廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局 鄭安然 周智明 陳志明 田旦瑜 陳庚 羅艾珂

1 引言

目前無人機(jī)已在電力行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，工作人員在后臺機(jī)下達(dá)巡視任務(wù)后，無人機(jī)與機(jī)巢配合就可以自動(dòng)完成包含充電、起飛、巡視、降落全過程[1-2]。無人機(jī)機(jī)巢是無人機(jī)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)起降平臺，即自動(dòng)儲(chǔ)存無人機(jī)，自動(dòng)拆裝電池，自動(dòng)完成電池充電等功能，同時(shí)與無人機(jī)后臺機(jī)互通實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。每次巡視任務(wù)開始前機(jī)巢中的機(jī)械臂會(huì)從電池充電位抓取電池裝入無人機(jī)[3]，然而每次裝設(shè)電池后都需要工作人員人工判別電池電量是否滿足本次巡視任務(wù)要求，當(dāng)電池電量不足時(shí)人工下達(dá)更換電池指令，電池的反復(fù)拆裝不僅消耗大量時(shí)間，并且人工判別電池電量也引入人工干預(yù)，制約無人機(jī)巡視向全自動(dòng)的方向發(fā)展。因此研究一種自動(dòng)的無人機(jī)電池分配策略具有重要意義。

2 目前的無人機(jī)電池裝配方法

以廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局松山湖巡維中心使用的無人機(jī)機(jī)巢為例，機(jī)巢的電池裝配組件包括機(jī)械臂和4個(gè)電池充電位（一號位、二號位、三號位、四號位），可同時(shí)為4 個(gè)無人機(jī)電池充電。當(dāng)工作人員在后臺機(jī)下達(dá)無人機(jī)巡視任務(wù)后，機(jī)巢收到后臺機(jī)指令，利用PLC 控制機(jī)械臂自動(dòng)給無人機(jī)裝設(shè)電池，然而當(dāng)前的電池選擇與安裝存在兩個(gè)問題，從而導(dǎo)致無人機(jī)電池安裝后電池電量不滿足該巡視任務(wù)要求的情況的發(fā)生。一是電池安裝進(jìn)無人機(jī)之前，無法觀察到當(dāng)前電池的電量，僅在電池安裝進(jìn)無人機(jī)后由工作人員后臺檢查電池電量能否滿足該飛行任務(wù)，然后在后臺機(jī)發(fā)布更換電池指令，需要工作人員人工判斷該電池電量。二是機(jī)械臂每次只會(huì)自動(dòng)抓取一號位的電池，只有當(dāng)一號位電池安裝進(jìn)無人機(jī)并且工作人員在后臺機(jī)上手動(dòng)下達(dá)“電池拆卸”“電池裝載”的指令后，才會(huì)拆下電池，抓取二號位的電池，再次安裝完畢并人工下達(dá)命令后，才會(huì)抓取三號位電池，這樣會(huì)出現(xiàn)輪流裝拆完全部4 塊電池但均無法滿足任務(wù)要求的情況，花費(fèi)大量時(shí)間并且巡視任務(wù)被迫中止，當(dāng)前的無人機(jī)電池裝配方法無法直接抓取電量滿足要求的電池，反復(fù)拆裝電池耽誤了大量時(shí)間，嚴(yán)重影響無人機(jī)全自動(dòng)化巡視，降低巡視效率。

3 無人機(jī)電池自動(dòng)分配策略

為了解決傳統(tǒng)的電池分配方法電池電量不直觀、人工干預(yù)多的問題，提出一種基于電池實(shí)時(shí)電量的無人機(jī)自動(dòng)電池分配策略，通過加裝電池電量讀取模塊、優(yōu)化電池充電配置，在分配電池前自動(dòng)讀取各電池電量，配置更精確的電池耗電量計(jì)算方法?；谘惨朁c(diǎn)位對任務(wù)所需電量進(jìn)行修正，將各電池電量與任務(wù)所需電量對比判別，從而使分配的電池電量滿足無人機(jī)巡視任務(wù)要求。無人機(jī)控制界面上的“電池裝拆”指令按鈕如圖1所示，無人機(jī)電池裝配流程如圖2所示。

圖1 無人機(jī)控制界面上的“電池裝拆”指令按鈕

圖2 無人機(jī)電池裝配流程

3.1 配置要求

3.1.1 電量讀取模塊

新的無人機(jī)電池自動(dòng)分配策略在原有的4 個(gè)機(jī)巢電池充電位上加裝電量讀取模塊，該模塊可讀取各個(gè)電池的實(shí)時(shí)電量并回傳至后臺機(jī)，從而可以直接在后臺機(jī)上基于電池的實(shí)時(shí)電量判斷是否有滿足無人機(jī)巡視任務(wù)需求的電池。

3.1.2 優(yōu)化電池充電位

新的無人機(jī)電池自動(dòng)分配策略要求機(jī)巢機(jī)械臂能夠方便抓取任意充電位電池。原有的電池位從上到下等距排列，原有的電池充電位排列如圖3所示。機(jī)械臂方便抓取一、二號位電池，但距離三、四號位行程較遠(yuǎn)，不便抓取，因此需要對原有的充電位進(jìn)行改造，改造方法是將一、二號位充電位并列裝設(shè)在上排，三、四號充電位并列裝設(shè)在下排，改造后的充電位更加集中，機(jī)械臂能夠隨意抓取任意充電位電池。

圖3 原有的電池充電位排列

3.2 基于巡視點(diǎn)位的電池耗電量修正

傳統(tǒng)的無人機(jī)巡視任務(wù)耗電量由無人機(jī)內(nèi)嵌程序計(jì)算，內(nèi)嵌程序會(huì)基于用戶要求的飛行距離和飛行速度和當(dāng)天的氣象情況等因素，自動(dòng)計(jì)算無人機(jī)飛行耗電量作為無人機(jī)巡視任務(wù)耗電量。無人機(jī)執(zhí)行巡視任務(wù)的耗電量由飛行耗電和巡視點(diǎn)位耗電兩部分共同組成，這種巡視任務(wù)耗電量計(jì)算方法主要考慮的是無人機(jī)飛行途中的耗電量。當(dāng)巡視點(diǎn)位較少時(shí)，無人機(jī)巡視任務(wù)耗電量約等于飛行耗電量，此時(shí)計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。當(dāng)無人機(jī)巡視點(diǎn)位較多時(shí)，由于需要長時(shí)間懸停、對特定點(diǎn)位進(jìn)行多角度成像并回傳圖像，會(huì)消耗額外電量，使得巡視點(diǎn)位耗電量占比增大，因此傳統(tǒng)的電量計(jì)算方法算出的電量不準(zhǔn)確，甚至?xí)l(fā)生很大的偏差，需要對電池耗電量修正。

基于任務(wù)點(diǎn)位的電池耗電量修正主要流程包括以下步驟。一是工作人員在無人機(jī)后臺機(jī)下達(dá)巡視任務(wù)。二是后臺機(jī)解析該巡視任務(wù)包含的巡視點(diǎn)位數(shù)量n。三是基于單個(gè)巡視點(diǎn)位耗電量q計(jì)算總的巡視點(diǎn)位耗電量ΔQ，其中單個(gè)巡視點(diǎn)位耗電量q是之前的試驗(yàn)中得到的無人機(jī)對于單個(gè)巡視點(diǎn)位耗電量最大值。四是基于總的巡視點(diǎn)位耗電量ΔQ對無人機(jī)內(nèi)嵌程序計(jì)算的無人機(jī)飛行耗電量Qf進(jìn)行修正。

無人機(jī)飛行耗電量Qf、巡視點(diǎn)位耗電量ΔQ以及巡視任務(wù)的電池耗電量X 計(jì)算公式（1）、（2）、（3）如下：

式中：d 為該任務(wù)的距離；v為無人機(jī)飛行速度；w為風(fēng)速；f為無人機(jī)飛行耗電函數(shù)。

3.3 電池自動(dòng)分配策略

系統(tǒng)軟件部分主要流程包括以下步驟。一是當(dāng)工作人員在無人機(jī)后臺機(jī)下達(dá)巡視任務(wù)后，后臺機(jī)自動(dòng)計(jì)算完成該巡視任務(wù)的電池電量X，并留出20%的裕度；如果1.2X 大于等于100%，則令該任務(wù)所需電池電量為電池滿電（100%）；如果1.2X小于100%，則令該任務(wù)所需電池電量為1.2X。二是將機(jī)巢中當(dāng)前所有電池的電量從高到低進(jìn)行排序，對比第1名（若存在多個(gè)電池電量相等并列第1的情況，則從中隨機(jī)選取任意一個(gè)）電池電量是否大于該任務(wù)所需電池電量。如果第1 名電池電量大于1.2X，則立即執(zhí)行飛行任務(wù)。選取第1 名的電池作為本次任務(wù)選定電池，定位電池電量第1 名的電池所在的充電位，后臺機(jī)給機(jī)巢機(jī)械臂下達(dá)抓取該電池的指令；如果第1 名電池電量小于等于1.2X，則等待用戶判別是否執(zhí)行飛行任務(wù)。三是基于該電池當(dāng)前實(shí)時(shí)電量與充電功率，計(jì)算出該電池電量達(dá)到1.2X 所需的時(shí)間t，后臺彈窗至用戶選擇界面“當(dāng)前所有電池均無法滿足要求，最快還需要時(shí)間t，是否在時(shí)間t后電池充電完成后自動(dòng)開始飛行？”，并提供“是”和“否”兩個(gè)選擇按鈕。若工作人員選擇“是”，則稍后執(zhí)行飛行任務(wù)。等待時(shí)間t后，執(zhí)行飛行任務(wù)。選取第1名的電池作為本次任務(wù)選定電池，定位電池電量第1 名的電池所在的充電位，后臺機(jī)給機(jī)巢機(jī)械臂下達(dá)抓取該電池的指令；若用戶選擇“否”，則取消本次飛行任務(wù)，上述新的無人機(jī)電池裝配流程如圖4所示。

圖4 新的無人機(jī)電池裝配流程

對新電池分配策略與原有電池分配策略的人工干預(yù)次數(shù)與電池裝配時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與對比，新舊電池分配策略的人工干預(yù)次數(shù)如表1所示，新舊電池分配策略的電池裝配時(shí)間如表2所示。由表1與表2可知，采用新策略后人工干預(yù)次數(shù)及電池裝配時(shí)間大幅度下降，新策略在4 種電池電量場景下的人工干預(yù)次數(shù)都為0，綜合5種電池電量場景下的平均干預(yù)次數(shù)降低97%，電池裝配時(shí)間由原本的1～5min降低至0.5min，平均電池裝配時(shí)間降低84%，顯著縮短電池裝配時(shí)間，提高無人機(jī)的巡視效率。

表1 新舊電池分配策略的人工干預(yù)次數(shù)(單位：次)

表2 新舊電池分配策略的電池裝配時(shí)間(單位：s）

4 結(jié)語

本文提出了一種基于電池實(shí)時(shí)電量的無人機(jī)自動(dòng)電池分配策略，通過加裝電池電量讀取模塊，在分配電池前讀取各電池電量，配置更精確的電池耗電量計(jì)算方法，基于巡視點(diǎn)位對任務(wù)所需電量進(jìn)行修正，將各電池電量與任務(wù)所需電量進(jìn)行對比判別，使分配的電池電量滿足無人機(jī)巡視任務(wù)要求。該策略與原有電池分配策略相比人工干預(yù)程度大幅度降低，軟件自動(dòng)判別取代人工判斷，使得無人機(jī)巡視過程時(shí)間顯著縮短，節(jié)約大量巡視時(shí)間的同時(shí)可以掃除限制無人機(jī)巡視全自動(dòng)的最后一環(huán)，有助于無人機(jī)巡視在電力行業(yè)的深度應(yīng)用。