CN106767759B - 一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有电网寻线制导效率及准确性低、无法满足实际需求的突出问题，提出一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法。首先建立正交三位置磁检测结构，测出各位置磁场强度，根据测出的各位置磁场强度得出磁场磁力线方向及磁场梯度；建立探测飞行器相对惯性坐标系的运动方程，根据测得的磁力线方向及磁场梯度，建立飞行器进行电网寻线用的磁制导方法。本发明不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值。

Description

一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法

技术领域

本发明涉及一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法，可应用于基于电网磁场信息的末端制导。

技术背景

电网与人们的生活息息相关，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，随着电网的日益扩大，电网的日常巡检和维护的工作量也日益加大，针对高压输电线路的运行管理模式和常规作业方式，现有寻线方式有着费用高、效率低、准确性差等诸多不足，如何提高寻线制导的效率和准确性，最大限度地减小电网故障对人们正常生活的影响，是一个值得研究的问题。

现有寻线制导方法主要包括基于磁检测的AGV导引方法，电磁导引头定位方法等。其中，基于磁检测的AGV导引方法虽然准确性、安全性及可靠性较高，但主要用于地面运输车辆的导引与定位，不适于高空电网寻线制导；电磁导引头定位方法利用装备有微型电磁导引头的微型飞行器，通过接收空间的电磁波来探测辐射源的位置，优点是灵活性较高，但易受周围电磁环境的影响，测量误差较大，定位不够准确，无法准确地进行电网寻线。

当前磁制导方法主要包括基于磁力仪、磁强计和磁通门计等磁测量设备的检测方法，以及地磁匹配方法。其中磁测量设备虽然灵敏度较高，但是，目前的研究结果在地磁环境下，尤其是在电网近程磁环境下的测试尚不成熟，无法保证电网寻线制导的可靠性；从电网设施磁场末制导的角度看，基于地磁分布的导航技术已经由来已久，但由于地磁场模型精度较低，无法满足地磁匹配制导的要求，加上磁测量设备性能的限制，以及地磁场信息的变化，地磁制导只能作为一种导航定位方法而不适用于电网的寻线制导。

在自寻的制导上，基于微弱磁场和低频磁制导方式尚属空白，在此背景下，本发明提出一种“沿磁场梯度飞行，自动电网设施”的电网寻线用磁制导方法，阐明基于多位置三维电子自旋共振磁场梯度探测机理，建立一种基于磁场模型和电子自旋共振磁探测的末端制导方法。本发明不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：建立了电网磁力线特征建模，从地磁场等环境磁场中分离出目标磁场；针对现有电网故障的检测、修复效率慢的突出问题，提出了一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明针对现有电网寻线制导效率及准确性低、无法满足实际需求的突出问题，探索一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法。首先建立正交三位置磁检测结构，测出各位置磁场强度，根据测出的各位置磁场强度得出磁场磁力线方向及磁场梯度；建立探测飞行器相对惯性坐标系的运动方程，根据测得的磁力线方向及磁场梯度，建立飞行器进行电网寻线用的磁制导方法。本发明不仅能够用于电网故障检测的高精度末端制导，而且在故障电网的快速修复上也具有巨大的应用价值。

具体包括以下步骤：

(1)电网磁力线模式的多位置三维磁场测量

要实现对某处的磁场测量，理论上只需要采用一个三轴磁传感装置即可。但是，这种测量方法无法对地磁和其他背景及干扰磁场进行分离，容易引起误导；此外，该种方法也无法实时换算出磁力线及其梯度信息。因此，本项目拟采用基于电网磁力线模式的三位置三轴量子磁传感方案，其原理示意图如图2所示。三个电子自旋共振磁传感器(A₁,A₂,A₃)均具有三轴磁测量的能力，三传感器彼此正交安装，彼此之间的距离为d，两两配合即可实现差动测量，这样不仅可以实时高精度地测量磁力线的方向，还可得到磁力线的梯度。

对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，在t时刻，每个探头测得的都是磁感应强度在其轴上的分量，如图2所示，设A₁、A₂、A₃在t时刻测得的磁场强度分别为B₁(t)、B₂(t)、B₃(t)，根据三个磁场强度大小关系可确定磁力线的方向。确定磁力线方向后沿磁力线取两点，一点经过A₁，另一点在距A₁x处取，可测得t时刻两点的磁场强度之差为ΔH(t)，则由公式

可实时求得磁力线的梯度。

(2)基于多位置三维磁信号的制导方法

根据前述定位方案，采用电磁波的自由空间传输模型，可以建立用于定位的测量方程。一般情况下，该方程为超定方程，需要用优化方法进行求解。通过测量磁源信号的强度来估计测量点与磁源间的距离，然后通过多个距离交汇对磁源进行定位。同时，采用三轴电子自旋共振磁传感器测量电网磁力线信号到达传感器的角度，根据三正交的差动安装，结合电网磁力线的分布特征，可以得到载体相对于电网的空间相对位置。

在对检测飞行器制导过程中，飞行器的运动可看作飞行器质心在三维空间中的移动和绕质心的三维转动，根据固化原理，在惯性坐标中，飞行器的运动可用牛顿第二定律和动量矩定律描述，即：

式中：Q为飞行器动量，∑F为外力主矢量，G为飞行器主动量矩，∑M为外力主矩，V为检测飞行器的飞行速度，

为转动角速度。

用末端制导方法导引时飞行器与目标之间的相对运动方程为；

式中，r为检测飞行器与目标之间的相对距离，V为检测飞行器的飞行速度，V_T为目标的飞行速度，q为目标线角速度，θ为检测飞行器转弯角速度。

当电线完好无损情况下，其传输电流值不变，电线周围会产生一个微小的磁场，检测飞行器会通过该磁场给电网进行定位，沿电网线飞行。当电网线上某处出故障时，如短路、断路等，电网磁场会发生变化，检测飞行器上的检测装置会通过磁场变化判断故障类型，后发出信号进行故障报告。控制室根据收到的故障报告，迅速进行电网故障修复工作。

本发明的原理是：

(1)本发明所用的磁探头检测原理为电子自旋共振原理，电子自旋共振(ESR)是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，每个探头测量到的是其轴线方向上的磁场频率及磁场强度，如图3所示分别记作B_x、B_y、B_z。

在t时刻，每个探头测得的都是磁感应强度在其轴上的分量，则B_x、B_y、B_z与总磁感应强度B有如下关系：

B_x(t)＝B₀sin(ωt)cosα (8)

B_y(t)＝B₀sin(ωt)cosβ (9)

B_z(t)＝B₀sin(ωt)cosγ (10)

式中，α、β、γ分别是三个探头轴线方向和磁场方向的夹角，ω为磁场频率。

设A₁、A₂、A₃在t时刻测得的磁场强度分别为B₁(t)、B₂(t)、B₃(t)，假设B₁(t)>B₂(t)>B₃(t)，连接B₁(t)和B₃(t)，在两点间连线上，磁场强度的递减与距离成正比，据此可在两点间取得一点B′₂(t)，使得B₂(t)＝B′₂(t)，连接B₂(t)与B′₂(t)，则与两点间连线互相垂直的方向即为磁力线的方向。确定磁力线方向后沿磁力线取两点，一点经过A₁，另一点在距A₁x处取，可测得t时刻两点的磁场强度之差为ΔH(t)，则由公式

可实时求得磁力线的梯度。

(2)在对探测飞行器制导过程中，飞行器的运动可看作是其质心在三维空间中的移动和绕质心的三维转动，根据固化原理，在惯性坐标中，探测飞行器的运动可用牛顿第二定律和动量矩定律描述，即：

式中：Q为探测器动量，∑F为外力主矢量，G为探测器主动量矩，∑M为外力主矩，

为转动角速度。

用末端制导方法导引时探测器与目标之间的相对运动方程为；

式中，r为探测器与目标之间的相对距离，V为探测器的飞行速度，V_T为目标的飞行速度，q为目标线角速度，θ为探测器转弯角速度。

根据飞行器与目标间相对运动方程及所测得电力线周磁场分布，可通过到达磁场强度、到达时间及到达角度对磁场进行定位。如图4所示，通过测量辐射源信号的强度来估计测量飞行器与辐射源间的距离，然后通过多个距离交汇对辐射源进行定位。在一定的条件下(工作频率低于1GHz，且天气状况良好(无雾无雨雪))，辐射源发出的电磁波在传输时由大气引起的衰减可以忽略，可以认为是自由传播的，即在距离辐射源r处的电磁波功率密度S_r(r)与辐射源的发射功率P_t之间的关系为：

故由此可实时监测飞行器与电力线的距离，当电线完好无损情况下，飞行器可检测到电磁波功率密度信号，检测飞行器会通过该信号给电力线定位，沿电网线飞行。当电网线上某处出故障时，如短路、断路等，电网磁场会发生变化，检测飞行器上的检测装置会通过磁场变化判断故障类型，后发出信号进行故障报告。控制室根据收到的故障报告，迅速进行电网故障修复工作。

本发明与现有方案相比，主要优点在于：

(1)本发明所提出的基于电网磁场梯度的电网寻线用磁制导方法，从实践和理论的角度出发深入分析对象的特点，并不拘泥于制导理论现有的方法，而是根据实际问题衍生新的概念并提出新的方法，从而达到解决实际问题的目的；

(2)本发明将导航制导与电磁理论结合在一起，以一种全新的方法对飞行器在空中导航到贴近于电力线时的制导进行了一步步阐述，充分重视了最为本质的机理分析，非常具有创新性与实践性；

(3)本发明采用飞行器进行电力线的日常巡检及维护工作，有利于电力部门制定有针对性的维护措施，加大线路运维工作力度，确保重要输电线路安全运行。有利于加大强降雨后重点区段的特巡力度，增加大负荷运行下设备检测次数。

附图说明

图1为方法示意图；

图2为传感器正交三位置差动安装示意图；

图3为三维磁场测量原理图；

图4为磁场强度信号定位原理图；

图5为电网磁力线导引原理图；

具体实施方案

本发明的实施对象为电网，具体实施方案示意图如图1所示，具体实施步骤如下：

(1)电网磁力线模式的多位置三维磁场测量

要实现对某处的磁场测量，理论上只需要采用一个三轴磁传感装置即可。但是，这种测量方法无法对地磁和其他背景及干扰磁场进行分离，容易引起误导；此外，该种方法也无法实时换算出磁力线及其梯度信息。因此，本项目拟采用基于电网磁力线模式的三位置三轴量子磁传感方案，其原理示意图如图2所示。三个电子自旋共振磁传感器(A1,A2,A3)均具有三轴磁测量的能力，三传感器彼此正交安装，彼此之间的距离为d，两两配合即可实现差动测量，这样不仅可以实时高精度地测量磁力线的方向，还可得到磁力线的梯度。

对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，在t时刻，每个探头测得的都是磁感应强度在其轴上的分量，如图3所示，设A₁、A₂、A₃在t时刻测得的磁场强度分别为B₁(t)、B₂(t)、B₃(t)，根据三个磁场强度大小关系可确定磁力线的方向。确定磁力线方向后沿磁力线取两点，一点经过A₁，另一点在距A₁x处取，可测得t时刻两点的磁场强度之差为ΔH(t)，则由公式

可实时求得磁力线的梯度。

(2)基于多位置三维磁信号的制导方法

根据前述定位方案，采用电磁波的自由空间传输模型，可以建立用于定位的测量方程。一般情况下，该方程为超定方程，需要用优化方法进行求解。通过测量磁源信号的强度来估计测量点与磁源间的距离，然后通过多个距离交汇对磁源进行定位。同时，采用三轴电子自旋共振磁传感器测量电网磁力线信号到达传感器的角度，根据三正交的差动安装，结合电网磁力线的分布特征，可以得到载体相对于电网的空间相对位置。根据飞行器与目标间相对运动方程及所测得电力线周磁场分布，可通过到达磁场强度、到达时间及到达角度对磁场进行定位。

如图4所示，通过测量辐射源信号的强度来估计测量飞行器与辐射源间的距离，然后通过多个距离交汇对辐射源进行定位。在一定的条件下(工作频率低于1GHz，且天气状况良好(无雾无雨雪))，辐射源发出的电磁波在传输时由大气引起的衰减可以忽略，可以认为是自由传播的，即在距离辐射源r处的电磁波功率密度S_r(r)与辐射源的发射功率P_t之间的关系为：

如图5所示，设辐射源的位置为T(u，v，w)；微型飞行器分别在3个测量位置：A₁(x₁,x₂,x₃)、A₂(x₂,y₂,z₃)、A₃(x₃,y₃,z₃)，测得信号强度分别为S₁、S₂、S₃。这些测量位置可由微型飞行器的导航数据得到，则根据公式(17)可得到用于定位计算的测量方程为：

其中r₁、r₂、r₃分别为A₁、A₂、A₃与辐射源间的距离。对该方程进行求解可得电力线的具体位置。

由此实时监测飞行器与电力线的距离，当电线完好无损情况下，飞行器可检测到电磁波功率密度信号，检测飞行器会通过该信号给电力线定位，沿电网线飞行。当电网线上某处出故障时，如短路、断路等，电网磁场会发生变化，检测飞行器上的检测装置会通过磁场变化判断故障类型，后发出信号进行故障报告。控制室根据收到的故障报告，迅速进行电网故障修复工作。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法，其特征在于：首先建立正交三位置磁检测结构，测出各位置磁场强度，根据测出的各位置磁场强度得出磁场磁力线方向及磁场梯度；建立探测飞行器相对惯性坐标系的运动方程，根据测得的磁力线方向及磁场梯度，建立飞行器进行电网寻线用的磁制导方法，具体包括以下步骤：

(1)电网磁力线模式的多位置三维磁场测量

三个电子自旋共振磁传感器彼此正交安装，距离为d，两两配合实现差动测量，

对于理想条件下的三轴测量探头，他们是互相垂直的，每个探头测量到的是其轴线方向上的磁场频率及磁场强度，记作B_x、B_y、B_z，在t时总磁感应强度B可表示为：

设三位置A₁、A₂、A₃在t时刻测得的磁场强度分别为B₁(t)、B₂(t)、B₃(t)，根据三个磁场强度大小关系可确定磁力线的方向，确定磁力线方向后沿磁力线取两点，一点经过A₁，另一点在距A₁x处取，可测得t时刻两点的磁场强度之差为ΔH(t)，则可实时求得磁力线梯度如下：

(2)基于多位置三维磁信号的制导方法

根据前述定位方案，采用电磁波的自由空间传输模型，可以建立用于定位的测量方程，通过测量磁源信号的强度来估计测量点与磁源间的距离，然后通过多个距离交汇对磁源进行定位，同时，采用三轴电子自旋共振磁传感器测量电网磁力线信号到达传感器的角度，根据三正交的差动安装，结合电网磁力线的分布特征，可以得到载体相对于电网的空间相对位置，在对检测飞行器制导过程中，飞行器的运动可看作飞行器质心在三维空间中的移动和绕质心的三维转动，根据固化原理，在惯性坐标中，导弹的运动可用牛顿第二定律和动量矩定律描述，即：

式中：Q为飞行器动量，∑F为外力主矢量，G为飞行器主动量矩，∑M为外力主矩，

为转动角速度；

用比例导引方法导引时飞行器与目标之间的相对运动方程为：

式中，r为飞行器与目标之间的相对距离，V为飞行器的飞行速度，V_T为目标的飞行速度，q为目标线角速度，θ为飞行器线角速度，根据上述两方程即可对检测飞行器进行飞行控制，以及接近于电力线时的制导。

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