CN108279003A - 一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统。包括无人机系统、UWB定位系统以及地面运检控制中心；无人机系统包括至少一架抗强电磁干扰的变电站无人机以及机载的无人机UWB标签模块；UWB定位系统包括多个设置于电力变电站站内各个位置的UWB定位基站模块以及与该UWB定位基站模块相连接的环境监测模块和无线通信模块；UWB定位系统通过无线通信模块与地面运检控制中心相互数据，无人机通过无线与地面运检控制中心进行通信，并且无人机UWB标签模块通过发射超宽带电磁波与UWB定位基站模块通信。本发明实现无人机的在变电站内的高精度定位、飞行任务指令下达和强电磁干扰的抑制，进而达到对电力变电站电力设备的状态巡检。

Description

一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统
技术领域
本发明涉及无人机技术、室内定位技术、以及电力变电站状态巡检技术领域，具体是一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统。
背景技术
随着经济的快速发展，社会对电力的需求激增，对电能质量的要求不断提高，电网规模不断扩大。变电站是电网的枢纽，对变电站站内状态的定期巡视是保证站内电气设备正常运行的关键所在。而对于无人值守变电站大多位于偏远山区，人工巡检需要消耗大量的人力和时间；其次，由于变电站大多数为高压、SF6等设备，无疑加大了人工巡检维护的危险性和难度。随着电力科学技术的进步和体制改革的深入，变电站状态巡检已经逐步由智能巡检技术取代传统的人巡检技术，主要以机器人巡检技术为主。而随着巡检要求的不断提高以及无人机技术的飞速发展，无人机巡检技术也逐渐被引入到变电站的状态巡视当中来。
为了满足电力系统安全性和稳定性的要求，掌握无人值守变电站内电力设备的运行情况以及及时排除变电站安全隐患，电网部门每年都要花费大量的人力物力资源进行检修维护工作。现阶段，变电站的站内状态巡检已经引入机器人智能巡检技术代替人工巡检，解放人力，但是机器人巡检对地形要求较高，需在变电站铺设专用通道，同时利用巡检机器人对变电站巡检存在盲区，在部分变电站的边角地带的隐患难以发现，而且机器人巡检仅适用于地面巡视，对于某些高度较高的电力设备，巡检机器人则完全丧失作用。而现有的基于无人机的变电站巡检系统通信模块多为GSM数据传输模块，其通信方式单一，在无GSM覆盖的地区无法进行数据传输。而且对于变电站站内一般无GPS信号，难以实现高精度的定位，这样会导致在无人机自身出现故障时，无法精确定位安全降落，容易造成财产损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统，实现变电站站内电力设备的智能化、精确化、实时化巡视。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统，包括无人机系统、UWB定位系统以及地面运检控制中心；所述无人机系统包括至少一架抗强电磁干扰的变电站无人机以及机载的无人机UWB标签模块；所述UWB定位系统包括多个设置于电力变电站站内各个位置的UWB定位基站模块以及与该UWB定位基站模块相连接的环境监测模块和无线通信模块；所述UWB定位系统通过无线通信模块与地面运检控制中心相互数据，所述无人机通过无线与地面运检控制中心进行通信，并且所述无人机UWB标签模块通过发射超宽带电磁波与UWB定位基站模块通信。
在本发明一实施例中，所述无人机包括无人机本体、用于采集变电站内电力设备状态的摄像头、GPS模块、控制无人机方向的无人机控制模块以及用于获取UWB定位信息和向无人机控制模块发送飞行指令的板载计算机模块。
在本发明一实施例中，无人机飞行前，将无人机UWB标签模块的电源接通，此时无人机UWB标签模块启动；无人机UWB标签模块通过不断向布置在变电站内的UWB定位基站模块发射电磁波，UWB定位基站模块接受到信号后发射一个响应性质的信号，从而可计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定无人机UWB标签模块与UWB定位基站模块的距离，进一步的，通过UWB定位基站模块在变电站内进行三维布局，从而可确定无人机标签在变电站中的具体位置；无人机飞行时，无人机UWB标签模块实时获取无人机的定位信息，通过串口通信实时向板载计算机模块上报无人机位置信息；板载计算机模块接受来自无人机UWB标签模块的位置信息以及来自无人机控制模块的无人机姿态信息，对信息进行解算，转化为坐标信息，通过相应的程序接口向无人机控制模块发送控制命令；携带有无人机UWB标签模块的无人机采集得到数据后，通过无线方式发送数据至地面运检控制中心。
在本发明一实施例中，考虑到变电站强电磁干扰的环境，可能影响到定位信息的确认以及无人机的飞行；在板载计算机模块获取位置信息时加入抑制干扰算法，准确获取无人机位置信息。
在本发明一实施例中，考虑到变电站无人机定位的精度问题，在无人机的惯导数据、GPS获得的位置信息上，板载计算机模块加入粒子滤波算法，融合UWB定位数据，实现无人机在变电站的精准定位。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明不仅能实现对变电站站内设备的智能化巡检，还能实现高精度、实时化的状态巡视；本发明的创新点在于将无人机与UWB室内定位技术相结合，实现无人机的在变电站内的高精度定位、飞行任务指令下达和强电磁干扰的抑制，进而达到对电力变电站电力设备的状态巡检。
附图说明
图1 UWB定位系统布局示意图。
图2系统方法流程图。
图3系统总体结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于无人机的高精度定位巡检系统，采用以下技术方案实现：所述巡检系统由三部分组成，包括无人机系统、UWB定位系统以及地面运检控制中心 。其中无人机系统包括一架以上抗强电磁干扰的变电站专用无人机以及机载的无人机UWB标签模块；UWB定位系统包括多个设置于电力变电站站内各个位置UWB定位基站模块以及与基站模块相连环境监测模块和无线通信模块。所述的UWB定位系统通过无线通信模块与地面运检控制中心相互数据，所述的无人机通过无线通信与地面运检控制中心通信，并且所述的无人机机载UWB标签模块通过发射超宽带电磁波与基站模块通信。
无人机应包括无人机本体、用于采集变电站内电力设备状态的摄像头、GPS模块、控制无人机方向的无人机控制模块以及用于获取UWB定位信息和向无人机控制模块发送飞行指令的板载计算机模块。
无人机飞行前，将机载的标签模块的电源接通，此时标签模块启动。无人机机载的标签模块通过不断向布置在变电站内的基站模块发射电磁波，基站模块接受到信号后发射一个响应性质的信号，从而可计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定标签模块与基站的距离，进一步的，通过UWB基站在变电站内进行三维布局，从而可确定无人机标签在变电站中的具体位置。同时，考虑到定位的精度问题，本发明结合无人机的惯导数据、GPS模块的定位信息，加入粒子滤波算法融合UWB定位数据实现高精度的站内定位。
无人机飞行时，机载的标签模块实时获取无人机的定位信息，通过串口通信实时向板载计算机上报无人机位置信息。板载计算机接受来自标签模块的位置信息以及来自无人机本体飞行控制板的无人机姿态信息，对信息进行解算，转化为坐标信息，通过相应的程序接口向飞行控制板发送控制命令。携带有标签模块的无人机采集得到数据后，通过无线传输模块发送数据至地面运检控制中心。
考虑到变电站强电磁干扰的环境，可能影响到定位信息的确认以及无人机的飞行。在板载计算机获取位置信息时加入抑制干扰算法，准确获取无人机位置信息。设计电力变电站专用无人机，加入强电磁干扰抑制机制，提高无人机的抗扰性能。
考虑到变电站无人机定位的精度问题，在无人机的惯导数据、GPS获得的位置信息上，板载计算机模块加入粒子滤波算法，融合UWB定位数据，实现无人机在变电站的精准定位。
以下为本发明的具体实施过程。
UWB定位系统的布局方式如图1所示，基站布置方式采用三维布局的方式，至少需要三个以上的基站模块，利用双向飞行时间法，每个模块启动时生成一条独立的时间戳。基站模块的发射机在其时间戳上发射请求性质的脉冲信号，无人机标签模块会返回发射一个响应信号，从而计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，确定飞行距离。加上三维布置基站模块的方式，便能计算出无人机的空间位置坐标。
如图2、3所示，图2为系统工作基础流程图，图3为系统的总体架构图。UWB定位系统获得的变电站站内的无人机空间坐标，GPS导航系统可获得高空处的位置信息，无人机板载计算机搭载ROS机器人操作系统，加入粒子滤波算法融合取得的数据，计算出无人机的精准位置。根据实际变电站巡检需求，ROS系统将获取的位置信息转化为无人机坐标，并通过特定程序接口协议发送飞行控制指令给无人机飞行控制器，从而改变无人机的姿态和位置。同时地面运检控制中心可通过无线通信模块为无人机发送飞行指令执行不同的任务，无人机机载摄像头将实时采集变电站电力设备运行状态情况，实时传输至地面运检控制中心以便于及时发现变电站内存在的安全隐患。
从上述可知，本发明的有益效果在于：本发明将无人机巡检技术运用到变电站站内中，将站内电力设备的运行状态实时传输至地面运检控制中心，在地面运检中心及时进行分析处理，避免了人工运检维护的危险性，提高了维护效率和安全性。同时，本发明将UWB室内定位技术和GPS导航数据相结合，加入粒子滤波算法融合，实现更高精度的定位，从而实现了对变电站电力设备的准确监控，也避免了当无人机出现故障时无法安全降落的问题。进一步，本发明考虑变电站的强电磁干扰问题，针对性的加入电磁抑制算法和设计变电站专用无人机，加强抗干扰性能，从而减少了无人机工作时存在的危险性。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统，其特征在于，包括无人机系统、UWB定位系统以及地面运检控制中心；所述无人机系统包括至少一架抗强电磁干扰的变电站无人机以及机载的无人机UWB标签模块；所述UWB定位系统包括多个设置于电力变电站站内各个位置的UWB定位基站模块以及与该UWB定位基站模块相连接的环境监测模块和无线通信模块；所述UWB定位系统通过无线通信模块与地面运检控制中心相互数据，所述无人机通过无线与地面运检控制中心进行通信，并且所述无人机UWB标签模块通过发射超宽带电磁波与UWB定位基站模块通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统，其特征在于，所述无人机包括无人机本体、用于采集变电站内电力设备状态的摄像头、GPS模块、控制无人机位置和姿态的无人机控制模块以及用于获取UWB定位信息和向无人机控制模块发送飞行指令的板载计算机模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统，其特征在于，无人机飞行前，将无人机UWB标签模块的电源接通，此时无人机UWB标签模块启动；无人机UWB标签模块通过不断向布置在变电站内的UWB定位基站模块发射电磁波，UWB定位基站模块接受到信号后发射一个响应性质的信号，从而可计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定无人机UWB标签模块与UWB定位基站模块的距离，进一步的，通过UWB定位基站模块在变电站内进行三维布局，从而可确定无人机标签在变电站中的具体位置；无人机飞行时，无人机UWB标签模块实时获取无人机的定位信息，通过串口通信实时向板载计算机模块上报无人机位置信息；板载计算机模块接受来自无人机UWB标签模块的位置信息以及来自无人机控制模块的无人机姿态信息，对信息进行解算，转化为坐标信息，通过相应的程序接口向无人机控制模块发送控制命令；携带有无人机UWB标签模块的无人机采集得到数据后，通过无线方式发送数据至地面运检控制中心。
4.根据权利要求3所述的一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统，其特征在于，考虑到变电站强电磁干扰的环境，可能影响到定位信息的确认以及无人机的飞行；在板载计算机模块获取位置信息时加入抑制干扰算法，准确获取无人机位置信息。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于适用于变电站使用的无人机高精度定位巡检系统，其特征在于，考虑到变电站无人机定位的精度问题，在无人机的惯导数据、GPS获得的位置信息上，板载计算机模块加入粒子滤波算法，融合UWB定位数据，实现无人机在变电站的精准定位。
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