CN108469838A - 基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统及方法，导航系统由无人机本体、电磁场测量模块、飞控子系统和惯性导航子系统组成，工作时，无人机飞行至初始位置，电磁场测量模块获取初始电场值；惯性导航子系统根据电场分布等值线值图规划无人机飞行路线；在飞行过程中，电磁场测量模块获取当前位置电场数值大小；飞控子系统中的机载处理模块根据飞行情况对设置的波动阈值与初始电场值的差值进行判断，对飞控模块发出指令调整无人机的飞行高度和方向；无人机以飞行路线为基础，沿等值线图的某一等势面的轮廓纵深飞行。本发明解决了无人机因强电磁场造成的失控问题，具有可在特高压输电线路环境下自主导航、且导航稳定准确等优点。

Description

基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机自主导航技术领域，尤其是涉及一种基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统及方法。

背景技术

特高压电网的巡检工作是特高压电网工程投入使用和维护中的重要一环，也是确保线路安全的必要且基础性的工作。在长期的输电线路运行维护工作中，国家电网积极将新技术应用于线路巡检，其中无人机巡检是近年来大范围推广应用的一项技术。

然而相较高压、超高压输电线路，特高压输电线路的结构更复杂、传输电压更高，同时也对无人机巡检作业提出了更高的工作要求：1)由于特高压输电线路在其周围产生强电磁场，会干扰无人机飞控、测量模块等电路元件，甚至致其磁化损坏，导致无人机失控。2)现有的无人机导航系统大多是采用单一的卫星导航的方式，然而特高压线路附近的强电磁场对于GPS弱信号具有极大的干扰，且野外差分塔少，卫星导航系统在山区丛林里会存在一定的误差。3)手动操控无人机时，人眼视线不够准确易产生偏差，在强电磁场区域和复杂地理环境下作业容易发生事故。4)面对跨江跨谷的情况，操纵人员无法在恶劣野外条件下操控无人机进行巡检作业。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统，该系统包括：

无人机本体；

电磁场测量模块，设于无人机本体的下方，用于获取当前位置、当前时刻的电场数值大小；电磁场测量模块包括电磁辐射测量仪和数据传输电路，所述的电磁辐射测量仪与数据传输电路连接，所述的数据传输电路与机载处理模块连接。

飞控子系统，设于无人机本体上，用于控制无人机在输电线路激发的电磁场等势面中飞行的方向和高度，飞控子系统包括飞控模块、机载处理模块和伺服电机，机载处理模块与电磁场测量模块连接，伺服电机与飞控模块连接，用于为飞控模块提供动力；飞控模块包括气压计、陀螺仪和指南针。

惯性导航子系统，与飞控模块连接，用于根据空间电场分布等值线图建立以无人机初始位置为坐标系原点的惯性导航子系统坐标系，规划飞行路线。

优选地，空间电场分布等值线图以特高压输电线路等级参数为基础，通过计算机获取传送到惯性导航子系统中。

优选地，机载处理模块为单片机。

优选地，无人机初始位置选取距离杆塔最高连接输电线的正上方8米处。

基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航方法，该方法包括以下步骤：

1)操作无人机飞行至安全位置，即距离杆塔最高连接输电线的正上方的初始位置；

2)根据特高压输电线路等级参数获取空间电场分布等值线图；

3)惯性导航子系统根据电场分布等值线值图建立以无人机初始位置为坐标系原点的惯性导航子系统坐标系，规划飞行路线并发送至飞控子系统；

4)无人机按规划的飞行路线飞行，在飞行过程中，电磁场测量模块获取当前位置、当前时刻的电场数值，机载处理模块根据不同飞行情况设置波动阈值，并采用上下阈值法判断此时电场数值大小与初始电场值的差值是否在阈值允许的波动范围内，若是，则判定无人机在设定的电场等势面中飞行，若实时数值大小偏差较大，则机载处理模块发送指令给飞控模块，调整无人机的飞行高度和飞行方向，使其所测的电场数值大小返回设置的波动阈值范围内；

5)无人机以飞行路线为基础，沿等值线图的某一等势面的轮廓纵深飞行。

无人机自主导航飞行包括两种飞行模式：

模式一、无人机沿输电线平行的等势面飞行，具体包括以下步骤：

101)基于惯性导航子系统设置无人机沿输电线路纵深飞行；

102)在飞行过程中通过电磁场测量模块实时测量的电场数值大小，以每秒若干次的频率将数据传输给单片机；

103)根据不同飞行情况设置波动阈值，采用上下阈值法，单片机判断此时电场数值大小是否与初始电场值的差值在阈值允许波动范围以内，若在允许范围内波动，继续按照设置的平行与输电线路纵深飞行，若超出范围内，调整无人机飞行的高度；

104)回到101)步骤；

模式二、无人机以输电线为轴线的多角度自主盘旋的等势面飞行，具体包括以下步骤：

201)对输电线路激发的电场进行电场强度计算，获取电场分布等值线图；

202)基于惯性导航子系统设置无人机沿等势面分布轮廓形状的飞行路线，并同时向着输电线路纵深方向飞行；

203)在飞行过程中通过电磁场测量模块实时测量的电场数值大小，以每秒若干次的频率将数据传输给单片机；

204)根据不同飞行情况设置波动阈值，采用上下阈值法，单片机判断此时电场数值大小是否与初始电场值的差值在阈值允许波动范围以内，若在允许范围内波动，继续按照设置的平行与输电线路纵深飞行，若超出范围内，调整无人机飞行的高度；

205)回到201)步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出一种无人机在基于特高压线区激发的强电磁场中某一等势面自主飞行的系统及方法，基于惯性导航子系统设置无人机沿输电线路纵深飞行，在飞行过程中通过实时测量的电场数值大小调整无人机飞行的高度，结合特高压线区强电磁场环境的特点，实现了无人机在特高压输电线路环境下的自主巡检，解决了无人机因强电磁场造成的失控问题；

(2)本发明采用电磁进行无人机定位，相比于现有技术只使用GPS定位易造成弱信号存在极大干扰的问题，可大大减少定位误差，增强了导航的稳定性和准确性；

(3)本发明基于惯性导航子系统设置无人机沿输电线路纵深飞行，在飞行过程中通过实时测量的电场数值大小调整无人机飞行的高度，实现了无人机的自主导航，无需手动操控无人机，避免了人眼视线不够准确产生的偏差，且解决了在恶劣野外条件下无法操控无人机进行巡检作业的情况。

附图说明

图1为本发明实施例中电场强度实验计算模型图；

图2为本发明实施例中电场强度计算结果图，其中，图2(a)为无人机的离地面距离与水平距离的关系图，图2(b)为电场强度曲线图；

图3为本发明系统中飞行子系统的结构示意图；

图3中标号所示：

1、飞控模块，2、惯性导航子系统，3、机载处理模块，4、电磁场测量模块；

图4为本发明方法的无人机沿输电线平行的等势面自主飞行的流程图；

图5为本发明方法的无人机以输电线为轴线的多角度自主盘旋的等势面自主飞行的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例进行了超高压输电线路现场模型实验，设置的模型中的超高压输电线路为500KV，输电线间距离(D)和输电线离地距离(H)的大致关系如图1所示，A相、B相、C相分别表示杆塔上的三路输电线。四根分裂导线半径为0.3m，次分裂导线半径为0.0418m。取大地为零电势位，并视地面为良导体，可在导线对应于大地的镜像位置上设置模拟电荷，等效代替大地表现上感应电荷的影响。

在各相导线表面设置匹配点，求解以下矩阵可求得模拟电荷τ_n(m)为：

式中，P为电位系统矩阵，矩阵中的电位系数P_ii、P_ij可由下面的公式获取：

式中，h_i为导线离地高度；L_ij、L′_ij分别表示第j个模拟电荷及其镜像电荷第i个匹配点之间的距离；R_i为等效半径；ε₀为介电常数。

则电场强度有效值E可由下式算出：

式中，E_x、E_y、E_z分别为x轴、y轴、z轴的电场矢量值。

由图2实验结果图可以看出电场分布呈轴对称形，沿纵向：电场最大值出现在档距中央即弧垂最大出，朝两侧衰减，杆塔处场强最小，并以档距长度呈周期性变化；沿横向：电场分布呈马鞍形，电场最大值出现在两边相外侧约3m处。

本发明涉及一种基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统，该系统包括无人机本体、设于无人机本体的下方的电磁场测量模块、设于无人机本体上的飞控子系统以及惯性导航子系统。

电磁场测量模块用于获取当前位置电场数值大小和所处电场的等势面分布情况。电磁场测量模块搭载电磁辐射测量仪，测量仪的频率范围为30～2000Hz，电场测量范围为1V/m～200kV/m，磁场测量范围为±200μT，分辨率为0.1nT完全满足工频特高压线路周围任意空间电磁场强度的测量。为了减少无人机机身本体对测试数据的影响，将电磁场测试仪安装在整个无人机的下方。

飞控子系统用于控制无人机在输电线路激发的电磁场等势面中飞行的方向和高度，飞控子系统包括飞控模块、机载处理模块和伺服电机，机载处理模块与电磁场测量模块连接，伺服电机与飞控模块连接。飞控模块包括气压计、陀螺仪、指南针等，通过惯性导航子系统对无人机的自主飞行路线进行规划和控制。机载处理模块优选单片机，本实施例采用高性能、低成本、低功耗的STM32F4单片机。

惯性导航子系统与飞控模块连接，用于根据空间电场分布等值线图建立以无人机初始位置为坐标系原点的惯性导航子系统坐标系，规划飞行路线。

本发明还涉及一种基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航方法，该方法的主要内容为：

无人机飞行至初始位置，电磁场测量模块获取初始电场值；惯性导航子系统根据电场分布等值线值图规划无人机飞行路线；在飞行过程中，电磁场测量模块获取当前位置电场数值大小；飞控子系统中的机载处理模块根据飞行情况对设置的波动阈值与初始电场值的差值进行判断，对飞控模块发出指令调整无人机的飞行高度和方向；无人机以飞行路线为基础，沿等值线图的某一等势面的轮廓纵深飞行。

本发明方法可应用于两种无人机自主飞行模式，如图4、图5所示，包括无人机沿输电线平行的等势面自主飞行以及无人机以输电线为轴线的多角度自主盘旋的等势面自主飞行。

操纵无人机飞行至安全位置：安全位置一般设为杆塔最高连接输电线的正上方8米处，并将此安全位置设置为惯性子导航系统中的坐标系原点位置，同时测量此处的电场强度数值做为初始电场值。

一、无人机沿输电线平行的等势面飞行：

1)基于惯性导航子系统设置无人机沿输电线路纵深飞行。

2)在飞行过程中通过电磁场测量模块实时测量的电场数值大小，以每秒若干次的频率将数据传输给STM32F4单片机。

3)根据不同飞行情况设置波动阈值，采用上下阈值法，STM32F4单片机判断此时电场数值大小是否与初始电场值的差值在阈值允许波动范围以内。

4)若在允许范围内波动，继续按照设置的平行与输电线路纵深飞行；若超出范围内，调整无人机飞行的高度。

5)回到步骤1)。

二、无人机以输电线为轴线的多角度自主盘旋的等势面飞行：

1)对输电线路激发的电场进行电场强度计算实验，画出电场等值线分布图。

2)基于飞控模块的惯性导航子系统设置无人机沿等势面分布轮廓形状的飞行路线，并同时向着输电线路纵深方向飞行。

3)在飞行过程中通过电磁场测量模块实时测量的电场数值大小，以每秒若干次的频率将数据传输给STM32F4单片机。

4)根据不同飞行情况设置波动阈值，采用上下阈值法，STM32F4单片机判断此时电场数值大小是否与初始电场值的差值在阈值允许波动范围以内。

5)若在允许范围内波动，继续按照设置的平行与输电线路纵深飞行；若超出范围内，调整无人机飞行的高度。

6)回到步骤2)。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统，其特征在于，该系统包括：

无人机本体；

电磁场测量模块，设于无人机本体的下方，用于获取当前位置、当前时刻的电场数值大小；

飞控子系统，设于无人机本体上，用于控制无人机在输电线路激发的电磁场等势面中飞行的方向和高度，所述的飞控子系统包括飞控模块和机载处理模块，所述的机载处理模块与电磁场测量模块连接；

惯性导航子系统，与飞控模块连接，用于根据空间电场分布等值线图建立以无人机初始位置为坐标系原点的惯性导航子系统坐标系，规划飞行路线。

2.根据权利要求1所述的基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统，其特征在于，所述的电磁场测量模块包括电磁辐射测量仪和数据传输电路，所述的电磁辐射测量仪与数据传输电路连接，所述的数据传输电路与机载处理模块连接。

3.根据权利要求1所述的基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统，其特征在于，所述的飞控模块包括气压计、陀螺仪和指南针。

4.根据权利要求1所述的基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统，其特征在于，所述的机载处理模块为单片机。

5.根据权利要求1所述的基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统，其特征在于，所述的无人机初始位置选取距离杆塔最高连接输电线的正上方8米处。

6.一种应用如权利要求1-5任一项所述的基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航系统的基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：操作无人机飞行至安全位置，即距离杆塔最高连接输电线的正上方的初始位置；

S2：根据特高压输电线路等级参数获取空间电场分布等值线图；

S3：惯性导航子系统根据电场分布等值线值图建立以无人机初始位置为坐标系原点的惯性导航子系统坐标系，规划飞行路线并发送至飞控子系统；

S4：无人机按规划的飞行路线飞行，在飞行过程中，电磁场测量模块获取当前位置、当前时刻的电场数值，机载处理模块根据不同飞行情况设置波动阈值，并采用上下阈值法判断此时电场数值大小与初始电场值的差值是否在阈值允许的波动范围内，若是，则判定无人机在设定的电场等势面中飞行，若实时数值大小偏差较大，则机载处理模块发送指令给飞控模块，调整无人机的飞行高度和飞行方向，使其所测的电场数值大小返回设置的波动阈值范围内；

S5：无人机以飞行路线为基础，沿等值线图的某一等势面的轮廓纵深飞行。

7.根据权利要求6所述的基于特高压线区电场等势面的无人机自主导航方法，其特征在于，无人机自主导航飞行包括两种飞行模式，模式一为无人机沿输电线平行的等势面飞行，具体包括以下步骤：

101)基于惯性导航子系统设置无人机沿输电线路纵深飞行；

102)在飞行过程中通过电磁场测量模块实时测量的电场数值大小，以每秒若干次的频率将数据传输给单片机；

103)根据不同飞行情况设置波动阈值，采用上下阈值法，单片机判断此时电场数值大小是否与初始电场值的差值在阈值允许波动范围以内，若在允许范围内波动，继续按照设置的平行与输电线路纵深飞行，若超出范围内，调整无人机飞行的高度；

104)回到101)步骤；

模式二为无人机以输电线为轴线的多角度自主盘旋的等势面飞行，具体包括以下步骤：

201)对输电线路激发的电场进行电场强度计算，获取电场分布等值线图；

202)基于惯性导航子系统设置无人机沿等势面分布轮廓形状的飞行路线，并同时向着输电线路纵深方向飞行；

203)在飞行过程中通过电磁场测量模块实时测量的电场数值大小，以每秒若干次的频率将数据传输给单片机；

204)根据不同飞行情况设置波动阈值，采用上下阈值法，单片机判断此时电场数值大小是否与初始电场值的差值在阈值允许波动范围以内，若在允许范围内波动，继续按照设置的平行与输电线路纵深飞行，若超出范围内，调整无人机飞行的高度；

205)回到201)步骤。