CN107943074A - 一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，包括超声波传感器、模糊控制器、霍尔传感器、姿态模块和GPS模块，其中，所述姿态模块用于确定无人机的空中姿态，确认无人机与线路垂直方向夹角，GPS模块、超声波传感器和霍尔传感器分别检测多旋翼无人机与输电线路之间距离，将三路距离信号经过klaman滤波融合及信号处理后送至模糊控制器进行处理，输出飞行控制命令到飞行控制器，调节飞行姿态，调整多旋翼无人机与输电线路之间距离。本发明结构简单，使用方便，安全可靠、精确度高，具有很大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统。
背景技术
随着输电系统的快速发展，输电线路变得更长，电压等级变得更高。据统计目前我国110kV及以上的输电线路已经达到九十万多公里，每年巡线作业都要进行多次，是一件工作量浩大的任务。
现在，我国主要采用的巡检方式有人工巡检和载人直升机巡检两种。人工巡检是电力线路巡检人员徒步沿着线路巡检，巡检方式主要是通过望眼镜查看线路和杆塔。载人直升机巡检是电力巡检人员通过直升机平台，在线路上方沿着线路进行巡检。
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。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会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。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安全间距保持。
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。”
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：“超声波测距、红外测距、激光测距和微波雷达测距是目前比较常用的测距方式，通过对其测距原理的了解，红外测距的范围有限，而激光测距抗干扰能力较弱，超声波方式虽然实现简单、抗干扰能力较强，但是具有一次测量距离较短的缺陷，均不适用于无人机避障子系统。微波雷达方式除具备超声波方式抗干扰能力强、指向性强等特点外，还可以进行远距离的精确测距，其测量距离可达数百米，测量精度可达到厘米级，适用于开发无人机主避障子系统。此外，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。”但是由于微波雷达体积较大，耗电量价高不适用于微型多旋翼无人机。
目前比较常用的滤波融合技术有综合平均法、贝叶斯估计法、D-S法、模糊逻辑法、神经逻辑法、kalman滤波法、专家系统方法等。kalman滤波在控制领域得到推广以后，以成为多传感器信息融合的主要技术手段之一。其基本思想是先分散处理，再全局融合，即以一个信号为主体，与其他信号两两结合，在其结合信号的基础上获得全局估计。
在专利申请号为201510396020.X的专利《一种无刷直流电机自适应模糊控制方法》中有以下描述：“糊控制技术和方法不需要建立控制对象的精确数学模型，在实际中获得了大量成功的应用。模糊控制器的设计包括确定模糊控制器的结构和参数，其中包括模糊隶属度函数的形状和参数还包括模糊规则的类型和参数。”但是由于模糊控制器中的模糊规则主要是基于该领域专家的经验知识进行提取，存在较大的主观性；二是模糊变量对应的隶属度函数包含很多参数，这对应于一个空间维数较高、搜索范围较大的优化问题。。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，该系统实现了避免了无人机在巡检带电导线时，由于GPS误差及阵风影响，使无人机与输电线路发生碰撞情况，提升巡线作业的可靠性、安全性，保证人身及设备的安全。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，包括超声波传感器、模糊控制器、霍尔传感器、姿态模块和GPS模块，其中，所述姿态模块用于确定无人机的空中姿态，确认无人机与线路垂直方向夹角，GPS模块、超声波传感器和霍尔传感器分别检测多旋翼无人机与输电线路之间距离，将三路距离信号经过klaman滤波融合及信号处理后送至模糊控制器进行处理，输出飞行控制命令到飞行控制器，调节飞行姿态，调整多旋翼无人机与输电线路之间距离。
所述超声波传感器测量输电线路与无人机之间相对距离信息，包含八个超声波距离传感器，分别设置在无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个方向，用于检测无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个水平方向是否存在输电线路以及与输电线路之间的距离。
进一步的，所述超声波传感器的测距范围为0-1000cm。
所述霍尔传感器用于测量输电线路与无人机之间相对距离信息，设置在无人机重心位置下方。
所述模糊控制器，用于将GPS模块、超声波传感器模块、霍尔传奇模块提供的距离信息滤波后进行融合处理，得到相对距离信息，当超声波传感器发出超声波的传播方向与线路垂直，进行Kalman滤波融合以得到准确的间距。
所述模糊控制器，接收姿态模块的数据，当超声波传感器发出超声波的传播方向与线路不垂直时，由姿态模块确定飞行姿态，通过三角公式换算得到垂直距离。
一种基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)无人机巡检带电导线时，机身与输电导线在水平方向处于基本平行或小夹角状态；
(2)GPS模块确定输电线路与无人机的相对位置，并结合姿态控制模块确定无人机接近输电线路的相对姿态，找到确定无人机机头方向与输电线路之间的夹角；
(3)根据无人机机头方向与输电线路之间的夹角，得到超声波传感器测量到的无人机与输电线路之间的垂直距离，然后再将其与GPS模块、霍尔传感器测量到的垂直距离进行滤波融合；
(4)将滤波融合后的处理信号经过模糊化、模糊决策及去模糊化后，得到无人机的控制命令，无人机飞行控制器根据控制命令驱使无人机不断后退，直至其离开危险区域。
所述步骤(3)中，根据无人机机头方向与输电线路之间的夹角，得到无人机垂直线路方向的相邻两个超声波传感器与输电线路之间的夹角，根据测量距离，通过三角公式换算得到垂直距离，然后再将其与GPS模块、霍尔传感器测量到的垂直距离进行滤波融合。
所述步骤(4)中，将滤波融合后的处理信号经过模糊语言描述得到隶属度函数的模糊化过程，在经过模糊化规则的语言描述得到其矩阵表达式，根据合成规则的模糊决策过程及最大隶属度法的去模糊化过程，得到无人机的控制命令，无人机飞行控制器根据控制命令驱使无人机不断后退，直至其离开危险区域。
本发明的有益效果为：
本发明使用了大量的数字处理技术，减少了硬件电路，使其体积重量有效减小，适合微型多旋翼无人机。GPS模块可以提供其远距离的检测，超声波传感器模块、霍尔传感器模块可以提供近距离的精确检测。
附图说明
图1为本发明的电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统的总体结构图。
图2为本发明的电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统的超声波传感器分布图。
图3为本发明的电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统的处理流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所述，一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，根据检测距离信号控制微型多旋翼无人机与输电线路之间距离，当到达一定范围时控制微型多旋翼无人机飞行速度，使其退出危险区域。使用GPS、超声波传感器和霍尔传感器分别检测微型多旋翼无人机与输电线路之间距离，将三路距离信号经过klaman滤波融合及信号处理后送至模糊控制器进行处理，输出飞行控制处理命令到飞行控制器，调节飞行姿态，从而造成两者之间距离改变。传感器不断检测两者之间距离，微型多旋翼无人机不断做出相应调整。
其系统包括GPS、超声波传感器模块、霍尔传感器模块、姿态模块、Kalman滤波融合模块、模糊控制模块、无人机飞行控制器；
GPS其主要用于输电线路与无人机之间相对位置的确定，并提供简单的相对距离信息；
超声波传感器模块、霍尔传感器模块主要测量输电线路与无人机之间相对距离信息；
姿态模块主要用于确定无人机的空中姿态，找到电机与线路垂直方向夹角；
Kalman滤波融合模块主要用于将GPS、超声波传感器模块、霍尔传奇模块提供的距离信息滤波后进行融合处理，得到精确地相对距离信息；
模糊控制模块主要用于精确地相对距离信息处理，得到无人机的控制命令；
无人机飞行控制器主要用于处理模糊控制模块提供的控制命令，使无人机能够平稳、快速的退出危险区域。
超声波传感器模块包含八个超声波距离传感器，分别设置在无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个方向，用于检测无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个水平方向是否存在输电线路以及与输电线路之间的距离。
霍尔传感器模块放在无人机重心位置下方。
当微型多旋翼无人机以不同的角度接近输电线路时，Kalman滤波融合模块数据处理分为两种情况；1.当超声波传感器发出超声波的传播方向与线路垂直，则只需要进行Kalman滤波融合就可以得到准确的间距；2.当超声波传感器发出超声波的传播方向与线路不垂直，则需要姿态模块确定飞行姿态，通过三角公式换算得到垂直距离。
八个超声波距离传感器的测距范围为0到1000厘米。
电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，包含以下步骤，
步骤一：无人机巡检带电导线时，机身与输电导线在水平方向处于基本平行或小夹角状态；
步骤二：GPS确定输电线路与无人机的相对位置，并结合姿态控制模块确定无人机接近输电线路的相对姿态，找到确定无人机机头方向与输电线路之间的夹角；
步骤三：Kalman滤波融合模块首先将利用步骤二所得夹角，得到超声波传感器测量到的无人机与输电线路之间的垂直距离，然后再将其与GPS、霍尔传感器测量到的垂直距离进行Kalman滤波融合处理。
步骤四：将滤波融合后的处理信号经过模糊化、模糊决策及去模糊化后，得到无人机的控制命令；
步骤五：得到控制命令后，无人机飞行控制器驱使无人机不断后退，直至其离开危险区域。系统包括GPS、超声波传感器模块、霍尔传感器模块、姿态模块、Kalman滤波融合模块、模糊控制模块、无人机飞行控制器；
GPS其主要用于输电线路与无人机之间相对位置的确定，并提供简单的相对距离信息；
超声波传感器模块、霍尔传感器模块主要测量输电线路与无人机之间相对距离信息；
姿态模块主要用于确定无人机的空中姿态，找到电机与线路垂直方向夹角；
Kalman滤波融合模块主要用于将GPS、超声波传感器模块、霍尔传奇模块提供的距离信息滤波后进行融合处理，得到精确地相对距离信息；
模糊控制模块主要用于精确地相对距离信息处理，得到无人机的控制命令；
无人机飞行控制器主要用于处理模糊控制模块提供的控制命令，使无人机能够平稳、快速的退出危险区域。
实施例一：
如图2所示，超声波传感器模块包含八个超声波距离传感器，分别设置在无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个方向，用于检测无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个水平方向是否存在输电线路以及与输电线路之间的距离。
霍尔传感器模块放在无人机重心位置下方。
假设东北天坐标系下无人机前方为X轴方向，左方为Y轴方向，电机分别安装在45°、135°、225°、315°位置上，当无人机与输电线路垂直延长线方向夹角为22.5°时，在输电线路垂直方向在两个传感器之间；此时根据图3系统处理步骤如下：
步骤一：无人机巡检带电导线时逐渐靠近输电线路，机身与输电导线在水平方向处于基本平行或小夹角状态；
步骤二：在东北天坐标系下GPS确定输电线路与无人机的相对位置，并结合姿态控制模块确定无人机接近输电线路的相对姿态，解算出无人机机头方向与输电线路之间的夹角为22.5°；
步骤三：Kalman滤波融合模块首先将利用步骤二所得夹角，得到超声波传感器测量到的无人机与输电线路之间的垂直距离，然后再将其与GPS、霍尔传感器测量到的垂直距离进行Kalman滤波融合处理。
步骤四：将滤波融合后的处理信号发送到糊控制模块经过模糊化、模糊决策及去模糊化后，得到无人机的控制命令；
步骤五：得到控制命令后，无人机飞行控制器驱使无人机不断后退，直至其离开危险区域。
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 (9)
1.一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，其特征是：包括超声波传感器、模糊控制器、霍尔传感器、姿态模块和GPS模块，其中，所述姿态模块用于确定无人机的空中姿态，确认无人机与线路垂直方向夹角，GPS模块、超声波传感器和霍尔传感器分别检测多旋翼无人机与输电线路之间距离，将三路距离信号经过klaman滤波融合及信号处理后送至模糊控制器进行处理，输出飞行控制命令到飞行控制器，调节飞行姿态，调整多旋翼无人机与输电线路之间距离。
2.如权利要求1所述的一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，其特征是：所述超声波传感器测量输电线路与无人机之间相对距离信息，包含八个超声波距离传感器，分别设置在无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个方向，用于检测无人机前、左前、右前、左、右、后、左后、右后八个水平方向是否存在输电线路以及与输电线路之间的距离。
3.如权利要求1所述的一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，其特征是：所述超声波传感器的测距范围为0-1000cm。
4.如权利要求1所述的一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，其特征是：所述霍尔传感器用于测量输电线路与无人机之间相对距离信息，设置在无人机重心位置下方。
5.如权利要求1所述的一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，其特征是：所述模糊控制器，用于将GPS模块、超声波传感器模块、霍尔传奇模块提供的距离信息滤波后进行融合处理，得到相对距离信息，当超声波传感器发出超声波的传播方向与线路垂直，进行Kalman滤波融合以得到准确的间距。
6.如权利要求1所述的一种电力巡检微型多旋翼无人机安全间距保持系统，其特征是：所述模糊控制器，接收姿态模块的数据，当超声波传感器发出超声波的传播方向与线路不垂直时，由姿态模块确定飞行姿态，通过三角公式换算得到垂直距离。
7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)无人机巡检带电导线时，机身与输电导线在水平方向处于基本平行或小夹角状态；
(2)GPS模块确定输电线路与无人机的相对位置，并结合姿态控制模块确定无人机接近输电线路的相对姿态，找到确定无人机机头方向与输电线路之间的夹角；
(3)根据无人机机头方向与输电线路之间的夹角，得到超声波传感器测量到的无人机与输电线路之间的垂直距离，然后再将其与GPS模块、霍尔传感器测量到的垂直距离进行滤波融合；
(4)将滤波融合后的处理信号经过模糊化、模糊决策及去模糊化后，得到无人机的控制命令，无人机飞行控制器根据控制命令驱使无人机不断后退，直至其离开危险区域。
8.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据无人机机头方向与输电线路之间的夹角，得到无人机垂直线路方向的相邻两个超声波传感器与输电线路之间的夹角，根据测量距离，通过三角公式换算得到垂直距离，然后再将其与GPS模块、霍尔传感器测量到的垂直距离进行滤波融合。
9.如权利要求7所述的工作方法，其特征是：所述步骤(4)中，将滤波融合后的处理信号经过模糊语言描述得到隶属度函数的模糊化过程，在经过模糊化规则的语言描述得到其矩阵表达式，根据合成规则的模糊决策过程及最大隶属度法的去模糊化过程，得到无人机的控制命令，无人机飞行控制器根据控制命令驱使无人机不断后退，直至其离开危险区域。
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