光伏電站巡檢機器人電磁導航系統設計*

蘭建軍，李春來，劉寅東

（1.東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林132012；2.國網青海省電力公司電力科學研究院，西寧810008）

0 引 言

為了保證光伏電站可靠高效運行，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，光伏電站現場的機器人巡檢也將成為一種趨勢。由于巡檢機器人的運行軌跡相對固定，因此電磁導航方式是一種低成本、高可靠性的導航方式［1-2］。電磁導航研究早期，主要以位置和方向檢測為主［3］，隨著應用的不斷普及，目前該技術逐步轉向了自由空間場的定位和導航應用［4-5］，該技術實用性強，具有良好的發展前景。為了保證電磁導航機器人沿著預定的電磁軌道可靠運行，電磁軌道的磁場信號檢測與轉向控制是電磁導航機器人研究的重點。伍洲等進行了電磁傳感器IIR濾波器的設計，改善了傳感器數據的線性度［6］，黃水提出了基于模糊控制的舵機轉向控制算法，改善智能車的動態性能［7］。唐昊等通過三次多項式曲線擬合方式進行了機器人位置解算，較好的完成了電磁導航機器人的轉向控制［8］。

為了進一步準確獲取巡檢機器人偏離導航信號線距離，實現巡檢機器人轉向的準確控制。文章在現有電磁導航理論的基礎上，在機械結構上設置了8個對稱分布的電感傳感器進行電磁導航巡檢機器人的信號檢測，利用數據加權融合算法對傳感器的數據進行融合，準確計算出巡檢機器人的轉向角度。最后在設計的巡檢機器人裝置上對方案進行了效果測試，給出了實驗測試數據。

1 檢測原理與傳感器布局

1.1 磁場檢測原理

依據麥克斯韋電磁場理論，交變電流周圍會產生交變的電磁場。可以在輪式機器人運行軌道上敷設導線，導線上輸入20 kHz頻率信號后產生交變磁場，利用該磁場作為輪式機器人的路徑導航信號。磁場的信號檢測利用電感實現，通過LC諧振電路進行選頻，通過濾波電路濾除干擾信號，導線磁感應強度計算圖如圖1所示。

圖1 直線電流磁場計算Fig.1 Linear current magnetic field calculation

依據畢奧-薩伐爾定律可以將距離導線距離為r處P點的磁感應強度推導如下：

對于無限長的導線來說，式中θ1可近似為0，θ2可近似為π，所以磁感應強度B可近似為：

當電感線圈的軸線為水平方向時，設電磁感應線圈中心軸線距離地面的垂直距離為h，水平距離為x時，可以將感應電動勢推導如下：

1.2 傳感器布局

圖2 感應電動勢變化趨勢Fig.2 Development trend of induction electromotive force

當垂直距離固定后，感應電動勢隨水平距離變化趨勢圖如圖2所示。根據圖2所示的曲線變化趨勢可知，當水平偏移距離在4 cm之內時，電感的感應電勢和距離偏移關系趨近于線性。為了提高傳感器輸出的線性程度，傳感器在布局時，兩個電感傳感器中心距離為3 cm，在傳感器支架中心左右兩側共安裝有8個電感傳感器。

2 信號采集與處理

2.1 信號檢測與采集

電感傳感器選用10 mH的工字型電感，可以較好的感應交變電流產生的磁場。通過LC諧振電路實現選頻，經過TLC2274放大后，可以得到50倍以上增益，可以實現距離在15 cm以上距離的可靠檢測，并且有較好的線性度，詳細的傳感器檢測電路原理圖如圖3所示。

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

2.2 信號濾波處理

由于電感和后續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值不同，如果不進行處理，后續將產生轉向控制誤差。因此首先要對傳感器的輸出值進行歸一化標定，這樣每路傳感器輸出值都歸一化到統一量綱，保證傳感器輸出值只與偏移位置有關，與傳感器及其配套處理電路特性差異無關，歸一化公式如下：

式中VLi為第i個傳感器歸一化后值；adi為第i個傳感器A／D轉換之后值；max為標定的最大值；min為標定的最小值。

3 數據融合算法

3.1 支持度矩陣

數據融合技術是對多源的、多形式、多層次的信息進行有效綜合應用的一種數據綜合處理技術［10-11］。利用n個傳感器從不同方位對同一參數進行測量，設 xi（k）和 xj（k）分別為第 i個和第 j個傳感器在k時刻的測量值，如果二者測量值間相差較大，表明該時刻2個傳感器的觀測值相互支持度較低；相反，如果二者很接近，則表明傳感器的觀測值相互支持度高，將多傳感器測得數據間的這種支持程度定義為支持度。同時，為統一量化處理，利用模糊集合理論中的隸屬函數可將k時刻的支持度函數sij（k）描述如下：

為了衡量傳感器測量值之間的相互支持度，可將k時刻傳感器數據支持矩陣由sij（k）進行構造：

3.2 加權數據融合

為了使測量結果更加準確，需要對多個傳感器的數據進行融合，令wi（k）為k時刻第i個傳感器測量數據xi（k）在融合過程中所占權重，因此可以利用wi（k）對 xi（k）進行加權求和［13］，同時對加權系數wi（k）限定條件如下：

這樣多個傳感器在k時刻最終的數據融合值表達式如式（8）所示，通過采用不同的加權系數，保證數據融合結果更加準確。

3.3 加權系數確定

圖4 傳感器布局結構Fig.4 Sensor layout structure

圖4所示為傳感器布局結構圖，8個電感傳感器對稱分布，右邊4個傳感器和小車中心線距離分布為L1、L2、L3、L4，舵機離電路板垂直距離為 D。舵機轉向最大角度為±57°，因此可以根據傳感器偏離中心位置距離L設置加權系數。由于傳感器對稱分布，因此傳感器S1和S8到電路板中心距離均為L4，通過反正切的形式分別計算需要轉換的角度，根據轉換角度計算加權系數。具體的機械參數和加權系數對應關系如表1所示。

表1 機械參數和加權系數對應關系Tab.1 Corresponding relationship between mechanical parameters and weighting coefficient

4 實驗數據與效果

為了驗證方案的可行性，將小車傳感器中心置于信號線正上方作為0點處數據，之后對傳感器電路板進行左平移和右平移（保證信號線處于單個傳感器正上方或者在兩個相鄰電感的中心位置）。依次分別記錄下8個傳感器的測量數據，將數據進行歸一化處理后進行加權融合。得到如圖5所示的位置-轉向角度關系曲線，依據數據曲線可知，加權融合后的位置-轉向角度曲線和實際位置-轉向曲線基本吻合，表2給出了實際位置-轉角角度和融合位置-轉向角度數據，并進行了誤差分析，分析表明，經過數據加權融合后的角度符合精度要求。

圖5 位置-轉向角度關系曲線Fig.5 Relationship curve between position and steering angle

表2 測試數據與誤差分析Tab.2 Test data and error analysis

5 結束語

依據電磁檢測原理，設計了光伏電站巡檢機器人的電磁導航系統。為了保證巡檢機器人實現精確的轉向控制，依據機械結構完成加權系數的設定和計算，采用數據加權融合算法對傳感器數據進行了融合。方案可以根據機器人偏離航線距離準確計算出機器人的轉向角度，獲取了數據加權融合后的位置-轉向角度曲線，并進行了誤差分析。實驗數據表明，該方案可以實現機器人轉向角度的準確測量，測量相對誤差在3%以內，滿足控制精度要求。