油浸式變壓器微型仿生魚導(dǎo)航定位技術(shù)綜述

賀欣　張應(yīng)田　劉力卿　栗薇　于洋

摘 要：在微型仿生魚檢測(cè)過程中，實(shí)現(xiàn)微型仿生魚位姿的準(zhǔn)確定位是仿生魚任務(wù)完成的關(guān)鍵。本文通過對(duì)常用水下航行器導(dǎo)航定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，為油浸式變壓器微型仿生魚的定位導(dǎo)航技術(shù)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：變壓器;微型仿生魚;導(dǎo)航定位技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）23-0051-02

Survey on Navigation and Positioning Technology of Micro-Bionic

Fish for Oil-immersed Transformer

HE Xin1 ZHANG Yingtian1 LIU Liqing2 LI Wei2 YU Yang2

（1.Tianjin Electric Power Technology Development Limited，Tianjin 300384;2.State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300384）

Abstract： In the process of Micro-Bionic fish detection， accurate positioning of Micro-Bionic fish posture is the key to complete the task of bionic fish. In this paper， the advantages and disadvantages of navigation and positioning technology of common underwater vehicle were analyzed， which could provide reference for the research of positioning and navigation technology of Micro-Bionic fish in oil-immersed transformer.

Keywords： transformer;miniature bionic fish;navigation and positioning technology

大型電力變壓器額定容量大、電壓等級(jí)高，是電網(wǎng)的核心設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕緣性能劣化是導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)生的故障的主要原因[1]。目前，局部放電監(jiān)測(cè)是判斷電氣設(shè)備絕緣故障的常用手段。但由于變壓器的封閉性，并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局放監(jiān)測(cè)難以對(duì)變壓器內(nèi)部放電的類型、位置以及嚴(yán)重程度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[2]。微型仿生魚體積較小，可通過變壓器注油管道直接進(jìn)入變壓器本體，對(duì)其內(nèi)部絕緣表面上的碳痕進(jìn)行觀測(cè)，能夠準(zhǔn)確判定變壓器內(nèi)部絕緣的故障位置及劣化程度[3]。

大型變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，變壓器微型仿生魚在檢測(cè)過程中，實(shí)現(xiàn)其位姿準(zhǔn)確定位是仿生魚任務(wù)完成的關(guān)鍵。由于變壓器由金屬外殼完全密封，難以采用常規(guī)的傳感器（激光雷達(dá)、視覺相機(jī)、GPS等）對(duì)微型仿生魚的位姿進(jìn)行定位，因此，變壓器油中微型仿生魚的定位可參考水下航行器的一些定位方法。

1 水下導(dǎo)航定位技術(shù)研究現(xiàn)狀

由于電磁波在水中傳播衰減較大，高精度GPS信號(hào)常常無法直接用于水下導(dǎo)航定位。為此，非衛(wèi)星水下導(dǎo)航技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，常用的定位方法主要有慣性導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航、重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航和聲學(xué)導(dǎo)航等多種方式。

1.1 慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航定位技術(shù)能在不與外界通信的情況下進(jìn)行連續(xù)三維空間定位，屬于自主導(dǎo)航定位技術(shù)的一種[4]。與衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航相比，慣性導(dǎo)航定位技術(shù)具有自主、隱蔽、載體信息獲取完備等優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著時(shí)間推移，慣性導(dǎo)航定位技術(shù)容易產(chǎn)生積累誤差，存在原理性缺陷。因此，為了能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高精度導(dǎo)航定位，需要利用外界位置信息周期性地對(duì)慣性導(dǎo)航進(jìn)行調(diào)整和校正[5，6]。

1.2 地形輔助導(dǎo)航技術(shù)

地形輔助導(dǎo)航技術(shù)能利用地形高程特征信息，輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)、潛艇、導(dǎo)彈等進(jìn)行精確導(dǎo)航[7]。目前，地形輔助導(dǎo)航技術(shù)在飛機(jī)、導(dǎo)彈上的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。對(duì)于水下航行器，利用水下航行器所處位置的水深信息作為高程特征信息。在運(yùn)動(dòng)過程中，水下航行器利用水深傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)其所在位置的水深信息（實(shí)時(shí)序列），并利用INS提供的水下航行器位置，在預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)字地形扇程數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出相應(yīng)的地形高程數(shù)據(jù)（基準(zhǔn)序列），將實(shí)時(shí)序列與基準(zhǔn)序列進(jìn)行匹配得到水下航行器的匹配軌跡，利用匹配軌跡修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的解算軌跡，從而對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間積累誤差進(jìn)行校正。

地形匹配算法是地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，算法性能的優(yōu)劣直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)的精度[8]。常用的地形匹配算法主要有以下幾種。第一，采用批相關(guān)處理技術(shù)的地形輪廓匹配系統(tǒng)，該方法能在事先規(guī)劃好的地形匹配區(qū)上周期地、連續(xù)地進(jìn)行地形高程匹配定位，并同時(shí)修正主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置誤差，主要應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈的導(dǎo)航;第二，采用遞推濾波技術(shù)的桑迪亞慣性地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，該方法能進(jìn)行連續(xù)和逆推的地形高程匹配定位，同時(shí)修正主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置誤差，主要用于戰(zhàn)斗機(jī)的導(dǎo)航。

1.3 重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航技術(shù)

重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航技術(shù)是一種新型無源導(dǎo)航技術(shù)，主要利用航行器重力儀測(cè)量所處位置的重力場(chǎng)特征信息，并將測(cè)得的信息與預(yù)先構(gòu)建好的重力場(chǎng)背景圖進(jìn)行匹配，在此基礎(chǔ)上，利用匹配算法計(jì)算航行器的位置。重力場(chǎng)匹配導(dǎo)航系統(tǒng)包括重力儀、重力圖和重力場(chǎng)匹配定位算法。目前，水下重力場(chǎng)分辨率已經(jīng)達(dá)到2′×2′以內(nèi)，這給高精度重力匹配導(dǎo)航提供了可能性[9]。

1.4 聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)

由于聲波信號(hào)比電磁波信號(hào)在水中能傳播更遠(yuǎn)的距離，聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)也是水下導(dǎo)航的重要手段。聲學(xué)導(dǎo)航定位通過在水下鋪設(shè)應(yīng)答器基陣，并根據(jù)聲信號(hào)在航行器與應(yīng)答器之間傳播的特性，計(jì)算航行器距應(yīng)答器的位置。聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)精度高，無累積誤差，但需要提前鋪設(shè)應(yīng)答基陣，設(shè)備成本較高[10]。

2 結(jié)語(yǔ)

單一水下導(dǎo)航技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。變壓器的金屬外殼完全密封，變壓器內(nèi)部無光照，且地球重力場(chǎng)難以進(jìn)入，因此，難以采用常規(guī)的傳感器（激光雷達(dá)、視覺相機(jī)、GPS、重力儀等）對(duì)微型仿生魚的位姿進(jìn)行定位，且由于變壓器微型仿生魚法發(fā)出的超聲信號(hào)會(huì)經(jīng)過變壓器油和外殼進(jìn)行傳播，傳播路徑較復(fù)雜，對(duì)超聲定位傳感器的布置造成較大困擾。為此，本文擬將基于聲-電位姿定位和慣性導(dǎo)航相結(jié)合，以用于微型機(jī)器人的導(dǎo)航定位。

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