聞?dòng)柰?，李其霖，劉飄，李頌羽，葉思琪，王智東*

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，東莞 528000）

引言

新型電力系統(tǒng)背景下，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)朝著更加智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展，更多信息技術(shù)應(yīng)用到電力領(lǐng)域。電力機(jī)器人作為其中的新興力量，正在逐步深化在電力巡檢等領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地推動(dòng)了電網(wǎng)日常運(yùn)營與維護(hù)的便利性。

隨著電力機(jī)器人的深化應(yīng)用，尤其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁干擾強(qiáng)、線路經(jīng)過的地形多樣化，甚至工作于電纜溝等地下工作環(huán)境。在復(fù)雜工作狀況下，如果電力機(jī)器人的位移出現(xiàn)偏差，不但可能導(dǎo)致電力設(shè)備損壞，還有可能導(dǎo)致電力機(jī)器人卡住或者傾覆，無法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。這就對(duì)電力機(jī)器人的行經(jīng)路徑記錄和位移的準(zhǔn)確性和精度提出了更高要求[1]。

隨著我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，北斗技術(shù)具有的定位精準(zhǔn)度高、使用方便、不存在信息安全后門等優(yōu)點(diǎn)更加突出[2]，本論文將利用北斗定位技術(shù)，研究電力機(jī)器人位移精準(zhǔn)性的測(cè)試方法。該方法通過接收電力機(jī)器人在運(yùn)行過程中經(jīng)過關(guān)鍵位置的北斗信息，以電力機(jī)器人路徑關(guān)鍵點(diǎn)的經(jīng)緯度為坐標(biāo)與規(guī)劃路徑對(duì)比，可以在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)調(diào)整電力機(jī)器人位移精度，提高電力機(jī)器人的位移準(zhǔn)確性，避免電力機(jī)器人在強(qiáng)電環(huán)境中碰到帶電物體導(dǎo)致觸電，造成自身或者其他設(shè)備損毀，也可以避免在地下電纜溝等特殊工作環(huán)境中路徑受阻，無法繼續(xù)執(zhí)行工作任務(wù)的情況發(fā)生，大大提高了電力機(jī)器人的可靠性。

1 北斗技術(shù)

北斗技術(shù)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能夠提供精準(zhǔn)的定時(shí)和定位功能，不存在信息安全后門以及關(guān)鍵時(shí)刻無信號(hào)等安全隱患，尤其適合于電力等關(guān)乎國計(jì)民生的行業(yè)，其具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：

1）具備功能強(qiáng)大的衛(wèi)星定位能力，并以串行異步方式（UART）等經(jīng)典通信方式提供給設(shè)備方便使用，同時(shí)提供秒脈沖便于對(duì)時(shí)。

2）覆蓋范圍大，不存在通訊盲區(qū)。在電網(wǎng)運(yùn)營范圍內(nèi)，做到全范圍服務(wù)，在未來會(huì)隨著電網(wǎng)的發(fā)展擴(kuò)展到更加廣大的地區(qū)。

3）使用精密授時(shí)，可以根據(jù)不同需要，采用一級(jí)（秒級(jí)）、二級(jí)（毫秒級(jí)）、三級(jí)（微秒級(jí)）、四級(jí)（納秒級(jí)）等不同授時(shí)精度，做到時(shí)空數(shù)據(jù)精確計(jì)量。

4）具有獨(dú)有的短報(bào)文通信技術(shù)，可以在特殊情況下進(jìn)行緊急通信。

1.1 北斗應(yīng)用與接口

當(dāng)前北斗功能多以模塊化嵌入到設(shè)備中，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。設(shè)備只需要配備天線，便可以接收北斗信號(hào)，接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)采用通用串行異步方式進(jìn)行傳輸，與當(dāng)前經(jīng)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(jié)構(gòu)框圖

圖2 北斗短報(bào)文示例

北斗數(shù)據(jù)傳輸格式采用波特率不低于4 800 bps，并且發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備應(yīng)該能夠調(diào)整一致。[3]北斗數(shù)據(jù)傳輸格式如圖1 所示，由10 位數(shù)據(jù)構(gòu)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(shù)據(jù)位。

1.2 短報(bào)文

北斗短報(bào)文是北斗信號(hào)處理過程中的核心，用于標(biāo)準(zhǔn)所接收到的經(jīng)緯度等信息。短報(bào)文由“$”起始界定符開始，以““回車符””換行符結(jié)束，并且最少包含一位字段數(shù)。在“$”之后的是格式ID[4]，用于識(shí)別發(fā)送報(bào)文格式信息，如北斗信號(hào)采用的格式ID 為“GNRMC”，表示后續(xù)報(bào)文依次為UTC 時(shí)間，報(bào)文狀態(tài)，經(jīng)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(gè)數(shù)據(jù)段，如表1 所示。

表1 北斗報(bào)文語句

接下來以一個(gè)原始數(shù)據(jù)作為例子解讀：

“070937”為UTC 世界時(shí)間，也就是7 時(shí)9 分37 秒，需要注意的是UTC 為世界時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常需要轉(zhuǎn)換為中國時(shí)間，該數(shù)值還需加上8 個(gè)小時(shí)才是中國時(shí)間，換算過來也就是15 時(shí)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(jīng)113 °20.35121′；”0.315”代表航向角，本實(shí)驗(yàn)暫時(shí)不需要此數(shù)據(jù)，可以忽略；”051023”表示23 年10 月5 日。

2 基于北斗的機(jī)器人位移測(cè)試方法

為了讓電力機(jī)器人在復(fù)雜工況下進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的作業(yè)，將北斗功能集成到電力機(jī)器人，來指導(dǎo)電力機(jī)器人精準(zhǔn)位移。當(dāng)電力機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，電力機(jī)器人同時(shí)可以接收到北斗信號(hào)，并在關(guān)鍵位置輸出經(jīng)緯度等核心信息，記錄電力機(jī)器人在關(guān)鍵運(yùn)行軌跡的位置，可以有效分析規(guī)劃軌跡和實(shí)際運(yùn)行軌跡的偏差。

2.1 物理平臺(tái)

集成了具備北斗功能的電力機(jī)器人將沿著規(guī)劃路徑進(jìn)行模擬巡線作業(yè)，途中在規(guī)劃路徑的關(guān)鍵設(shè)置了若干個(gè)打卡點(diǎn)，通過在打卡點(diǎn)接收北斗信號(hào)的經(jīng)緯度信息，與預(yù)定路徑做比較，分析電力機(jī)器人位移精度。

當(dāng)機(jī)器人到達(dá)打卡點(diǎn)1 附近時(shí)，如圖3 所示，電力機(jī)器人接收記錄當(dāng)前經(jīng)緯度位置的北斗GNSS 報(bào)文?？紤]到每次所接收到的北斗報(bào)文經(jīng)緯度會(huì)有一定的偏差，本文采用在同一個(gè)關(guān)鍵位置多次接收北斗報(bào)文的方法。這樣一方面避免由于北斗芯片接收到的衛(wèi)星信號(hào)較弱而接收到無效報(bào)文，另一方面可以統(tǒng)計(jì)同一位置的北斗信號(hào)誤差，通過數(shù)據(jù)處理得到更準(zhǔn)確的經(jīng)緯度位置。

圖3 電力機(jī)器人位移測(cè)試原理圖

圖4 設(shè)備1 數(shù)據(jù)

圖5 設(shè)備2 數(shù)據(jù)

圖6 測(cè)試位置谷歌地圖定位

假設(shè)電力機(jī)器人到達(dá)打卡點(diǎn)1 位置時(shí)，接收n 個(gè)北斗GNSS 報(bào)文，形成對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度數(shù)組（A1、A2……An）。當(dāng)電力機(jī)器人到達(dá)打卡點(diǎn)2位置時(shí)，記錄下打卡點(diǎn)2位置的經(jīng)緯度（B1，B2……Bn），以此類推。通過電力機(jī)器人前行路徑所獲得的實(shí)際經(jīng)緯度，我們就可以得到電力機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑，從而計(jì)算分析電力機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，并可以定量分析與規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移幅值。并可以進(jìn)一步對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與微調(diào)，使得其運(yùn)動(dòng)軌跡更加貼合設(shè)定路徑，達(dá)到最好的巡線效果。

2.2 數(shù)據(jù)處理

電力機(jī)器人前行路徑關(guān)鍵位置所形成的經(jīng)緯度數(shù)組{A1，A2，A3，……，An}，{B1，B2，B3，……，Bn}等，每組經(jīng)緯度數(shù)組數(shù)據(jù)理論上應(yīng)該一樣，由于北斗衛(wèi)星自身定位精準(zhǔn)度的原因，實(shí)際上每組經(jīng)緯度數(shù)組數(shù)據(jù)可能存在一定偏差，首先進(jìn)行同一位置的經(jīng)緯度數(shù)組數(shù)據(jù)清洗，剔除無效數(shù)據(jù)或是偏差較大的數(shù)據(jù)，保證同一位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)偏差較小。

2.2.1 數(shù)據(jù)清洗

考慮到同一位置經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論知識(shí)[5]，誤差落在內(nèi)-σ~+σ 的可能性為68.3 %，誤差落在-2σ~+2σ 內(nèi)的可能性為95.5 %，誤差落在-3σ~+3σ 內(nèi)的可能性為99.7 %，標(biāo)準(zhǔn)誤差σ 可以較為合理地估算測(cè)量結(jié)果的可靠性。

因此，對(duì)于電力機(jī)器人每個(gè)打卡點(diǎn)收集到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，可以分別計(jì)算電力機(jī)器人所接收到的北斗經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的平均值μ 和標(biāo)準(zhǔn)差σ：

為了減少同一位置偏差較大的經(jīng)緯度偏差較大數(shù)據(jù)，經(jīng)緯度數(shù)組的所有數(shù)據(jù)代入公式（3），排除所有滿足：

的數(shù)據(jù)xi，其中k 為誤差閾值，可取2σ 或3σ。

在將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完并且剔除無效數(shù)據(jù)后，對(duì)該組剩余數(shù)據(jù)求平均值作為該組的代表點(diǎn)，記為（φ1，λ1），（φ2，λ2）。

2.2.2 距離計(jì)算

電力機(jī)器人前行路徑關(guān)鍵位置所形成的經(jīng)緯度數(shù)組通過數(shù)據(jù)清洗，得到偏差較小的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)組后，進(jìn)一步根據(jù)所獲得的關(guān)鍵位置的經(jīng)緯度平均值進(jìn)行地理位置距離計(jì)算。

對(duì)于電力機(jī)器人關(guān)鍵位置的空間地理距離，本文使用Haversine 公式來計(jì)算兩個(gè)經(jīng)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(jì)算空間地理距離會(huì)更準(zhǔn)確。

式中：

d—兩點(diǎn)之間的距離；

r—地球半徑；

φ1、φ2—兩個(gè)代表點(diǎn)的緯度；

λ1、λ2—兩個(gè)代表點(diǎn)的經(jīng)度。

2.2.3 偏差分析

在得到每組數(shù)據(jù)的代表值和計(jì)算出的距離后，可以使用差異分析公式將計(jì)算出的距離與實(shí)際距離進(jìn)行比較，以具體量化測(cè)量精度。

式中：

Δd—計(jì)算距離和實(shí)際距離之間的偏差距離；

d計(jì)算—通過Haversine 公式計(jì)算出的距離，

d實(shí)際—實(shí)際距離（例如15 m）。

如果偏差較大，則可能需要重新考慮數(shù)據(jù)清洗策略或檢查設(shè)備是否存在系統(tǒng)誤差。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證基于北斗定位電力機(jī)器人位移測(cè)試的精度，電力機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行位移測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將電力機(jī)器人規(guī)劃好前行軌跡，并在前行軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行打卡，記錄當(dāng)前位置下的北斗報(bào)文輸出的經(jīng)緯度，每個(gè)打卡位置記錄五次北斗信號(hào)，以減少誤差。

篩選兩個(gè)打卡點(diǎn)的報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將報(bào)文中有關(guān)經(jīng)緯度的信息提取、翻譯，即可得到北斗信號(hào)經(jīng)緯度信息：

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

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

依據(jù)式（1）～（2）對(duì)上述兩個(gè)打卡位置的經(jīng)緯度信息進(jìn)行有效性判斷，得到打卡點(diǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，該標(biāo)準(zhǔn)差反映了同一位置所接收到的北斗信號(hào)“抖動(dòng)”偏差：

位置1 抖動(dòng)偏差：（0.00000009，0.00000001 ）；

位置2 抖動(dòng)偏差：（0.00000017，0.00000022 ）

經(jīng)緯度抖動(dòng)偏差均小于（0.0001，0.0001），說明北斗信號(hào)自身的經(jīng)緯度精度較好。

下一步進(jìn)一步計(jì)算設(shè)備1 和2 關(guān)鍵位置之間的距離偏差，將關(guān)鍵位置經(jīng)緯度數(shù)組的每組五個(gè)數(shù)據(jù)通過計(jì)算平均值的方式，得到為一個(gè)便于分析的實(shí)際路徑的代表坐標(biāo)，代入式（1）得到打卡點(diǎn)坐標(biāo)平均值，該平均值反映了設(shè)備1 和2 的代表坐標(biāo)，分別得到位置1 和2 的平均經(jīng)緯度坐標(biāo)。

位置1：（23.15454367，113.33429293）

位置2：（23.15449713，113.3349067）

將代表坐標(biāo)代入式（4），求得兩位置通過北斗定位得出的實(shí)驗(yàn)計(jì)算距離：

d= 62.963 686 75 m

已知所規(guī)劃的兩打卡點(diǎn)實(shí)際距離d實(shí)際=64 m，將計(jì)算距離與實(shí)際距離代入式（5）得到實(shí)驗(yàn)誤差：

△d= 1.036 313 25 m

從上面分析可以知道，對(duì)于64 m 遠(yuǎn)的實(shí)際距離，通過北斗經(jīng)緯度信息獲得的實(shí)驗(yàn)誤差約為1 m，滿足精度要求。

5 結(jié)論

本文所提出的基于北斗定位技術(shù)的電力機(jī)器人位移測(cè)試方法，為電力機(jī)器人在高精度、高可靠性方面的運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的科技保障。這一創(chuàng)新的測(cè)試方法不僅解決了傳統(tǒng)方法存在的各種問題，更以其兼具時(shí)空定位能力的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，展示了電力機(jī)器人在未來電網(wǎng)運(yùn)營中的巨大潛力。