CN112558627A - 基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统及方法，该系统包括机器鱼超声发射单元、超声接收单元、超声传播时延估计单元、距离计算单元和运动单元；超声发射单元向机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号；超声接收单元接收6个方向反射回波信号；超声传播时延估计单元计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；距离计算单元计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；运动单元控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。本发明根据变压器内部噪声的复杂情况，灵活调节PHAT‑beta广义互相关算法中的指数调节因子，即可获得准确的时延估计性能，实现机器鱼在变压器油中躲避障碍物功能。

Description

基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统及方法
技术领域
本发明属于变压器技术领域，尤其是一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统及方法。
背景技术
变压器的安全运行对电网的稳定性具有至关重要的作用，但是随着服役时间的增加和不良工况的冲击，变压器在运行过程中会发生各种故障，尤其是内部故障存在难以及时发现、检测和定位的问题。因此，对变压器的运行状态进行检测和监测、建立变压器故障诊断和预警系统，对于保障变压器和电网的安全具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
目前，变压器的故障检测方法主要包括：局部放电监测和油中溶解气体分析法(Dissolved Gas Analysis,DGA)。近年来，随着微型机器人技术和人工智能算法的进步，机器人可以完成各种复杂环境下的故障检测。通过变压器注油孔将微型机器鱼放入油浸式变压器内部，根据机器鱼体上安装的传感系统能够实现变压器内部故障更直观、更快速的分析。为了避免机器鱼与变压器内部组件发生碰撞，需要实时测量机器鱼与周围障碍物的时间延迟。
目前，时延估计方法主要包括：上升沿触发法、阈值触发法、基本互相关、广义互相关、高阶统计量和神经网络等。虽然时延估计在信号处理领域中得到了很大的发展，但是，由于变压器内部工况和噪声条件复杂，目前还缺乏准确的机器鱼时延估计和避障方法，因此，如何实现变压器内部特殊应用环境的巡检机器鱼时延估计避障方法是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、具有抗干扰能力强且时延估计结果准确的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统及方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统及方法，包括机器鱼超声发射单元、超声接收单元、超声传播时延估计单元、距离计算单元和运动单元；所述超声发射单元采用指向性超声探头，向机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号；所述超声接收单元接收机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向反射回波信号；所述超声传播时延估计单元与超声发射单元、超声接收单元相连接，计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；所述距离计算单元与超声传播时延估计单元相连接，根据超声传播时延估计单元提供的6个方向的时间延迟和变压器油中的声波速计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；所述运动单元与距离计算单元相连接，根据机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。
而且，所述超声发射单元和超声接收单元采用收发一体式的指向性超声探头。
而且，所述指向性超声探头为两个，两个指向性超声探头分别安装在机器鱼的上部和下部，所述上部指向性超声探头完成向前、后、左、右、上5个方向发射和接收超声信号，下部指向性超声探头完成向下1个方向发射和接收超声信号。
而且，所述指向性超声探头的方向角小于10°。
而且，所述超声发射单元的超声发射信号类型采用的调制的窄带超声信号，信号类型为中心频率100kHz～1MHz的正弦波或方波，信号时长为5～10周期。
一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的方法，包括以下步骤：
步骤1、机器鱼上的超声发射单元实时向机器鱼前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号，机器鱼上的超声接收单元接收6个方向反射回波信号；
步骤2、超声传播时延估计单元根据6个方向上超声发射信号和反射回波信号计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；
步骤3、距离计算单元根据超声传播时延估计单元提供的时间延迟和变压器油中的声波速，计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；
步骤4、运动单元根据距离计算单元提供的机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。
所述步骤2采用PHAT-beta广义互相关算法计算时间延迟，其具体实现方法包括以下步骤：
⑴采用如下公式计算单一方向超声发射信号和反射回波信号的频谱：
Figure BDA0002788825670000021
Figure BDA0002788825670000022
上式中，s1(t)为超声发射信号，s2(t)为反射回波信号，ω为角频率，X1(ω)为超声发射信号的频谱，X2(ω)为反射回波信号的频谱；
⑵采用如下公式计算单一方向的超声发射信号和反射回波信号的互功率谱：
G12(ω)＝X1(ω)X2 *(ω)
上式中，*表示复共轭，G12(ω)表示超声发射信号和反射回波信号的互功率谱；
⑶采用如下PHAT-beta广义互相关加权函数对互功率谱进行加权计算：
Figure BDA0002788825670000023
上式中，Ψ(ω)表示广义互相关加权函数，β为指数调节因子；
⑷对步骤⑵和步骤⑶得到的公式的乘积进行傅里叶逆变换，得到广义互相关函数：
Figure BDA0002788825670000024
上式中，R12(τ)表示广义互相关函数。
所述步骤3采用如下公式计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离D：
Figure BDA0002788825670000031
式中，D为机器鱼与障碍物之间的距离，t1表示超声发射时间，t2表示反射回波接收的时间。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明针对变压器的运行特点以及噪声情况，通过机器鱼体安装的指向性超声探头向前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号，超声信号遇到障碍物时发生反射，通过6个方向的超声接收探头接收该方向的反射回波信号；分别对不同方向的发射信号和反射回波信号进行广义互相关时延估计，得到不同方向的超声传播时间延迟，从而实现机器鱼在变压器油中躲避障碍物功能。
2、本发明将5个方向的探头安装在机器鱼上部，将1个方向的探头安装在机器鱼的下部，相对于将探头分散安装到机器鱼的6个位置(上下前后左右)，既可以有效节省空间，又可以实现全方向的避障功能。
3、本发明通过快速傅里叶变换计处超声信号的频谱和互功率谱，相对于时域卷积和积分的方法，具有运算量低、占用内存少的优点，便于实现实时计算功能。
4、本发明可以根据变压器内部噪声的复杂情况，灵活调节PHAT-beta广义互相关算法中的指数调节因子，即可获得准确的时延估计性能，具有抗干扰能力强以及更好的适应性特点。
附图说明
图1是本发明的变压器机器鱼避障系统结构图；
图2是本发明的变压器机器鱼避障原理示意图；
图3是本发明的PHAT-beta广义互相关时延估计流程图；
图4是本发明的单一方向超声传播示意图；
图5是本发明的不同指数调节因子对应的时延估计效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，如图1所示，包括机器鱼超声发射单元、超声接收单元、超声传播时延估计单元、距离计算单元和运动单元(运动控制器)。所述超声发射单元采用指向性超声探头，能够向机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号；所述超声接收单元能够接收机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向反射回波信号；所述超声传播时延估计单元与超声发射单元、超声接收单元相连接，能够计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；所述距离计算单元与超声传播时延估计单元相连接，根据超声传播时延估计单元提供的6个方向的时间延迟和变压器油中的声波速进行计算，获得机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；所述运动单元与距离计算单元相连接，根据机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，完成机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。
在本实施例中，超声发射单元和超声接收单元采用收发一体式、方向指向性强(方向角小于10°)的超声探头，该超声探头安装在机器鱼的上部和下部，其中上部超声探头完成向前、后、左、右、上5个方向发射和接收超声信号，下部超声探头完成向下1个方向发射和接收超声信号。
在本实施例中，超声发射信号类型采用的调制的窄带超声信号，信号类型为中心频率100kHz～1MHz的正弦波或方波，信号时长为5～10周期。
根据上述变压器机器鱼避障系统，本发明还提供一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的避障方法，包括以下步骤：
步骤1、机器鱼超声发射单元实时向机器鱼前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号，机器鱼超声接收单元接收6个方向反射回波信号。
步骤2、超声传播时延估计单元根据6个方向上超声发射信号和反射回波信号计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟。
在本实施例中，超声传播时延估计单元采用PHAT-beta广义互相关算法进行时延估计，如图3及图4所示，包括以下过程：
根据公式(1)计算单一方向超声发射信号和反射回波信号的频谱：
Figure BDA0002788825670000041
s1(t)为超声发射信号，s2(t)为反射回波信号，ω为角频率，X1(ω)为超声发射信号的频谱，X2(ω)为反射回波信号的频谱。
根据公式(2)计算单一方向的超声发射信号和反射回波信号的互功率谱：
G12(ω)＝X1(ω)X2 *(ω) (2)
其中，*表示复共轭，G12(ω)表示超声发射信号和反射回波信号的互功率谱。
本发明采用如下PHAT-beta广义互相关加权函数对互功率谱进行加权计算：
Figure BDA0002788825670000042
其中，Ψ(ω)表示广义互相关加权函数，β为指数调节因子，根据变压器的噪声条件决定。图5给出了不同指数调节因子对应的时延估计效果图。
对公式(2)和公式(3)的乘积进行傅里叶逆变换，得到广义互相关函数：
Figure BDA0002788825670000043
R12(τ)表示广义互相关函数。
通过对广义互相关函数进行峰值检测，得到R12(τ)曲线的最大值对应的时间值，即为超声信号的传播时间延迟。
步骤3、距离计算单元根据超声传播时延估计单元提供的时间延迟和变压器油中的声波速，计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离D，其计算公式为：
Figure BDA0002788825670000051
其中：D为机器鱼与障碍物之间的距离，t1表示超声发射时间，t2表示反射回波接收的时间。
步骤4、运动单元根据距离计算单元提供的机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：包括机器鱼超声发射单元、超声接收单元、超声传播时延估计单元、距离计算单元和运动单元；所述超声发射单元采用指向性超声探头，向机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号；所述超声接收单元接收机器鱼的前、后、左、右、上、下6个方向反射回波信号；所述超声传播时延估计单元与超声发射单元、超声接收单元相连接，计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；所述距离计算单元与超声传播时延估计单元相连接，根据超声传播时延估计单元提供的6个方向的时间延迟和变压器油中的声波速计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；所述运动单元与距离计算单元相连接，根据机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。
2.根据权利要求1所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述超声发射单元和超声接收单元采用收发一体式的指向性超声探头。
3.根据权利要求2所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述指向性超声探头为两个，两个指向性超声探头分别安装在机器鱼的上部和下部，所述上部指向性超声探头完成向前、后、左、右、上5个方向发射和接收超声信号，下部指向性超声探头完成向下1个方向发射和接收超声信号。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述指向性超声探头的方向角小于10°。
5.根据权利要求1至3任一项所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统，其特征在于：所述超声发射单元的超声发射信号类型采用的调制的窄带超声信号，信号类型为中心频率100kHz～1MHz的正弦波或方波，信号时长为5～10周期。
6.一种如权利要求1至5任一项所述基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、机器鱼上的超声发射单元实时向机器鱼前、后、左、右、上、下6个方向发射超声信号，机器鱼上的超声接收单元接收6个方向反射回波信号；
步骤2、超声传播时延估计单元根据6个方向上超声发射信号和反射回波信号计算6个方向上超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟；
步骤3、距离计算单元根据超声传播时延估计单元提供的时间延迟和变压器油中的声波速，计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离；
步骤4、运动单元根据距离计算单元提供的机器鱼6个方向与障碍物之间的距离，控制机器鱼的左右转向和上浮、下沉，从而躲避障碍物。
7.根据权利要求6所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的方法，其特征在于：所述步骤2采用PHAT-beta广义互相关算法计算时间延迟，其具体实现方法包括以下步骤：
⑴采用如下公式计算单一方向超声发射信号和反射回波信号的频谱：
Figure FDA0002788825660000021
Figure FDA0002788825660000022
上式中，s1(t)为超声发射信号，s2(t)为反射回波信号，ω为角频率，X1(ω)为超声发射信号的频谱，X2(ω)为反射回波信号的频谱；
⑵采用如下公式计算单一方向的超声发射信号和反射回波信号的互功率谱：
G12(ω)＝X1(ω)X2 *(ω)
上式中，*表示复共轭，G12(ω)表示超声发射信号和反射回波信号的互功率谱；
⑶采用如下PHAT-beta广义互相关加权函数对互功率谱进行加权计算：
Figure FDA0002788825660000023
上式中，Ψ(ω)表示广义互相关加权函数，β为指数调节因子；
⑷对步骤⑵和步骤⑶得到的公式的乘积进行傅里叶逆变换，得到广义互相关函数：
Figure FDA0002788825660000024
上式中，R12(τ)表示广义互相关函数；
⑸对广义互相关函数进行峰值检测，得到R12(τ)曲线的最大值对应的时间值，该时间至为超声发射信号和反射回波信号之间的时间延迟。
8.根据权利要求6所述的基于广义互相关的变压器机器鱼避障系统的方法，其特征在于：所述步骤3采用如下公式计算机器鱼6个方向与障碍物之间的距离D：
Figure FDA0002788825660000025
式中：D为机器鱼与障碍物之间的距离，t1表示超声发射时间，t2表示反射回波接收的时间。
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