專利名稱：一種用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及無人機巡檢高壓帶電電力線路時的避障領域，尤其涉及一種用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統。
背景技術：
近年來，我國國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展對我國電力工業(yè)提出了越來越高的要求。我國目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網共6個跨省區(qū)電網，500千伏線路已成為各大電力系統的骨架和跨省、跨地區(qū)的聯絡線，電網發(fā)展滯后的矛盾基本得到緩解。由于我國國土遼闊，地形復雜，為了安全和可靠地供電，巡線維護自動化和現代化已日益顯示出其迫切性。采用無人機空中作業(yè)進行電力巡線，能夠克服利用有人駕駛的直升機進行巡線的維護費用昂貴、安全問題突出等弊端，但由于無人機GPS導航存在誤差，巡檢飛行時可能遇到陣風過大，以及無人機的飛行高度不夠等因素會導致無人機在執(zhí)行任務的過程中可能會出現偏離預定航向的情況，存在造成無人機與輸電線路或其他障礙物發(fā)生碰撞的危險。山、樹木、鐵塔等其他障礙物體積較大，通過無人機實時傳回地面站的視頻即能夠識別；但由于輸電導線線徑小，視頻很難識別，為了保障無人機巡線系統及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，有必要實現無人機對輸電導線的避障。利用無人機搭載超聲波測距、紅外測距和激光測距設備對輸電導線進行檢測，由于導線線徑小，其檢測正確率較低；微波雷達測距設備可進行精確檢測，但其天線體積較大，且設備整體重量大，選擇該設備會影響到無人機上檢測等其他設備的安裝和搭載。根據帶電導線周圍電磁場環(huán)境的特殊性，可利用導線間距與電磁場強度之間的對應關系，通過數據計算處理，以及與無人機飛控系統之間的數據交互和判斷，來確定是否需要進行避障動作，該方法適用于電力巡線無人機在對輸電線路巡查時對帶電導線的規(guī)避。目前，國內外對高壓輸電導線電磁環(huán)境的研究和分析已取得了一定的成果，但主要的研究方向是高壓輸電導線電磁環(huán)境對離地2m范圍內人體和線路查修維護等接觸高壓輸電導線的工作人員的影響，以及對地面部分電子儀器等的干擾情況。高壓輸電導線電磁環(huán)境對于有人機、無人機的影響還停留在文字說明和概述分析的層面，尤其對利用導線間距與電磁場強度之間的對應關系，通過數據計算處理確定無人機巡檢帶電導線時是否需要避障動作相關的研究，僅在專利申請?zhí)枮?01120124969. I的專利《電力巡線無人直升機超低空飛行障礙規(guī)避子系統》中有以下描述“根據電力巡線無人機巡查目標一輸電線路的特殊性，設計了根據電磁場強度的探測來判斷與輸電線路距離這一具有針對性、獨特性、創(chuàng)造性的測距方法。此方法的特性是距離輸電線路越近，測距精度越高，可達厘米甚至毫米級別，尤其適用于電力巡線無人機在對輸電線路巡查時對輸電線路的規(guī)避。通過將不同電壓等級的輸電導線周圍磁場的變化做仿真計算，其計算分析可精確到厘米級，由此可獲取導線周圍的磁場分布，從而可通過預處理檢測到的磁場強度，即與仿真結果對比，可進行位置檢測和判斷，在檢測到與輸電導線距離小于某定值時，可強制改變飛行方向，以避免無人機與輸電導線的碰撞，避免事故發(fā)生?！爆F有技術缺點I)現有技術是通過檢測飛機所處位置的磁場強度的變化與仿真結果對比，進而進行對位置檢測和判斷。在輸電線路實際運行時，電壓大小基本保持在指定的電壓等級水平，但電流的大小是隨著負載的變化而實時變化的，因而磁場強度的數值也隨之實時變化，不具有測量判斷的可依據性。這種檢測方法所得的結果很不準確。2)現有技術中提及“現場測量”，但未提供測量裝置(包括裝置構成和安裝位置)、測量方法、數據處理方法和判斷依據。3)現有技術中提及用于參照的“仿真計算數值”，但未提供用于對比判斷的各電壓等級線路的仿真計算結果，不具有實用性。4)現有技術中未描述用于說明方法可行性的應用實例。

實用新型內容本實用新型的目的就是為解決上述問題，提供一種用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障裝置，它主要實現了無人機對輸電導線的避障，避免了無人機巡檢帶電導線時，由于GPS導航誤差，陣風過大，或飛行高度不夠導致執(zhí)行任務的過程中出現偏離預定航向，導致無人機與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機巡線系統及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，保證人身、電網和設備的安全。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統，它包括巡檢無人機，在無人機上設有電場壁障裝置，該裝置包括DSP數據處理模塊，兩路完全相同的電場測量回路，各電場測量回路包括依次連接的電場測量傳感器、信號處理單元和A/D轉化單元，A/D轉化單元與DSP數據處理模塊輸入端連接，DSP數據處理模塊輸出端與機載飛控系統連接。所述機載飛控系統包括飛控系統機載控制計算機，它分別與數字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉速測量傳感器、PCM遙控接收機、舵機控制器、數傳電臺，舵機控制器與伺服舵機連接，數傳電臺則與地面站通信。所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機機體正下方中央位置，兩路電場測量回路左右對稱安裝。一種采用用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統的避障方法，步驟一巡檢無人機巡檢帶電導線時，機身與輸電導線方向基本平行，以保證兩個電場強度數值差值的有效；記兩電場測量傳感器的安裝間距為1，并輸入DSP數據處理模塊中；電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內的電場強度數值后送入DSP數據處理模塊中；步驟二 根據電場避障裝置中電場測量傳感器采集的數據，進行避障指令的判斷；具體過程為在某一時刻，兩電場測量傳感器測得數值經處理轉化后分別記為m、m’，輸入DSP數據處理模塊，DSP數據處理模塊進行如下判斷輸出“安全”指令；
I[0022]2 C，輸出“避障”指令；其中，C為電場強度變化率的限值?？刂浦噶钍怯蒁SP數據處理模塊輸出給機載飛控系統，從而控制無人機機體進行下一步動作，指令為“安全”時，繼續(xù)當前飛行任務；指令為“避障”時，先將無人機懸停，通過實時傳回的視頻判斷發(fā)出“原路返航”或“臨時調整路線”的指令。利用仿真計算，對輸電導線建立電場計算模型，進而進行仿真計算得到的距離輸電線路一定距離位置電場強度變化率的數值，設定一個電場強度變化率的限值，仿真得出，對 220kV、500kV、750kV、IOOOkV 輸電導線分別對應 C220=29，C500=56, C750=77, C1000=81。本實用新型的工作原理為
電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元輸入DSP數據處理模塊，同時電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取工頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元也輸入DSP數據處理模塊，按照上述步驟中所述算法處理，生成的避障判斷結果輸入飛控系統機載控制計算機，進而將避障指令發(fā)送給舵機控制器，由其控制伺服舵機來改變無人機平臺的飛行狀態(tài)。同時，飛控系統機載控制計算機會將數字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉速測量傳感器和PCM遙控接收機的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數傳電臺進行與地面站之間的交互。對于不同電壓等級輸電線路對應C值不同；對同電壓等級不同線路參數(包括導線相間距、導線距地高度、導線型號)的導線，電場強度數值略有差異，電場強度的變化率相差極小，可認為同一電壓等級輸電線路對應C值相同。本實用新型的有益效果是I)本實用新型設計了一種用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統及方法，利用該系統，能夠實現無人機巡檢帶電導線時，對實時視頻中很難識別的導線的避障，提升巡線作業(yè)的可靠性，保障輸電線路及無人機巡線系統的安全。 2)上述無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統，是根據帶電導線周圍電場環(huán)境的特殊性設計，且所用元器件體積小、簡單輕便，由既能夠克服超聲波測距、紅外測距和激光測距設備檢測正確率低的問題，又能夠避免微波雷達測距設備體積、重量過大，不便于無人機搭載的弊端。3)上述無人機巡檢帶電導線的電場測量避障方法中，用于判斷無人機是否需要對輸電導線避障的測量參數為無人機所處位置電場強度差分數值的變化率，首先利用針對某條輸電線路較穩(wěn)定的電場強度數值，其次采用計算差分變化率的方法既能夠可排除空間內可能存在的其他近似頻率的電場強度的干擾，又使計算參數中的變量盡可能減少，使計算數值準確可靠，且以220kV、500kV、750kV、IOOOkV電壓等級的輸電導線為例，提供了用于對比判斷的仿真計算結果。

圖I為無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統的結構及數據流程圖；圖2為無人機巡檢220kV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系不意圖；[0035]圖3為無人機巡檢500kV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系不意圖；圖4為無人機巡檢750kV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系不意圖；圖5為無人機巡檢IOOOkV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系不意圖；圖6為實際220kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖7為220kV線路仿真、實測電場變化率對比圖；圖8為實際500kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖9為500kV線路仿真、實測電場變化率對比圖；圖10為實際750kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖11為750kV線路仿真、實測電場變化率對比圖；圖12為實際IOOOkV交流輸電線路所用典型直線塔；圖13為IOOOkV線路仿真、實測電場變化率對比圖。其中，I、電場測量傳感器，2、信號處理單元，3、A/D轉化單元，4. DSP數據處理模塊，5.飛控系統機載控制計算機，6.數字羅盤，7.三軸陀螺儀，8.三軸加速度計，9.衛(wèi)星定位模塊，10.氣壓高度計，11.轉速測量傳感器，12. PCM遙控接收機，13.舵機控制器，14.數傳電臺，15.伺服舵機，16.電場避障裝置，17是地面站。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。圖I中，它包括巡檢無人機，在無人機上設有電場壁障裝置16，該裝置包括DSP數據處理模塊4，兩路完全相同的電場測量回路，各電場測量回路包括依次連接的電場測量傳感器I、信號處理單元2和A/D轉化單元3，A/D轉化單元3與DSP數據處理模塊4輸入端連接，DSP數據處理模塊4輸出端與機載飛控系統連接。所述機載飛控系統包括飛控系統機載控制計算機5，它分別與數字羅盤6、三軸陀螺儀7、三軸加速度計8、衛(wèi)星定位模塊9、氣壓高度計10、轉速測量傳感器11、PCM遙控接收機12、舵機控制器13、數傳電臺14，舵機控制器13與伺服舵機15連接，數傳電臺14則與地面站17通信。所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機機體正下方中央位置，兩路電場測量回路左右對稱安裝。場測量傳感器I將所測電場強度數值輸入信號處理單元2，提取工頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元3輸入DSP數據處理模塊4 (兩電場測量回路均如此)，按照上述步驟b中所述算法處理，生成的避障判斷結果輸入飛控系統機載控制計算機5，進而將避障指令發(fā)送給舵機控制器13，由其控制伺服舵機15來改變無人機平臺的飛行狀態(tài)。同時，飛控系統機5載控制計算機會將數字羅盤6、三軸陀螺儀7、三軸加速度計8、衛(wèi)星定位模塊9、氣壓高度計10、轉速測量傳感器11和PCM遙控接收機12的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數傳電臺14進行與地面站17之間的交互。本實用新型避障方法的步驟為[0053]步驟一安裝電場避障裝置。無人機巡檢帶電導線時，為保持整機的平衡性良好，電場避障裝置16整體要處在無人機機體正下方中央位置，為保持整機的左右平衡性良好，如圖I所示的兩個電場測量傳感器I、兩個信號處理單元2、及兩個A/D轉化單元3、應左右對稱安裝，且采用上述安裝方法的電場差分避障系統，無人機巡檢帶電導線時，機身需與輸電導線方向基本平行(一般無人機巡檢帶電導線時均如此，這樣能夠保證兩個電場強度數值差值的有效)。記兩工頻電場測量模塊安裝間距為I。步驟二 將兩電場測量傳感器I安裝間距I輸入DSP數據處理模塊4中。步驟三根據電場避障裝置16中電場測量傳感器I采集的數據，進行避障指令的判斷。所述步驟三包含以下幾個步驟 a.仿真計算。對輸電導線建立電場計算模型，進而進行仿真計算(電場數值計算軟件ANSOFT中)得到的距離輸電線路一定距離位置電場強度變化率的數值。設定一個電場強度變化率的限值(下述公式中(值)，仿真得出，對2201^、5001^、7501^、10001^輸電導線分別對應 C220=29，C500=56, C750=77，C1000=81。b.避障判斷。DSP數據處理模塊中的判斷算法如下無人機巡檢帶電導線時，在某一時刻，兩電場測量傳感器測得數值經處理轉化后(分別記為m、m’ )輸入DSP數據處理模塊，DSP數據處理模塊進行如下判斷< C,輸出“安全”指令；> C,輸出“避障”指令。c.避障動作。指令是由數據處理及轉化模塊輸出給無人機飛行控制系統，進而控制無人機機體進行下一步動作，指令為“安全”時，繼續(xù)當前飛行任務；指令為“避障”時，先將無人機懸停，通過實時傳回的視頻判斷發(fā)出“原路返航”或“臨時調整路線”的指令。如圖I所示，其中，電場測量傳感器I用來測量所處環(huán)境中電場強度大小；信號處理單元2用來提取工頻范圍內的電場強度數值。電場測量傳感器I將所測電場強度數值輸入信號處理單元2，提取工頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元3輸入DSP數據處理模塊4 (兩電場測量回路均如此)，按照上述步驟b中所述算法處理，生成的避障判斷結果輸入飛控系統機載控制計算機5，進而將避障指令發(fā)送給舵機控制器13，由其控制伺服舵機15來改變無人機平臺的飛行狀態(tài)。同時，飛控系統機5載控制計算機會將數字羅盤6、三軸陀螺儀7、三軸加速度計8、衛(wèi)星定位模塊9、氣壓高度計10、轉速測量傳感器11和PCM遙控接收機12的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數傳電臺14進行與地面站17之間的交互。上述步驟a中，不同電壓等級輸電線路對應C值不同；對同電壓等級不同線路參數(包括導線相間距、導線距地高度、導線型號)的導線，電場強度數值略有差異，電場強度的變化率相差極小，可認為同一電壓等級輸電線路對應C值相同。對于C值計算，如下所示結果一對220kV輸電導線進行仿真建模,得到圖2為無人機巡檢220kV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系示意圖。取C為距導線20m時(該距離選取結合了專利申請?zhí)?01210044124. O無人機電力巡線安全距離檢測方法中所述安全距離，下同)電場強度變化率數值，即C220=29。結果二對500kV輸電導線進行仿真建模,得到圖3為無人機巡檢500kV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系示意圖。取C為距導線24m時電場強度變化率數值，即C500=56。結果三對750kV輸電導線進行仿真建模，得到圖4為無人機巡檢750kV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系示意圖。 取C為距導線27m時電場強度變化率數值，即C750=77。結果四對IOOOkV輸電導線進行仿真建模，得到圖5為無人機巡檢IOOOkV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系示意圖。取C為距導線32m時電場強度變化率數值，即C1000=81。實施例I :將電場差分避障系統搭載于無人機上對實際220kV線路進行檢測，設定無人機飛行時機身與輸電導線方向基本平行，為與邊項導線等高，飛行路線由距離邊項導線70米緩慢向導線靠近，至距離導線16米(選擇該距離范圍是為了保障無人機的安全，且能夠驗證中途是否在預想位置收到電場測量避障系統的報警信號)。為減小飛行誤差，飛行條件選擇如下天氣晴朗無風；巡視導線如下圖6所示直線桿塔中間的導線；設定C220=29，1=0. 22m,，進行飛行測試。飛行中途無人機收到電場測量避障系統的報警信號，進行懸停后選擇原路返回，導出數據，與仿真計算結果對比如圖7所示。圖7中，“系列一”為仿真數據，“系列二”為實測數據。由圖可見，仿真數據與實測數據基本一致。且電場差分避障系統也能夠按照預設距離產生報警信號，說明了電場差分避障系統及仿真數據的實用性。實施例2 將電場差分避障系統搭載于無人機上對實際500kV線路進行檢測，設定無人機飛行時機身與輸電導線方向基本平行，為與邊項導線等高，飛行路線由距離邊項導線70米緩慢向導線靠近，至距離導線20米(選擇該距離范圍是為了保障無人機的安全，且能夠驗證中途是否在預想位置收到電場測量避障系統的報警信號)。為減小飛行誤差，飛行條件選擇如下天氣晴朗無風；巡視導線如下圖8所示直線桿塔中間的導線；設定C500=56，1=0. 22m,，進行飛行測試。飛行中途無人機收到電場測量避障系統的報警信號，進行懸停后選擇原路返回，導出數據，與仿真計算結果對比如圖9所示。圖9中，“系列一”為仿真數據，“系列二”為實測數據。由圖可見，仿真數據與實測數據基本一致。且電場差分避障系統也能夠按照預設距離產生報警信號，說明了電場差分避障系統及仿真數據的實用性。實施例3 將電場差分避障系統搭載于無人機上對實際750kV線路進行檢測，設定無人機飛行時機身與輸電導線方向基本平行，為與邊項導線等高，飛行路線由距離邊項導線70米緩慢向導線靠近，至距離導線23米(選擇該距離范圍是為了保障無人機的安全，且能夠驗證中途是否在預想位置收到電場測量避障系統的報警信號)。為減小飛行誤差，飛行條件選擇如下天氣晴朗無風； 巡視導線如下圖10所示直線桿塔中間的導線；設定C750=77，1=0. 22m，，進行飛行測試。飛行中途無人機收到電場測量避障系統的報警信號，進行懸停后選擇原路返回，導出數據，與仿真計算結果對比如圖11所示。圖11中，“系列一”為仿真數據，“系列二”為實測數據。由圖可見，仿真數據與實測數據基本一致。且電場差分避障系統也能夠按照預設距離產生報警信號，說明了電場差分避障系統及仿真數據的實用性。實施例4 將電場差分避障系統搭載于無人機上對實際IOOOkV線路進行檢測，設定無人機飛行時機身與輸電導線方向基本平行，為與邊項導線等高，飛行路線由距離邊項導線70米緩慢向導線靠近，至距離導線28米(選擇該距離范圍是為了保障無人機的安全，且能夠驗證中途是否在預想位置收到電場測量避障系統的報警信號)。為減小飛行誤差，飛行條件選擇如下天氣晴朗無風；巡視導線如下圖12所示直線桿塔中間的導線；設定C1000=81，1=0. 22m，，進行飛行測試。飛行中途無人機收到電場測量避障系統的報警信號，進行懸停后選擇原路返回，導出數據，與仿真計算結果對比如圖13所示。圖13中，“系列一”為仿真數據，“系列二”為實測數據。由圖可見，仿真數據與實測數據基本一致。且電場差分避障系統也能夠按照預設距離產生報警信號，說明了電場差分避障系統及仿真數據的實用性。上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
權利要求1.一種用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統，它包括巡檢無人機，其特征是，在無人機上設有電場壁障裝置，該裝置包括DSP數據處理模塊，兩路完全相同的電場測量回路，各電場測量回路包括依次連接的電場測量傳感器、信號處理單元和A/D轉化單元，A/D轉化單元與DSP數據處理模塊輸入端連接，DSP數據處理模塊輸出端與機載飛控系統連接。
2.如權利要求I所述的用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統，其特征是，所述機載飛控系統包括飛控系統機載控制計算機，它分別與數字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉速測量傳感器、PCM遙控接收機、舵機控制器、數傳電臺，舵機控制器與伺服舵機連接，數傳電臺則與地面站通信。
3.如權利要求I所述的用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統，其特征是，所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機機體正下方中央位置，兩路電場測量回路左右對稱安裝。
專利摘要本實用新型公開了一種用于無人機巡檢帶電導線的電場差分避障系統，它包括巡檢無人機，在無人機上設有電場壁障裝置，該裝置包括DSP數據處理模塊，兩路完全相同的電場測量回路，各電場測量回路包括依次連接的電場測量傳感器、信號處理單元和A/D轉化單元，A/D轉化單元與DSP數據處理模塊輸入端連接，DSP數據處理模塊輸出端與機載飛控系統連本實用新型實現了無人機對輸電導線的避障，避免了無人機巡檢帶電導線時，由于GPS導航誤差，陣風過大，或飛行高度不夠導致執(zhí)行任務的過程中出現偏離預定航向，導致無人機與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機巡線系統及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，保證人身、電網和設備的安全。
文檔編號G01R29/00GK202632112SQ20122031416
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權日2012年6月29日
發(fā)明者鄭天茹, 王濱海, 王騫, 陳西廣, 劉俍 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網公司