油浸式变压器微型仿生鱼导航定位技术综述

贺欣　张应田　刘力卿　栗薇　于洋

摘 要：在微型仿生鱼检测过程中，实现微型仿生鱼位姿的准确定位是仿生鱼任务完成的关键。本文通过对常用水下航行器导航定位技术的优缺点进行分析，为油浸式变压器微型仿生鱼的定位导航技术研究提供借鉴。

关键词：变压器;微型仿生鱼;导航定位技术

中图分类号：TM411 文献标识码：A 文章编号：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

大型电力变压器额定容量大、电压等级高，是电网的核心设备。据统计，绝缘性能劣化是导致电气设备发生的故障的主要原因[1]。目前，局部放电监测是判断电气设备绝缘故障的常用手段。但由于变压器的封闭性，并且其内部结构复杂，局放监测难以对变压器内部放电的类型、位置以及严重程度进行准确判断[2]。微型仿生鱼体积较小，可通过变压器注油管道直接进入变压器本体，对其内部绝缘表面上的碳痕进行观测，能够准确判定变压器内部绝缘的故障位置及劣化程度[3]。

大型变压器内部结构复杂，体积较大，变压器微型仿生鱼在检测过程中，实现其位姿准确定位是仿生鱼任务完成的关键。由于变压器由金属外壳完全密封，难以采用常规的传感器（激光雷达、视觉相机、GPS等）对微型仿生鱼的位姿进行定位，因此，变压器油中微型仿生鱼的定位可参考水下航行器的一些定位方法。

1 水下导航定位技术研究现状

由于电磁波在水中传播衰减较大，高精度GPS信号常常无法直接用于水下导航定位。为此，非卫星水下导航技术成为研究热点，常用的定位方法主要有惯性导航、地形辅助导航、重力场匹配导航和声学导航等多种方式。

1.1 惯性导航技术

惯性导航定位技术能在不与外界通信的情况下进行连续三维空间定位，属于自主导航定位技术的一种[4]。与卫星导航、天文导航相比，惯性导航定位技术具有自主、隐蔽、载体信息获取完备等优点。但是，随着时间推移，惯性导航定位技术容易产生积累误差，存在原理性缺陷。因此，为了能进行长时间高精度导航定位，需要利用外界位置信息周期性地对惯性导航进行调整和校正[5，6]。

1.2 地形辅助导航技术

地形辅助导航技术能利用地形高程特征信息，辅助惯性导航系统对飞机、潜艇、导弹等进行精确导航[7]。目前，地形辅助导航技术在飞机、导弹上的应用已经较为成熟。对于水下航行器，利用水下航行器所处位置的水深信息作为高程特征信息。在运动过程中，水下航行器利用水深传感器实时探测其所在位置的水深信息（实时序列），并利用INS提供的水下航行器位置，在预先存储的数字地形扇程数据库中提取出相应的地形高程数据（基准序列），将实时序列与基准序列进行匹配得到水下航行器的匹配轨迹，利用匹配轨迹修正惯性导航系统的解算轨迹，从而对惯性导航系统的时间积累误差进行校正。

地形匹配算法是地形辅助导航系统的核心，算法性能的优劣直接影响导航系统的精度[8]。常用的地形匹配算法主要有以下几种。第一，采用批相关处理技术的地形轮廓匹配系统，该方法能在事先规划好的地形匹配区上周期地、连续地进行地形高程匹配定位，并同时修正主惯性导航系统的位置误差，主要应用于巡航导弹的导航;第二，采用递推滤波技术的桑迪亚惯性地形辅助导航系统，该方法能进行连续和逆推的地形高程匹配定位，同时修正主惯性导航系统的位置误差，主要用于战斗机的导航。

1.3 重力场匹配导航技术

重力场匹配导航技术是一种新型无源导航技术，主要利用航行器重力仪测量所处位置的重力场特征信息，并将测得的信息与预先构建好的重力场背景图进行匹配，在此基础上，利用匹配算法计算航行器的位置。重力场匹配导航系统包括重力仪、重力图和重力场匹配定位算法。目前，水下重力场分辨率已经达到2′×2′以内，这给高精度重力匹配导航提供了可能性[9]。

1.4 声学导航定位技术

由于声波信号比电磁波信号在水中能传播更远的距离，声学导航定位技术也是水下导航的重要手段。声学导航定位通过在水下铺设应答器基阵，并根据声信号在航行器与应答器之间传播的特性，计算航行器距应答器的位置。声学导航定位技术精度高，无累积误差，但需要提前铺设应答基阵，设备成本较高[10]。

2 结语

单一水下导航技术各有优缺点。变压器的金属外壳完全密封，变压器内部无光照，且地球重力场难以进入，因此，难以采用常规的传感器（激光雷达、视觉相机、GPS、重力仪等）对微型仿生鱼的位姿进行定位，且由于变压器微型仿生鱼法发出的超声信号会经过变压器油和外壳进行传播，传播路径较复杂，对超声定位传感器的布置造成较大困扰。为此，本文拟将基于声-电位姿定位和惯性导航相结合，以用于微型机器人的导航定位。

参考文献：

[1]李俭，孙才新，陈伟根，等.灰色聚类与模糊聚类集成诊断变压器内部故障的方法研究[J].中国电机工程学报，2003（2）：112-115.

[2]翟季青，刘志清.变压器故障诊断的综述[J].电力设备，2003（6）：60-61.

[3]黄荣辉，冯迎宾，李勋，等.基于WiFi遥控的油浸式变压器内部检测机器人研究[J].机械工程师，2017（6）：73-76.

[4]吕余海.激光测角技术在舰载机惯导动基座对准中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[5]张逸群.水下航行器的地形匹配算法研究[D].南京：东南大學，2009.

[6]陈小龙.AUV水下地形匹配辅助导航技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[7]杨绘弘.基于ICCP的水下潜器地形辅助导航方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[8]刘承香.水下潜器的地形应配辅助定位技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.

[9]黄扬明.高精度捷联式航空重力仪误差估计方法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2013.

[10]尹伟伟，郭士荦.非卫星水下导航定位技术综述[J].舰船电子工程，2017（3）：8-11.