CN108303995B - 一种变电站巡检无人机飞行安全系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种变电站巡检无人机飞行安全系统，包括无人机和地面测控系统，无人机设置有中央控制模块、导航定位模块、声光报警器、电磁检测模块和多个UWB模块，无人机支架上设置有云台，云台上设置有可见光摄像头和红外热成像仪；所述地面测控系统包括UWB定位基站、服务器和监控计算机；所述可见光摄像头、红外热成像仪、导航定位模块、声光报警器、电磁检测模块、UWB模块分别和中央控制模块连接；所述UWB模块和UWB定位基站采用UWB通信；UWB定位基站、监控计算机分别和服务器连接。本发明定位精度高，抗干扰能力强，实现了变电站设备自动巡检并将巡检信息自动储存至服务器，自动化程序高。
Description
技术领域
本发明属于变电站设备巡检领域，具体涉及一种变电站巡检无人机飞行安全系统。
背景技术
变电站设备巡检是保证变电站安全运行，提高供电可靠性的一项基础工作，随着变电站自动化水平的提高以及无人值守的普及，变电设备运行可靠性面临更加严峻的考验，变电站巡检受到了更大的重视。传统的人工巡视已经越来越满足不了现代化变电站安全运行的要求。随着近年来无人机技术以及导航技术和无线通信技术的快速发展和不断成熟，国内外许多电力企业开始尝试采用无人机进行电力系统巡检。在目前的无人机应用过程中，通常会在无人机上搭载相关的光学检测仪器，从而可以实现对电力设备工作状态的检测，以便及时发现潜在的安全隐患。采用无人机巡检电力系统，可有效降低电力巡查成本，提高巡检作业的质量，增强电力生产自动化综合能力。
而变电站电磁环境复杂，无人机在变电站内执行巡检任务时，其飞控、通信系统遭遇强烈的电磁干扰时容易导致无人机失控。由于变电站内设备密集，当无人机在变电站内发生飞行事故时，极有可能造成变电站内重要设备的损坏，进而危害变电站的安全运行，因此在变电站内飞行时，提高无人机的定位精度并规划飞行最优航路路线并实时针对环境变化情况及时调整，对无人机安全飞行尤其重要。
发明内容
本发明的目的针对上述问题，提供一种变电站无人机飞行安全系统，能实现无人机高精度定位，规划无人机安全飞行最优航路路线并针对环境变化情况及时调整。
本发明的技术方案是一种变电站巡检无人机飞行安全系统，包括无人机和地面测控系统，无人机设置有中央控制模块和导航定位模块，无人机支架上设置有云台，云台上设置有可见光摄像头和红外热成像仪，所述无人机还包括声光报警器、电磁检测模块和多个UWB模块；所述地面测控系统包括UWB定位基站、服务器和监控计算机；所述可见光摄像头、红外热成像仪、导航定位模块、声光报警器、电磁检测模块、UWB模块分别和中央控制模块连接；所述UWB模块和UWB定位基站采用UWB通信；UWB定位基站、监控计算机分别和服务器连接；所述UWB模块包括UWB发射单元和UWB接收单元；所述中央控制模块包括处理器和存储器，所述存储器上存储有电量阈值计算程序、机器视觉识别程序和航路规划程序。
进一步的，所述可见光摄像头为CCD可见光摄像头；所述红外热成像仪为FLIR VuePro红外热成像仪；所述导航定位模块为Zubax GNSS 2导航定位模块；所述声光报警器为QingYang LTE-1101声光报警器；所述中央控制模块包括Micropilot MP2028。
进一步的，导航定位模块包括并发GPS/GLONASS接收器、高精度数字气压计和高精度三轴数字罗盘，所述并发GPS/GLONASS接收器型号为u-blox MAX-M8Q，所述高精度数字气压计型号为TE Connectivity MS5611，所述高精度三轴数字罗盘型号为LIS3MDL。
优选的，所述无人机包括5个UWB模块，分别设置于无人机前方、后方、左方、右方和云台下方。
进一步的，UWB定位基站和服务器的连接方式为无线网。
变电站巡检无人机飞行安全系统的使用方法，具体包含以下步骤：
步骤1：使用电磁检测模块检测无人机所处位置电磁场强度，判断电磁场强度是否过高；
步骤1.1：如果电磁场强度过高，则采用无人机航路路线规划方法重新规划航路路线，执行步骤2；
步骤1.2：如果电磁场强度不高，则执行步骤2；
步骤2：中央控制模块判断无人机周围的设备密集程度是否满足自主巡检所要求的空间条件，判断无人机是否可以继续巡检；
步骤2.1：如果能继续巡检，则执行步骤3；
步骤2.2：如果不满足巡检条件，则执行步骤6；
步骤3：判断无人机剩余电量是否高于阈值；
步骤3.1：如果剩余电量高于阈值，则执行步骤4；
步骤3.2：如果剩余电量不高于阈值，则执行步骤6；
步骤4：无人机进行变电站设备巡检，将设备巡检信息保存至无人机存储器；
步骤5：判断是否完成所有巡检目标；
步骤5.1：如果完成巡检，则执行步骤6；
步骤5.2：如果未完成巡检，则执行步骤1；
步骤6：采用无人机航路路线规划方法规划到安全点的最优路径，无人机飞行至安全点；
步骤7：判断UWB通讯系统是否正常；
步骤7.1：如果通讯系统正常，则执行步骤9；
步骤7.2：如果通讯系统不正常，则执行步骤10；
步骤8：将巡检信息经UWB发送至服务器；
步骤9：触发无人机机载声光报警器。
所述无人机航路路线规划方法具体步骤如下，
步骤1：判断UWB模块与UWB定位基站UWB通讯是否正常；
步骤1.1：如果UWB通讯正常，则执行步骤2；
步骤1.2：如果UWB通讯不正常，则执行步骤4；
步骤2：服务器规划最优航路路线；
步骤3：最优航路路线经UWB发送至无人机；
步骤4：中央控制模块规划最优航路路线。
进一步的，所述的电量阈值计算程序被处理器执行时实现电量阈值算法，电量阈值算法考虑4个影响因素U,s,t,c，其中U为变电站电压等级，单位为kV；s为无人机已飞行的空间距离，单位为km；t为无人机已飞行的时间，单位为min；c为环境温度，单位为℃，将这4个因素统一定义为Ei,i＝1...n,n＝4。电量阈值算法具体步骤为，
步骤1：计算Ei，Ej的模糊数Pi，Pj的相似函数S(Pi,Pj)，
S(Pi,Pj)∈[0,1]是相似函数，Pi,Pj是模糊数，EVi,EVj分别表示Pi,Pj的期望，i＝1...n,n＝4，定义三角模糊数A＝(a1,a2,a3)的期望
其中a1,a2,a3分别为模糊数A的下限，最可能值，上限，模糊数A的隶属函数为/>
步骤2：计算平均一致度
其中i＝1...n,n＝4；
步骤3：计算相对一致度
其中i＝1...n,n＝4；
步骤4：计算权重Wi
Wi＝(1-α)*RADi
其中i＝1...n,n＝4，α(0≤α≤1)表示松弛因子，取α＝0.5；
步骤5：计算综合结果系数
其中Pi是因素Ei模糊数，Wi是Ei的权重；
步骤6：计算阈值
其中/>
本发明的有益效果是能实现无人机高精度定位，规划无人机安全飞行最优航路路线并针对环境变化情况及时调整；抗干扰能力强，实现了变电站设备自动巡检并将巡检信息自动储存至服务器，自动化程序高；UWB模块功率小，通讯传输速率高；实现了巡检无人机动态监控，在监控计算机实时显示。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明作进一步说明。
图1为无人机结构图。
图2为本发明结构示意图。
图3为无人机飞行安全系统的使用流程图。
图4为无人机航路路线规划方法流程图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种变电站巡检无人机飞行安全系统，包括无人机和地面测控系统，无人机设置有中央控制模块1、导航定位模块4、声光报警器5、电磁检测模块6和多个UWB模块7，无人机支架上设置有云台，云台上设置有可见光摄像头2和红外热成像仪3；地面测控系统包括UWB定位基站8、服务器9和监控计算机10；可见光摄像头2、红外热成像仪3、导航定位模块4、声光报警器5、电磁检测模块6、UWB模块7分别和中央控制模块1连接；UWB模块7和UWB定位基站8采用UWB通信；UWB定位基站8、监控计算机10分别和服务器9连接；UWB模块7包括UWB发射单元和UWB接收单元；中央控制模块1包括处理器和存储器，存储器上存储有电量阈值计算程序、机器视觉识别程序(吴纪超.机器视觉图像中目标提取识别算法研究[D].河北农业大学,2010.)、航路规划程序(李楠,张建华.基于改进遗传算法的无人机航路规划[J].计算机仿真,2016,33(04):91-94+170.)。UWB定位基站8和服务器9的连接方式为无线网。
可见光摄像头2为CCD可见光摄像头；红外热成像仪3为FLIR Vue Pro红外热成像仪；导航定位模块4为Zubax GNSS 2导航定位模块；声光报警器5为QingYang LTE-1101声光报警器；中央控制模块6包括Micropilot MP2028。Micropilot MP2028中央控制模块内置控制增益表，获得最优控制效果；对方向舵采用副翼前馈补偿，增加转向性能；伺服位置运算精度为11位；用户可自定义PID控制回路。
导航定位模块4包括并发GPS/GLONASS接收器、高精度数字气压计和高精度三轴数字罗盘，并发GPS/GLONASS接收器型号为u-blox MAX-M8Q，高精度数字气压计型号为TEConnectivity MS5611，高精度三轴数字罗盘型号为LIS3MDL。
一种实施例中，无人机包括5个UWB模块7，分别设置于无人机前方、后方、左方、右方和云台下方。
导航定位模块Zubax GNSS 2采用并发GPS/GLONASS接收器u-blox MAX-M8Q。其35毫米高增益贴片天线，具有大型接地平面，LNA和SAW的模拟前端确保了高噪音弹性。高精度数字气压计为TE Connectivity MS5611，高度分辨率10厘米。高精度三轴数字罗盘意法半导体LIS3MDL具有热补偿功能。
UWB通讯正常时，使用TDOA(Time Difference of Arrival)到达时间差，根据无人机UWB模块7同一通讯数据到不同UWB定位基站的时间差计算无人机精确的定位数据，无人机完成变电站设备巡检并降落至安全点时，采用UWB通讯将设备巡检信息经UWB定位基站8传输，存储至服务器9，UWB通讯功耗低，传输速率高，抗干扰能力强；UWB通讯不正常时，导航定位模块4获取无人机坐标数据。同时，UWB模块7检测无人机周边障碍物情况。
地面测控系统服务器9中存储有变电站设备、建筑物和其它固定无人机障碍物空间位置、坐标信息，并存储有航路规划程序。服务器根据无人机坐标信息、已完成巡检的设备数据和无人机当前位置电磁场强度等数据，规划无人机最优航路路线，并经UWB定位基站8发送到无人机。监控计算机10显示无人机巡检的监控画面，管理人员对巡检无人机进行实时动态监控，可根据需要随时发指令给服务器，重新规划无人机航路路线。
如图3所示，变电站巡检无人机飞行安全系统的使用方法，具体包含以下步骤：
步骤1：使用电磁检测模块6检测无人机所处位置电磁场强度，判断电磁场强度是否过高；
步骤1.1：如果电磁场强度过高，则采用无人机航路路线规划方法重新规划航路路线，执行步骤2；
步骤1.2：如果电磁场强度不高，则执行步骤2；
步骤2：中央控制模块1判断无人机周围的设备密集程度是否满足自主巡检所要求的空间条件，判断无人机是否可以继续巡检；
步骤2.1：如果能继续巡检，则执行步骤3；
步骤2.2：如果不满足巡检条件，则执行步骤6；
步骤3：判断无人机剩余电量是否高于阈值；
步骤3.1：如果剩余电量高于阈值，则执行步骤4；
步骤3.2：如果剩余电量不高于阈值，则执行步骤6；
步骤4：无人机进行变电站设备巡检，将设备巡检信息保存至无人机存储器；
步骤5：判断是否完成所有巡检目标；
步骤5.1：如果完成巡检，则执行步骤6；
步骤5.2：如果未完成巡检，则执行步骤1；
步骤6：采用无人机航路路线规划方法规划到安全点的最优路径，无人机飞行至安全点；
步骤7：判断UWB通讯系统是否正常；
步骤7.1：如果通讯系统正常，则执行步骤9；
步骤7.2：如果通讯系统不正常，则执行步骤10；
步骤8：将巡检信息经UWB发送至服务器9；
步骤9：触发无人机机载声光报警器5。
如图4所示，无人机航路路线规划方法具体步骤如下，
步骤1：判断UWB模块7与UWB定位基站8之间UWB通讯是否正常；
步骤1.1：如果UWB通讯正常，则执行步骤2；
步骤1.2：如果UWB通讯不正常，则执行步骤4；
步骤2：服务器9规划最优航路路线；
步骤3：最优航路路线经UWB发送至无人机；
步骤4：中央控制模块1规划最优航路路线。
电量阈值计算程序被处理器执行时实现电量阈值算法，电量阈值算法考虑4个影响因素U,s,t,c，其中U为变电站电压等级，单位为kV；s为无人机已飞行的空间距离，单位为km；t为无人机已飞行的时间，单位为min；c为环境温度，单位为℃，将这4个因素统一定义为Ei,i＝1...n,n＝4。电量阈值算法具体步骤为，
步骤1：计算Ei，Ej的模糊数Pi，Pj的相似函数S(Pi,Pj)，
S(Pi,Pj)∈[0,1]是相似函数，Pi,Pj是模糊数，EVi,EVj分别表示Pi,Pj的期望，i＝1...n,n＝4，定义三角模糊数A＝(a1,a2,a3)的期望
其中a1,a2,a3分别为模糊数A的下限，最可能值，上限，模糊数A的隶属函数为/>
步骤2：计算平均一致度
其中i＝1...n,n＝4；
步骤3：计算相对一致度
其中i＝1...n,n＝4；
步骤4：计算权重Wi
Wi＝(1-α)*RADi
其中i＝1...n,n＝4，α(0≤α≤1)表示松弛因子，取α＝0.5；
步骤5：计算综合结果系数
其中Pi是因素Ei模糊数，Wi是Ei的权重；
步骤6：计算阈值
其中/>
Claims (7)
1.一种变电站巡检无人机飞行安全系统，包括无人机和地面测控系统，无人机设置有中央控制模块(1)和导航定位模块(4)，无人机支架上设置有云台，云台上设置有可见光摄像头(2)和红外热成像仪(3)，其特征在于，所述无人机还包括声光报警器(5)、电磁检测模块(6)和多个UWB模块(7)；所述地面测控系统包括UWB定位基站(8)、服务器(9)和监控计算机(10)；所述可见光摄像头(2)、红外热成像仪(3)、导航定位模块(4)、声光报警器(5)、电磁检测模块(6)、UWB模块(7)分别和中央控制模块(1)连接；所述UWB模块(7)和UWB定位基站(8)采用UWB通信；UWB定位基站(8)、监控计算机(10)分别和服务器(9)连接；所述UWB模块(7)包括UWB发射单元和UWB接收单元；所述中央控制模块(1)包括处理器和存储器，所述存储器上存储有电量阈值计算程序、机器视觉识别程序和航路规划程序；
所述的电量阈值计算程序被处理器执行时实现电量阈值算法，电量阈值算法考虑4个影响因素U,s,t,c，其中U为变电站电压等级，单位为kV千伏；s为无人机已飞行的空间距离，单位为km千米；t为无人机已飞行的时间，单位为min分钟；c为环境温度，单位为℃，将这4个因素统一定义为Ei,i＝1...n,n＝4；
电量阈值算法具体步骤为，
步骤1：计算Ei，Ej的模糊数Pi，Pj的相似函数S(Pi,P j)，
S(Pi,Pj)∈[0,1]是相似函数，Pi,Pj是模糊数，EVi,EVj分别表示Pi,Pj的期望，i＝1...n,n＝4，
定义三角模糊数A＝(a1,a2,a3)的期望
其中a1,a2,a3分别为模糊数A的下限，最可能值，上限，
模糊数A的隶属函数为
步骤2：计算平均一致度
其中i＝1...n,n＝4；
步骤3：计算相对一致度
其中i＝1...n,n＝4；
步骤4：计算权重Wi
Wi＝(1-α)*RADi
其中i＝1...n,n＝4，α表示松弛因子，其中0≤α≤1，取α＝0.5；
步骤5：计算综合结果系数
其中Pi是因素Ei模糊数，Wi是Ei的权重；
步骤6：计算阈值
其中
2.根据权利要求1所述的变电站巡检无人机飞行安全系统，其特征在于，所述可见光摄像头(2)为CCD可见光摄像头；所述红外热成像仪(3)为FLIR Vue Pro红外热成像仪。
3.根据权利要求1所述的变电站巡检无人机飞行安全系统，其特征在于，导航定位模块(4)包括并发GPS/GLONASS接收器、高精度数字气压计和高精度三轴数字罗盘。
4.根据权利要求1或2所述的变电站巡检无人机飞行安全系统，其特征在于，所述无人机包括5个UWB模块(7)，分别设置于无人机前方、后方、左方、右方和云台下方。
5.根据权利要求1或2所述的变电站巡检无人机飞行安全系统，其特征在于，UWB定位基站(8)和服务器(9)的连接方式为无线网。
6.根据权利要求1-3所述任意一项变电站巡检无人机飞行安全系统的使用方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1：使用电磁检测模块(6)检测无人机所处位置电磁场强度，判断电磁场强度是否过高；
步骤1.1：如果电磁场强度过高，则采用无人机航路路线规划方法重新规划航路路线，执行步骤2；
步骤1.2：如果电磁场强度不高，则执行步骤2；
步骤2：中央控制模块(1)判断无人机周围的设备密集程度是否满足自主巡检所要求的空间条件，判断无人机是否可以继续巡检；
步骤2.1：如果能继续巡检，则执行步骤3；
步骤2.2：如果不满足巡检条件，则执行步骤6；
步骤3：判断无人机剩余电量是否高于阈值；
步骤3.1：如果剩余电量高于阈值，则执行步骤4；
步骤3.2：如果剩余电量不高于阈值，则执行步骤6；
步骤4：无人机进行变电站设备巡检，将设备巡检信息保存至无人机存储器；
步骤5：判断是否完成所有巡检目标；
步骤5.1：如果完成巡检，则执行步骤6；
步骤5.2：如果未完成巡检，则执行步骤1；
步骤6：采用无人机航路路线规划方法规划到安全点的最优路径，无人机飞行至安全点；
步骤7：判断UWB通讯系统是否正常；
步骤7.1：如果通讯系统正常，则执行步骤8；
步骤7.2：如果通讯系统不正常，则执行步骤9；
步骤8：将巡检信息经UWB发送至服务器(9)；
步骤9：触发无人机机载声光报警器(5)。
7.根据权利要求6所述的变电站巡检无人机飞行安全系统的使用方法，其特征在于，所述无人机航路路线规划方法具体步骤如下，
步骤1)判断UWB模块(7)与UWB定位基站(8)UWB通讯是否正常；
步骤1.1)如果UWB通讯正常，则执行步骤2)；
步骤1.2)如果UWB通讯不正常，则执行步骤4)；
步骤2)服务器(9)规划最优航路路线；
步骤3)最优航路路线经UWB发送至无人机；
步骤4)中央控制模块(1)规划最优航路路线。
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