基于北斗定位的電力機器人位移測試實驗

聞予彤，李其霖，劉飄，李頌羽，葉思琪，王智東*

（1.華南理工大學電力學院，廣州 510000；2.廣東電網有限責任公司東莞供電局，東莞 528000）

引言

新型電力系統背景下，傳統電力系統朝著更加智能化、數字化的方向發展，更多信息技術應用到電力領域。電力機器人作為其中的新興力量，正在逐步深化在電力巡檢等領域的應用，極大地推動了電網日常運營與維護的便利性。

隨著電力機器人的深化應用，尤其電網結構復雜、電磁干擾強、線路經過的地形多樣化，甚至工作于電纜溝等地下工作環境。在復雜工作狀況下，如果電力機器人的位移出現偏差，不但可能導致電力設備損壞，還有可能導致電力機器人卡住或者傾覆，無法繼續執行任務。這就對電力機器人的行經路徑記錄和位移的準確性和精度提出了更高要求[1]。

隨著我國自主研發的北斗衛星定位系統的發展，北斗技術具有的定位精準度高、使用方便、不存在信息安全后門等優點更加突出[2]，本論文將利用北斗定位技術，研究電力機器人位移精準性的測試方法。該方法通過接收電力機器人在運行過程中經過關鍵位置的北斗信息，以電力機器人路徑關鍵點的經緯度為坐標與規劃路徑對比，可以在運行過程中實時調整電力機器人位移精度，提高電力機器人的位移準確性，避免電力機器人在強電環境中碰到帶電物體導致觸電，造成自身或者其他設備損毀，也可以避免在地下電纜溝等特殊工作環境中路徑受阻，無法繼續執行工作任務的情況發生，大大提高了電力機器人的可靠性。

1 北斗技術

北斗技術是我國自主研發的衛星定位系統，能夠提供精準的定時和定位功能，不存在信息安全后門以及關鍵時刻無信號等安全隱患，尤其適合于電力等關乎國計民生的行業，其具有以下明顯優勢：

1）具備功能強大的衛星定位能力，并以串行異步方式（UART）等經典通信方式提供給設備方便使用，同時提供秒脈沖便于對時。

2）覆蓋范圍大，不存在通訊盲區。在電網運營范圍內，做到全范圍服務，在未來會隨著電網的發展擴展到更加廣大的地區。

3）使用精密授時，可以根據不同需要，采用一級（秒級）、二級（毫秒級）、三級（微秒級）、四級（納秒級）等不同授時精度，做到時空數據精確計量。

4）具有獨有的短報文通信技術，可以在特殊情況下進行緊急通信。

1.1 北斗應用與接口

當前北斗功能多以模塊化嵌入到設備中，其結構框圖如圖1 所示。設備只需要配備天線，便可以接收北斗信號，接收到的信號數據采用通用串行異步方式進行傳輸，與當前經典的RS485/RS422/RS232 等常見通信接口兼容，方便使用。

圖1 北斗定位模塊結構框圖

圖2 北斗短報文示例

北斗數據傳輸格式采用波特率不低于4 800 bps，并且發送設備和接收設備應該能夠調整一致。[3]北斗數據傳輸格式如圖1 所示，由10 位數據構成。其中第1 位和第10 位分別是起始位與停止位，位于中間的8 位則是以最低有效位在前，最高有效位為零的原則排列的數據位。

1.2 短報文

北斗短報文是北斗信號處理過程中的核心，用于標準所接收到的經緯度等信息。短報文由“$”起始界定符開始，以““回車符””換行符結束，并且最少包含一位字段數。在“$”之后的是格式ID[4]，用于識別發送報文格式信息，如北斗信號采用的格式ID 為“GNRMC”，表示后續報文依次為UTC 時間，報文狀態，經緯度，方位角，磁偏角與方向等。語句的其余部分可以是若干個數據段，如表1 所示。

表1 北斗報文語句

接下來以一個原始數據作為例子解讀：

“070937”為UTC 世界時間，也就是7 時9 分37 秒，需要注意的是UTC 為世界時間，實際應用時通常需要轉換為中國時間，該數值還需加上8 個小時才是中國時間，換算過來也就是15 時9 分37秒；”A”表示定位有效；”2309.52415，N”代表北緯23 ° 9.52415 ′；”11320.35121，E”代表東經113 °20.35121′；”0.315”代表航向角，本實驗暫時不需要此數據，可以忽略；”051023”表示23 年10 月5 日。

2 基于北斗的機器人位移測試方法

為了讓電力機器人在復雜工況下進行準確、高效的作業，將北斗功能集成到電力機器人，來指導電力機器人精準位移。當電力機器人移動時，電力機器人同時可以接收到北斗信號，并在關鍵位置輸出經緯度等核心信息，記錄電力機器人在關鍵運行軌跡的位置，可以有效分析規劃軌跡和實際運行軌跡的偏差。

2.1 物理平臺

集成了具備北斗功能的電力機器人將沿著規劃路徑進行模擬巡線作業，途中在規劃路徑的關鍵設置了若干個打卡點，通過在打卡點接收北斗信號的經緯度信息，與預定路徑做比較，分析電力機器人位移精度。

當機器人到達打卡點1 附近時，如圖3 所示，電力機器人接收記錄當前經緯度位置的北斗GNSS 報文。考慮到每次所接收到的北斗報文經緯度會有一定的偏差，本文采用在同一個關鍵位置多次接收北斗報文的方法。這樣一方面避免由于北斗芯片接收到的衛星信號較弱而接收到無效報文，另一方面可以統計同一位置的北斗信號誤差，通過數據處理得到更準確的經緯度位置。

圖3 電力機器人位移測試原理圖

圖4 設備1 數據

圖5 設備2 數據

圖6 測試位置谷歌地圖定位

假設電力機器人到達打卡點1 位置時，接收n 個北斗GNSS 報文，形成對應的經緯度數組（A1、A2……An）。當電力機器人到達打卡點2位置時，記錄下打卡點2位置的經緯度（B1，B2……Bn），以此類推。通過電力機器人前行路徑所獲得的實際經緯度，我們就可以得到電力機器人的實際運動路徑，從而計算分析電力機器人實際運動軌跡，并可以定量分析與規劃運動軌跡的偏移幅值。并可以進一步對機器人進行實時控制與微調，使得其運動軌跡更加貼合設定路徑，達到最好的巡線效果。

2.2 數據處理

電力機器人前行路徑關鍵位置所形成的經緯度數組{A1，A2，A3，……，An}，{B1，B2，B3，……，Bn}等，每組經緯度數組數據理論上應該一樣，由于北斗衛星自身定位精準度的原因，實際上每組經緯度數組數據可能存在一定偏差，首先進行同一位置的經緯度數組數據清洗，剔除無效數據或是偏差較大的數據，保證同一位置的經緯度數據偏差較小。

2.2.1 數據清洗

考慮到同一位置經緯度數據的隨機誤差服從正態分布，根據概率統計理論知識[5]，誤差落在內-σ~+σ 的可能性為68.3 %，誤差落在-2σ~+2σ 內的可能性為95.5 %，誤差落在-3σ~+3σ 內的可能性為99.7 %，標準誤差σ 可以較為合理地估算測量結果的可靠性。

因此，對于電力機器人每個打卡點收集到的經緯度數據，可以分別計算電力機器人所接收到的北斗經緯度數據的平均值μ 和標準差σ：

為了減少同一位置偏差較大的經緯度偏差較大數據，經緯度數組的所有數據代入公式（3），排除所有滿足：

的數據xi，其中k 為誤差閾值，可取2σ 或3σ。

在將原始數據轉換完并且剔除無效數據后，對該組剩余數據求平均值作為該組的代表點，記為（φ1，λ1），（φ2，λ2）。

2.2.2 距離計算

電力機器人前行路徑關鍵位置所形成的經緯度數組通過數據清洗，得到偏差較小的經緯度數據組后，進一步根據所獲得的關鍵位置的經緯度平均值進行地理位置距離計算。

對于電力機器人關鍵位置的空間地理距離，本文使用Haversine 公式來計算兩個經緯度之間的距離，如公式（4）所示，該公式考慮了地球的曲率，比常見的歐幾里計算空間地理距離會更準確。

式中：

d—兩點之間的距離；

r—地球半徑；

φ1、φ2—兩個代表點的緯度；

λ1、λ2—兩個代表點的經度。

2.2.3 偏差分析

在得到每組數據的代表值和計算出的距離后，可以使用差異分析公式將計算出的距離與實際距離進行比較，以具體量化測量精度。

式中：

Δd—計算距離和實際距離之間的偏差距離；

d計算—通過Haversine 公式計算出的距離，

d實際—實際距離（例如15 m）。

如果偏差較大，則可能需要重新考慮數據清洗策略或檢查設備是否存在系統誤差。

3 實驗測試與分析

為了驗證基于北斗定位電力機器人位移測試的精度，電力機器人在實驗室進行位移測試實驗。將電力機器人規劃好前行軌跡，并在前行軌跡的關鍵點進行打卡，記錄當前位置下的北斗報文輸出的經緯度，每個打卡位置記錄五次北斗信號，以減少誤差。

篩選兩個打卡點的報文進行數據分析，將報文中有關經緯度的信息提取、翻譯，即可得到北斗信號經緯度信息：

打卡點1：{ (23.15454367，113.334293)，(23.15454367，113.334293)，(23.15454367，113.334293)，(23.15454367，113.3342928)，(23.15454367，113.3342928) }

打卡點2：{(23.15449683，113.3349065)，(23.154497，113.3349065)，(23.15449717，113.3349067)，(23.15449733，113.3349068)，(23.15449733，113.3349068) }

依據式（1）～（2）對上述兩個打卡位置的經緯度信息進行有效性判斷，得到打卡點數據標準差，該標準差反映了同一位置所接收到的北斗信號“抖動”偏差：

位置1 抖動偏差：（0.00000009，0.00000001 ）；

位置2 抖動偏差：（0.00000017，0.00000022 ）

經緯度抖動偏差均小于（0.0001，0.0001），說明北斗信號自身的經緯度精度較好。

下一步進一步計算設備1 和2 關鍵位置之間的距離偏差，將關鍵位置經緯度數組的每組五個數據通過計算平均值的方式，得到為一個便于分析的實際路徑的代表坐標，代入式（1）得到打卡點坐標平均值，該平均值反映了設備1 和2 的代表坐標，分別得到位置1 和2 的平均經緯度坐標。

位置1：（23.15454367，113.33429293）

位置2：（23.15449713，113.3349067）

將代表坐標代入式（4），求得兩位置通過北斗定位得出的實驗計算距離：

d= 62.963 686 75 m

已知所規劃的兩打卡點實際距離d實際=64 m，將計算距離與實際距離代入式（5）得到實驗誤差：

△d= 1.036 313 25 m

從上面分析可以知道，對于64 m 遠的實際距離，通過北斗經緯度信息獲得的實驗誤差約為1 m，滿足精度要求。

5 結論

本文所提出的基于北斗定位技術的電力機器人位移測試方法，為電力機器人在高精度、高可靠性方面的運行提供了堅實的科技保障。這一創新的測試方法不僅解決了傳統方法存在的各種問題，更以其兼具時空定位能力的獨特優勢，展示了電力機器人在未來電網運營中的巨大潛力。