蘭建軍，李春來，劉寅東

（1.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，西寧810008）

0 引 言

為了保證光伏電站可靠高效運(yùn)行，需要電站巡檢員定期檢查組件積灰，鋼化玻璃變色、破損等情況。隨著變電站的無人值守化的逐步推進(jìn)，光伏電站現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人巡檢也將成為一種趨勢(shì)。由于巡檢機(jī)器人的運(yùn)行軌跡相對(duì)固定，因此電磁導(dǎo)航方式是一種低成本、高可靠性的導(dǎo)航方式［1-2］。電磁導(dǎo)航研究早期，主要以位置和方向檢測(cè)為主［3］，隨著應(yīng)用的不斷普及，目前該技術(shù)逐步轉(zhuǎn)向了自由空間場(chǎng)的定位和導(dǎo)航應(yīng)用［4-5］，該技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，具有良好的發(fā)展前景。為了保證電磁導(dǎo)航機(jī)器人沿著預(yù)定的電磁軌道可靠運(yùn)行，電磁軌道的磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)向控制是電磁導(dǎo)航機(jī)器人研究的重點(diǎn)。伍洲等進(jìn)行了電磁傳感器IIR濾波器的設(shè)計(jì)，改善了傳感器數(shù)據(jù)的線性度［6］，黃水提出了基于模糊控制的舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制算法，改善智能車的動(dòng)態(tài)性能［7］。唐昊等通過三次多項(xiàng)式曲線擬合方式進(jìn)行了機(jī)器人位置解算，較好的完成了電磁導(dǎo)航機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制［8］。

為了進(jìn)一步準(zhǔn)確獲取巡檢機(jī)器人偏離導(dǎo)航信號(hào)線距離，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確控制。文章在現(xiàn)有電磁導(dǎo)航理論的基礎(chǔ)上，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)置了8個(gè)對(duì)稱分布的電感傳感器進(jìn)行電磁導(dǎo)航巡檢機(jī)器人的信號(hào)檢測(cè)，利用數(shù)據(jù)加權(quán)融合算法對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，準(zhǔn)確計(jì)算出巡檢機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角度。最后在設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人裝置上對(duì)方案進(jìn)行了效果測(cè)試，給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 檢測(cè)原理與傳感器布局

1.1 磁場(chǎng)檢測(cè)原理

依據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變電流周圍會(huì)產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。可以在輪式機(jī)器人運(yùn)行軌道上敷設(shè)導(dǎo)線，導(dǎo)線上輸入20 kHz頻率信號(hào)后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，利用該磁場(chǎng)作為輪式機(jī)器人的路徑導(dǎo)航信號(hào)。磁場(chǎng)的信號(hào)檢測(cè)利用電感實(shí)現(xiàn)，通過LC諧振電路進(jìn)行選頻，通過濾波電路濾除干擾信號(hào)，導(dǎo)線磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算圖如圖1所示。

圖1 直線電流磁場(chǎng)計(jì)算Fig.1 Linear current magnetic field calculation

依據(jù)畢奧-薩伐爾定律可以將距離導(dǎo)線距離為r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度推導(dǎo)如下：

對(duì)于無限長(zhǎng)的導(dǎo)線來說，式中θ1可近似為0，θ2可近似為π，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度B可近似為：

當(dāng)電感線圈的軸線為水平方向時(shí)，設(shè)電磁感應(yīng)線圈中心軸線距離地面的垂直距離為h，水平距離為x時(shí)，可以將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)推導(dǎo)如下：

1.2 傳感器布局

圖2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化趨勢(shì)Fig.2 Development trend of induction electromotive force

當(dāng)垂直距離固定后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨水平距離變化趨勢(shì)圖如圖2所示。根據(jù)圖2所示的曲線變化趨勢(shì)可知，當(dāng)水平偏移距離在4 cm之內(nèi)時(shí)，電感的感應(yīng)電勢(shì)和距離偏移關(guān)系趨近于線性。為了提高傳感器輸出的線性程度，傳感器在布局時(shí)，兩個(gè)電感傳感器中心距離為3 cm，在傳感器支架中心左右兩側(cè)共安裝有8個(gè)電感傳感器。

2 信號(hào)采集與處理

2.1 信號(hào)檢測(cè)與采集

電感傳感器選用10 mH的工字型電感，可以較好的感應(yīng)交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。通過LC諧振電路實(shí)現(xiàn)選頻，經(jīng)過TLC2274放大后，可以得到50倍以上增益，可以實(shí)現(xiàn)距離在15 cm以上距離的可靠檢測(cè)，并且有較好的線性度，詳細(xì)的傳感器檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。

圖3 傳感器檢測(cè)電路原理圖Fig.3 Principle diagram of sensor detection circuit

2.2 信號(hào)濾波處理

由于電感和后續(xù)處理電路等特性不一致的問題，使得不同傳感器在同一高度和同一位置處檢測(cè)值不同，如果不進(jìn)行處理，后續(xù)將產(chǎn)生轉(zhuǎn)向控制誤差。因此首先要對(duì)傳感器的輸出值進(jìn)行歸一化標(biāo)定，這樣每路傳感器輸出值都?xì)w一化到統(tǒng)一量綱，保證傳感器輸出值只與偏移位置有關(guān)，與傳感器及其配套處理電路特性差異無關(guān)，歸一化公式如下：

式中VLi為第i個(gè)傳感器歸一化后值；adi為第i個(gè)傳感器A／D轉(zhuǎn)換之后值；max為標(biāo)定的最大值；min為標(biāo)定的最小值。

3 數(shù)據(jù)融合算法

3.1 支持度矩陣

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是對(duì)多源的、多形式、多層次的信息進(jìn)行有效綜合應(yīng)用的一種數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)［10-11］。利用n個(gè)傳感器從不同方位對(duì)同一參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，設(shè) xi（k）和 xj（k）分別為第 i個(gè)和第 j個(gè)傳感器在k時(shí)刻的測(cè)量值，如果二者測(cè)量值間相差較大，表明該時(shí)刻2個(gè)傳感器的觀測(cè)值相互支持度較低；相反，如果二者很接近，則表明傳感器的觀測(cè)值相互支持度高，將多傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)間的這種支持程度定義為支持度。同時(shí)，為統(tǒng)一量化處理，利用模糊集合理論中的隸屬函數(shù)可將k時(shí)刻的支持度函數(shù)sij（k）描述如下：

為了衡量傳感器測(cè)量值之間的相互支持度，可將k時(shí)刻傳感器數(shù)據(jù)支持矩陣由sij（k）進(jìn)行構(gòu)造：

3.2 加權(quán)數(shù)據(jù)融合

為了使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，需要對(duì)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，令wi（k）為k時(shí)刻第i個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)xi（k）在融合過程中所占權(quán)重，因此可以利用wi（k）對(duì) xi（k）進(jìn)行加權(quán)求和［13］，同時(shí)對(duì)加權(quán)系數(shù)wi（k）限定條件如下：

這樣多個(gè)傳感器在k時(shí)刻最終的數(shù)據(jù)融合值表達(dá)式如式（8）所示，通過采用不同的加權(quán)系數(shù)，保證數(shù)據(jù)融合結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.3 加權(quán)系數(shù)確定

圖4 傳感器布局結(jié)構(gòu)Fig.4 Sensor layout structure

圖4所示為傳感器布局結(jié)構(gòu)圖，8個(gè)電感傳感器對(duì)稱分布，右邊4個(gè)傳感器和小車中心線距離分布為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，舵機(jī)離電路板垂直距離為 D。舵機(jī)轉(zhuǎn)向最大角度為±57°，因此可以根據(jù)傳感器偏離中心位置距離L設(shè)置加權(quán)系數(shù)。由于傳感器對(duì)稱分布，因此傳感器S1和S8到電路板中心距離均為L(zhǎng)4，通過反正切的形式分別計(jì)算需要轉(zhuǎn)換的角度，根據(jù)轉(zhuǎn)換角度計(jì)算加權(quán)系數(shù)。具體的機(jī)械參數(shù)和加權(quán)系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 機(jī)械參數(shù)和加權(quán)系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between mechanical parameters and weighting coefficient

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與效果

為了驗(yàn)證方案的可行性，將小車傳感器中心置于信號(hào)線正上方作為0點(diǎn)處數(shù)據(jù)，之后對(duì)傳感器電路板進(jìn)行左平移和右平移（保證信號(hào)線處于單個(gè)傳感器正上方或者在兩個(gè)相鄰電感的中心位置）。依次分別記錄下8個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后進(jìn)行加權(quán)融合。得到如圖5所示的位置-轉(zhuǎn)向角度關(guān)系曲線，依據(jù)數(shù)據(jù)曲線可知，加權(quán)融合后的位置-轉(zhuǎn)向角度曲線和實(shí)際位置-轉(zhuǎn)向曲線基本吻合，表2給出了實(shí)際位置-轉(zhuǎn)角角度和融合位置-轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了誤差分析，分析表明，經(jīng)過數(shù)據(jù)加權(quán)融合后的角度符合精度要求。

圖5 位置-轉(zhuǎn)向角度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between position and steering angle

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差分析Tab.2 Test data and error analysis

5 結(jié)束語

依據(jù)電磁檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了光伏電站巡檢機(jī)器人的電磁導(dǎo)航系統(tǒng)。為了保證巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向控制，依據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成加權(quán)系數(shù)的設(shè)定和計(jì)算，采用數(shù)據(jù)加權(quán)融合算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合。方案可以根據(jù)機(jī)器人偏離航線距離準(zhǔn)確計(jì)算出機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角度，獲取了數(shù)據(jù)加權(quán)融合后的位置-轉(zhuǎn)向角度曲線，并進(jìn)行了誤差分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，滿足控制精度要求。