標，且在多傳感器配準原則的作用下，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），可將電信號敏感性分析結(jié)果表示為：

至此，實現(xiàn)對各項指標參量的計算與處理，在各級傳感器設(shè)備元件的支持下，完成基于多傳感器的無人機自主導(dǎo)地線巡視技術(shù)研究。

3 實例分析

為突出基于多傳感器的無人機自主導(dǎo)地線巡視算法、傳統(tǒng)IMU 冗余補償算法的實用差異性，設(shè)計如下對比實驗。具體實驗流程如下：

步驟一：選取圖1（a）中的無人機設(shè)備作為實驗對象。在其進入穩(wěn)定飛行狀態(tài)后，對導(dǎo)地線內(nèi)的電信號傳輸行為進行調(diào)試，如圖1（b）所示。

圖1 實驗環(huán)境

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

圖2 剩余供應(yīng)電量信號檢測

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

步驟四：對比實驗組、對照組變量數(shù)據(jù)。

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

表1 記錄了實驗組、對照組無人機導(dǎo)地線設(shè)備對于點電荷傳輸能力的數(shù)值對比情況。

表1 點電荷傳輸能力

分析表1 可知，在理想情況下，點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，整個實驗過程中，其最大數(shù)值達到了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)。

實驗組點電荷的傳輸量在整個實驗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。

對照組點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)，整個實驗過程中，其最大數(shù)值僅能達到6.0×109C 與理想最大值6.8×109C 相比，下降了0.8×109C，遠低于實驗組極值水平。

綜合上述研究結(jié)果可得出實驗結(jié)論如下：

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

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 冗余補償算法相比，這種新型巡視方法具備較強的實際可行性。

4 結(jié)束語

新型無人機自主導(dǎo)地線巡視模型以多傳感器配準原則為基礎(chǔ)，對已獲取的無人機電量供應(yīng)數(shù)據(jù)進行按需處理，又根據(jù)電信號的實時檢測結(jié)果，將整個作業(yè)域環(huán)境劃分成多個標準參考區(qū)間，不但能夠精準定義各級巡檢節(jié)點，也可以得到符合應(yīng)用需求的電信號敏感性分析結(jié)果。從實用性角度來看，在這種新型巡視模型的作用下，無人機導(dǎo)地線設(shè)備在單位時間內(nèi)所傳輸?shù)狞c電荷數(shù)量水平明顯增大，能夠在較短時間內(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冗余補償算法相比，具有更強的可行性價值。