CN102722178B - 用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无人机巡检带电导线的电场测量避障装置及方法，它包括巡检无人机，在无人机上设有电场避障装置，该装置包括DSP数据处理模块，依次连接的电场测量传感器、信号处理单元和A/D转化单元，A/D转化单元与DSP数据处理模块输入端连接，DSP数据处理模块输出端与机载飞控系统连接。本发明避免了无人机巡检带电导线时，由于GPS导航误差，阵风过大，飞行高度不够导致执行任务的过程中出现偏离预定航向，导致无人机与输电线路碰撞情况发生，保障无人机巡线系统及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性，保证人身、电网和设备的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种巡检无人机避障系统及方法，尤其涉及一种用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统及方法。
背景技术
近年来，我国国民经济的持续快速发展对我国电力工业提出了越来越高的要求。我国目前已形成华北、东北、华东、华中、西北和南方电网共6个跨省区电网，500千伏线路已成为各大电力系统的骨架和跨省、跨地区的联络线，电网发展滞后的矛盾基本得到缓解。由于我国国土辽阔，地形复杂，为了安全和可靠地供电，巡线维护自动化和现代化已日益显示出其迫切性。
采用无人机空中作业进行电力巡线，能够克服利用有人驾驶的直升机进行巡线的维护费用昂贵、安全问题突出等弊端，但由于无人机GPS导航存在误差，巡检飞行时可能遇到阵风过大，以及无人机的飞行高度不够等因素导致无人机在执行任务的过程中可能会出现偏离预定航向的情况，存在造成无人机与输电线路或其他障碍物发生碰撞的危险。山、树木、铁塔等其他障碍物体积较大，通过无人机实时传回地面站的视频即能够识别；但由于输电导线线径小，视频很难识别，为了保障无人机巡线系统及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性，有必要实现无人机对输电导线的避障。
目前，国内外对高压输电导线电磁环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压输电导线电磁环境对离地2m范围内人体和线路查修维护等接触高压输电导线的工作人员的影响，以及对地面部分电子仪器等的干扰情况。高压输电导线电磁环境对于有人机、无人机的影响还停留在文字说明和概述分析的层面，尤其对利用导线间距与电磁场强度之间的对应关系，通过数据计算处理确定无人机巡检带电导线时是否需要避障动作相关的研究，仅在专利申请号为201120124969.1的专利《电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统》中有以下描述：
“根据电力巡线无人机巡查目标—输电线路的特殊性，设计了根据电磁场强度的探测来判断与输电线路距离这一具有针对性、独特性、创造性的测距方法。此方法的特性是：距离输电线路越近，测距精度越高，可达厘米甚至毫米级别，尤其适用于电力巡线无人机在对输电线路巡查时对输电线路的规避。
通过将不同电压等级的输电导线周围磁场的变化做仿真计算，其计算分析可精确到厘米级，由此可获取导线周围的磁场分布，从而可通过预处理检测到的磁场强度，即与仿真结果对比，可进行位置检测和判断，在检测到与输电导线距离小于某定值时，可强制改变飞行方向，以避免无人机与输电导线的碰撞，避免事故发生。”
现有技术缺点：
(1)现有技术是通过检测飞机所处位置的磁场强度的变化与仿真结果对比，进而进行对位置检测和判断。在输电线路实际运行时，电压大小基本保持在指定的电压等级水平，但电流的大小是随着负载的变化而实时变化的，因而磁场强度的数值也随之实时变化，不具有测量判断的可依据性。这种检测方法所得的结果很不准确。
(2)现有技术中提及“现场测量”，但未提供测量装置（包括装置构成和安装位置）、测量方法、数据处理方法和判断依据。
(3)现有技术中提及用于参照的“仿真计算数值”，但未提供用于对比判断的各电压等级线路的仿真计算结果，不具有实用性。
(4)现有技术中未描述用于说明方法可行性的应用实例。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种用于无人机巡检带电导线的电场测量避障装置及方法，它主要实现了无人机对输电导线的避障，避免了无人机巡检带电导线时，由于GPS导航误差，阵风过大，或飞行高度不够导致执行任务的过程中出现偏离预定航向，导致无人机与输电线路碰撞情况的发生，保障了无人机巡线系统及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性，保证人身、电网和设备的安全。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统，它包括巡检无人机，在无人机上设有电场避障装置，该装置包括DSP数据处理模块，依次连接的电场测量传感器、信号处理单元和A/D转化单元，A/D转化单元与DSP数据处理模块输入端连接，DSP数据处理模块输出端与机载飞控系统连接。
所述机载飞控系统包括飞控系统机载控制计算机，它分别与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、舵机控制器、数传电台，舵机控制器与伺服舵机连接，数传电台则与地面站通信。
所述电场避障装置整体要处在巡检无人机机体正下方中央位置。
一种用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统的避障方法，
步骤一：巡检无人机巡检带电导线时，机身与输电导线方向基本平行；
步骤二：设置DSP数据处理模块中，计算电场变化率时所采用两数据的时间间隔Δt；
步骤三：电场测量传感器将所测电场强度数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度数值后送入DSP数据处理模块中；DSP数据处理模块中的判断算法如下：
取t时刻工频电场测量模块测得数值为m，t+Δt时刻工频电场测量模块测得数值为n，并在t+Δt时刻取无人机飞行控制系统提供的无人机实时飞行速率记为v，数据处理及转化模块进行如下判断：
v=0时，输出“安全”指令；
v≠0时，|m-n|/（v*Δt）<C，输出“安全”指令；
|m-n|/（v*Δt）≥C，输出“避障”指令；
其中C为电场强度变化率的限值；
步骤四：避障指令由DSP数据处理模块输出给机载飞控系统，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障”时，先将无人机悬停，通过实时传回的视频判断发出“原路返航”或“临时调整路线”的指令。
对于电场强度变化率的限值C，通过对输电导线建立电场计算模型，进而进行仿真计算得到该值；对220kV、500kV、750kV、1000kV输电导线分别对应 C220=29，C500=56，C750=77，C1000=81。
本发明的工作原理为：
电场测量传感器将所测电场强度数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度数值后，通过A/D转化单元输入DSP数据处理模块，同时电场测量传感器将所测电场强度数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度数值后，通过A/D转化单元也输入DSP数据处理模块，按照上述步骤中所述算法处理，生成的避障判断结果输入飞控系统机载控制计算机，进而将避障指令发送给舵机控制器，由其控制伺服舵机来改变无人机平台的飞行状态。同时，飞控系统机载控制计算机会将数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器和PCM遥控接收机的状态信息，以及避障判断的信息一同通过数传电台进行与地面站之间的交互。
本发明的有益效果：
1) 本发明设计了一套用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统及方法，利用该系统，能够实现无人机巡检带电导线时，对实时视频中很难识别的导线的避障，提升巡线作业的可靠性，保障输电线路及无人机巡线系统的安全。
2) 上述无人机巡检带电导线的电场测量避障系统，是根据带电导线周围电场环境的特殊性设计，且所用元器件体积小、简单轻便，由既能够克服超声波测距、红外测距和激光测距设备检测正确率低的问题，又能够避免微波雷达测距设备体积、重量过大，不便于无人机搭载的弊端。
3) 上述无人机巡检带电导线的电场测量避障方法中，用于判断无人机是否需要对输电导线避障的测量参数为无人机所处位置电场强度的变化率，首先利用针对某条输电线路较稳定的电场强度数值，其次采用计算变化率的方法可排除空间内可能存在的其他近似频率的电场强度的干扰，使计算数值准确可靠，且以220kV、500kV、750kV、1000kV电压等级的输电导线为例，提供了用于对比判断的仿真计算结果。
附图说明
图1为电场测量避障系统的结构及数据流程图；
图2为无人机巡检220kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图；
图3为无人机巡检500kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图；
图4为无人机巡检750kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图；
图5为无人机巡检1000kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图；
图6为实际220kV交流输电线路所用典型直线塔；
图7为220kV线路仿真、实测电场变化率对比图；
图8为实际500kV交流输电线路所用典型直线塔；
图9为500kV线路仿真、实测电场变化率对比图；
图10为实际750kV交流输电线路所用典型直线塔；
图11为750kV线路仿真、实测电场变化率对比图；
图12为实际1000kV交流输电线路所用典型直线塔；
图13为1000kV线路仿真、实测电场变化率对比图。
其中，1是电场测量传感器；2是信号处理单元；3是A/D转化单元；4是DSP数据处理模块；5是飞控系统机载控制计算机；6是数字罗盘；7是三轴陀螺仪；8是三轴加速度计；9是卫星定位模块；10是气压高度计；11是转速测量传感器；12是PCM遥控接收机；13是舵机控制器；14是数传电台；15是伺服舵机；16是电场避障装置,17是地面站。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，一种用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统，它包括巡检无人机，在无人机上设有电场避障装置16，该装置包括DSP数据处理模块4，依次连接的电场测量传感器1、信号处理单元2和A/D转化单3元，A/D转化单元3与DSP数据处理模块4输入端连接，DSP数据处理模块4输出端与机载飞控系统连接。
所述机载飞控系统包括飞控系统机载控制计算5机，它分别与数字罗盘6、三轴陀螺仪7、三轴加速度计8、卫星定位模块9、气压高度计10、转速测量传感器11、PCM遥控接收机12、舵机控制器13、数传电台14，舵机控制器13与伺服舵机15连接，数传电台14则与地面站17通信。
所述电场避障装置整体要处在巡检无人机机体正下方中央位置。
电场测量传感器1将所测电场强度数值输入信号处理单元2，提取工频范围内的电场强度数值后，通过A/D转化单元3输入DSP数据处理模块4，同时飞控系统机载控制计算机5将无人机当前运动速度输入DSP数据处理模块4，按照相应算法处理，生成的避障判断结果输入飞控系统机载控制计算机5，进而将避障指令发送给舵机控制器13，由其控制伺服舵机15来改变无人机平台的飞行状态。同时，飞控系统机载控制计算机5会将数字罗盘6、三轴陀螺仪7、三轴加速度计8、卫星定位模块9、气压高度计10、转速测量传感器11和PCM遥控接收机12的状态信息，以及避障判断的信息一同通过数传电台14进行与地面站17之间的交互。
本发明避障方法的步骤为：
步骤一：安装电场避障装置16。无人机巡检带电导线时，为保持整机的平衡性良好，电场避障装置16要处在无人机机体正下方中央位置；
步骤二：设置DSP数据处理模块4中，计算电场变化率时所采用两数据的时间间隔Δt。
步骤三：根据电场避障装置16中电场测量传感器1采集的数据，进行避障指令的判断。
A:仿真计算。对输电导线建立电场计算模型，进而进行仿真计算（电场数值计算软件ANSOFT中）得到的距离输电线路一定距离位置电场强度变化率的数值。设定一个电场强度变化率的限值（下述公式中C值），仿真得出，对220kV、500kV、750kV、1000kV输电导线分别对应 C220=29，C500=56，C750=77，C1000=81。
B:避障判断。DSP数据处理模块4中的判断算法如下：
取t时刻工频电场测量模块测得数值为m，t+Δt时刻工频电场测量模块测得数值为n，并在t+Δt时刻取无人机飞行控制系统提供的无人机实时飞行速率记为v，数据处理及转化模块进行如下判断：
v=0时，输出“安全”指令；
v≠0时，|m-n|/（v*Δt）<C，输出“安全”指令；
|m-n|/（v*Δt）≥C，输出“避障”指令。
C:避障动作。指令由DSP数据处理模块输出给无人机飞行控制系统，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障”时，先将无人机悬停，通过实时传回的视频判断发出“原路返航”或“临时调整路线”的指令。
上述步骤A中，不同电压等级输电线路对应C值不同；对同电压等级不同线路参数（包括导线相间距、导线距地高度、导线型号）的导线，电场强度数值略有差异，电场强度的变化率相差极小，可认为同一电压等级输电线路对应C值相同。对于C值计算，如下所示：
结果一：
对220kV输电导线进行仿真建模，得到图2为无人机巡检220kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
取C为距导线20m时（该距离选取结合了专利申请号201210044124.0无人机电力巡线安全距离检测方法中所述安全距离，下同）电场强度变化率数值，即C220=29。
结果二：
对500kV输电导线进行仿真建模，得到图3为无人机巡检500kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
取C为距导线24m时电场强度变化率数值，即C500=56。
结果三：
对750kV输电导线进行仿真建模，得到图4为无人机巡检750kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
取C为距导线27m时电场强度变化率数值，即C750=77。
结果四：
对1000kV输电导线进行仿真建模，得到图5为无人机巡检1000kV输电导线时，与输电导线间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
取C为距导线32m时电场强度变化率数值，即C1000=81。
实施例1：
将电场测量避障系统搭载于无人机上对实际220kV线路进行检测，为验证仿真数据的实用性，设定无人机飞行路线为垂直于输电线路走向，与边项导线等高，由距离边项导线70米至16米（选择该距离范围是为了保障无人机的安全，且能够验证中途是否在预想位置收到电场测量避障系统的报警信号）。为减小飞行误差，飞行条件选择如下：
天气：晴朗无风；
巡视导线：如图6所示直线杆塔中间的导线；
设定C220=29，Δt=0.1s，进行飞行测试。
飞行中途无人机收到电场测量避障系统的报警信号，进行悬停后选择原路返回，导出数据，与仿真计算结果对比如图7所示。
如图7所示，“系列一”为仿真数据，“系列二”为实测数据。在距离输电导线较远处，实测数据可能测试到周围其他电场源的杂波信号，略有波动。由上图可见，仿真数据与实测数据基本一致。且电场测量避障系统也能够按照预设距离产生报警信号，说明了电场测量避障系统及仿真数据的有效性和可靠性。
实施例2：
将电场测量避障系统搭载于无人机上对实际500kV线路进行检测，为验证仿真数据的实用性，设定无人机飞行路线为垂直于输电线路走向，与边项导线等高，由距离边项导线70米至20米（选择该距离范围是为了保障无人机的安全，且能够验证中途是否在预想位置收到电场测量避障系统的报警信号）。为减小飞行误差，飞行条件选择如下：
天气：晴朗无风；
巡视导线：如下图8所示直线杆塔中间的导线；
设定C500=56，Δt=0.1s，进行飞行测试。
飞行中途无人机收到电场测量避障系统的报警信号，进行悬停后选择原路返回，导出数据，与仿真计算结果对比如图9所示。
图9中，“系列一”为仿真数据，“系列二”为实测数据。在距离输电导线较远处，实测数据可能测试到周围其他电场源的杂波信号，略有波动。由上图可见，仿真数据与实测数据基本一致。且电场测量避障系统也能够按照预设距离产生报警信号，说明了电场测量避障系统及仿真数据的有效性和可靠性。
实施例3：
将电场测量避障系统搭载于无人机上对实际750kV线路进行检测，为验证仿真数据的实用性，设定无人机飞行路线为垂直于输电线路走向，与边项导线等高，由距离边项导线70米至23米（选择该距离范围是为了保障无人机的安全，且能够验证中途是否在预想位置收到电场测量避障系统的报警信号）。为减小飞行误差，飞行条件选择如下：
天气：晴朗无风；
巡视导线：如下图10所示直线杆塔中间的导线；
设定C750=77，Δt=0.1s，进行飞行测试。
飞行中途无人机收到电场测量避障系统的报警信号，进行悬停后选择原路返回，导出数据，与仿真计算结果对比如图11所示。
图11中，“系列一”为仿真数据，“系列二”为实测数据。在距离输电导线较远处，实测数据可能测试到周围其他电场源的杂波信号，略有波动。由上图可见，仿真数据与实测数据基本一致。且电场测量避障系统也能够按照预设距离产生报警信号，说明了电场测量避障系统及仿真数据的有效性和可靠性。
实施例4：
将电场测量避障系统搭载于无人机上对实际1000kV线路进行检测，为验证仿真数据的实用性，设定无人机飞行路线为垂直于输电线路走向，与边项导线等高，由距离边项导线70米至28米（选择该距离范围是为了保障无人机的安全，且能够验证中途是否在预想位置收到电场测量避障系统的报警信号）。为减小飞行误差，飞行条件选择如下：
天气：晴朗无风；
巡视导线：如下图12所示直线杆塔中间的导线；
设定C1000=81，Δt=0.1s，进行飞行测试。
飞行中途无人机收到电场测量避障系统的报警信号，进行悬停后选择原路返回，导出数据，与仿真计算结果对比如图13所示。
图13中，“系列一”为仿真数据，“系列二”为实测数据。在距离输电导线较远处，实测数据可能测试到周围其他电场源的杂波信号，略有波动。由上图可见，仿真数据与实测数据基本一致。且电场测量避障系统也能够按照预设距离产生报警信号，说明了电场测量避障系统及仿真数据的有效性和可靠性。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (2)
1.一种采用用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统的避障方法，所述用于无人机巡检带电导线的电场测量避障系统，它包括巡检无人机，其特征是，在无人机上设有电场避障装置，该装置包括DSP数据处理模块，依次连接的电场测量传感器、信号处理单元和A/D转化单元，A/D转化单元与DSP数据处理模块输入端连接，DSP数据处理模块输出端与机载飞控系统连接；所述机载飞控系统包括飞控系统机载控制计算机，它分别与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、舵机控制器、数传电台，舵机控制器与伺服舵机连接，数传电台则与地面站通信；所述电场避障装置整体要处在巡检无人机机体正下方中央位置；其特征是，
步骤一：巡检无人机巡检带电导线时，机身与输电导线方向基本平行；
步骤二：设置DSP数据处理模块中，计算电场变化率时所采用两数据的时间间隔Δt；
步骤三：电场测量传感器将所测电场强度数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度数值后送入DSP数据处理模块中；DSP数据处理模块中的判断算法如下：
取t时刻工频电场测量模块测得数值为m，t+Δt时刻工频电场测量模块测得数值为n，并在t+Δt时刻取无人机飞行控制系统提供的无人机实时飞行速率记为v，数据处理及转化模块进行如下判断：
v=0时，输出“安全”指令；
v≠0时，|m-n|/（v*Δt）<C，输出“安全”指令；
|m-n|/（v*Δt）≥C，输出“避障”指令；
其中C为电场强度变化率的限值；
步骤四：避障指令由DSP数据处理模块输出给机载飞控系统，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障”时，先将无人机悬停，通过实时传回的视频判断发出“原路返航”或“临时调整路线”的指令。
2. 如权利要求1所述的避障方法，其特征是，对于电场强度变化率的限值C，通过对输电导线建立电场计算模型，进而进行仿真计算得到该值；对220kV、500kV、750kV、1000kV输电导线分别对应 C220=29，C500=56，C750=77，C1000=81。
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