CN108762304A - 一种无人机巡线避障系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机巡线避障系统及方法,包括无人机机体,无人机上装设有电场避障装置,该电场避障装置包括电场强度信息库与ARM内核的嵌入式系统模块,依次连接的电场强度传感器、电场强度传感信息处理模块和模数转换模块,模数转换模块与ARM内核的嵌入式系统模块的输入端相连接,ARM内核的嵌入式系统模块输出端与无人机的飞行控制系统连接,无人机的飞行控制系统由报警装置、微处理器、GPS定位装置、无线信息传输发射和接收装置组成,本发明结构原理简单,智能化程度高,本发明通过测量无人机位置处的电场强度大小来确定巡线无人机与架空线之间的距离,成功解决了人眼直接观察带来的不便与问题。解决了当前无人机运用到实际工程中所遇到的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无人机避障技术领域,具体为一种无人机巡线避障系统及方法。
背景技术
目前,超、高电压输线路已经成为全国大电网联络线,然而由于我国地形复杂,输电线的周围环境复杂多变,输电安全受到严重威胁。近年来,以无人机为载体的输电线路巡检方式应运而生,利用无人机对输电线路巡检更加安全,成本低,效率高且可以及时地发现输电线路存在的缺陷,解决人工巡检“盲区”问题。无人机可以携带多种传感器,我们可以通过分析无人机对输电线路拍摄的影音资料得到输电线路存在的缺陷,尽早地发现并消除可能出现的隐患。
而无人机巡检的线路,大多为复杂多变的低空领域,存在输电线路、电力杆塔、建筑物等障碍物,特别是输电线路,如果不能处理好无人机和输电线路的关系,不仅会损坏无人机还可能会给输电线路和电网造成严重威胁,甚至引起重大事故,导致大规模停电,造成严重的经济损失。因此,在无人机巡线中为了确保电网的安全运行和无人机系统的本身的安全问题,无人机的避障控制有着重要的研究意义。
针对高压交流输电线路这个特定对象,有一类信息在无人机安全距离评测中尚未得到充分利用,那就是电场。在输电导线上施加交流电压,就会在其周围空间产生交变电场,这是交流输电线路的固有特性。
目前,国内外对高压输电导线电磁环境的研究和分析已取得了一定的成果。但利用架空线的电磁环境实现无人机定位仅在少有的文献和专利提及,譬如专利申请号为201210222437.0的专利《一种用于无人机巡检带电导线的电场差分避障系统及方法》提及了利用的电场差分测量来规避导线,所采用的是两路完全相同的电场测量装置,通过一定的方式测得两处电场强度,并计算差值与现有数据比较,从而得出无人机与导线之间的距离。专利申请号为201510250261.3的专利《基于电场强度变化率的高压同塔双回输电线路无人机巡检避障方法》公开了一种基于电场强度变化率的高压同塔双回输电线路无人机巡检避障方法,其提出了全新的输电线路周围电场强度变化率则主要由导线排列方式和塔架结构决定的理论并由此得出避障方法。但这些专利在说明标准制定时不够精确,较为模糊,且由于需要经过多次数据处理计算,需要一定的延时,对于避障实施是有风险的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机巡线避障系统及方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种无人机巡线避障系统,包括无人机机体,所述无人机机体上装设有电场避障装置,所述电场避障装置包括电场强度信息库与ARM内核的嵌入式系统模块,依次连接的电场强度传感器、电场强度传感信息处理模块和模数转换模块,所述模数转换模块与ARM内核的嵌入式系统模块的输入端相连接,所述ARM内核的嵌入式系统模块输出端与无人机的飞行控制系统连接,所述无人机的飞行控制系统由报警装置、微处理器、GPS定位装置、无线信息传输发射和接收装置组成,所述微处理器分别连接报警装置、GPS定位装置、无线信息传输发射和接收装置。
优选的,所述电场强度传感信息处理模块包括运算放大器,所述运算放大器负极输入端分别连接电阻A一端和电阻D一端,电阻A另一端为信号输入端,所述运算放大器正极输入端通过电阻B接地,所述运算放大器控制端通过电阻C接地,所述电阻D另一端连接运算放大输出端和信号输出端。
优选的,所述微处理器采用型号为N76E003的单片机。
优选的,一种无人机巡线避障系统的使用方法,包括以下步骤:
A、在无人机巡检带电线路前,首先由工作人员确定输电线路的电压等级和排列结构,确定相应的无人机避障策略及巡线时的安全距离;无人机避障策略具体方式包括:当检测到无人机本体处的电场强度大小大于或等于10kV/m时就应该发出避障指令;反之则说明无人机处于安全区域,无需发出避障指令;无人机在220kV等级线路巡检时安全距离为12m,在500kV等级线路巡检时安全距离为18m;
B、巡检无人机巡检带电输电线路时,机身与输电线路方向基本平行;
C、无人机飞行缓慢匀速飞行靠近输电线路的过程中,电场强度测量元件及传感器将数据送入ARM内核的嵌入式系统模块中运算,数据输出结果与电场强度信息库中的数据进行比对,判断无人机所处的位置,并比较此时位置与相应电压等级下的无人机巡检安全距离,判断无人机是否处于安全范围内;
D、数据输出至飞行控制系统,若其在安全距离,则可继续靠近输电线路或者悬停;若其不在安全距离内则需要迅速飞离输电线路。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明通过测量无人机位置处的电场强度大小来确定巡线无人机与架空线之间的距离,成功解决了人眼直接观察带来的不便与问题。本发明可为无人机提供在巡线工作的情况下提供定位和避障的新策略方法,为架空线路的巡线带来了新的技术手段,解决了当前无人机运用到实际工程中所遇到的问题。
附图说明
图1为本发明系统原理图;
图2为本发明电场强度传感信息处理模块电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种无人机巡线避障系统,包括无人机机体,所述无人机机体上装设有电场避障装置,所述电场避障装置包括电场强度信息库1与ARM内核的嵌入式系统模块2,依次连接的电场强度传感器3、电场强度传感信息处理模块4和模数转换模块5,所述模数转换模块5与ARM内核的嵌入式系统模块2的输入端相连接,所述ARM内核的嵌入式系统模块2输出端与无人机的飞行控制系统6连接,所述无人机的飞行控制系统6由报警装置7、微处理器8、GPS定位装置9、无线信息传输发射10和接收装置11组成,所述微处理器8分别连接报警装置7、GPS定位装置9、无线信息传输发射10和接收装置11;其中,微处理器8采用型号为N76E003的单片机。
如图2所示,本发明中,电场强度传感信息处理模块4包括运算放大器12,所述运算放大器12负极输入端分别连接电阻A1a一端和电阻D4a一端,电阻A1a另一端为信号输入端,所述运算放大器12正极输入端通过电阻B2a接地,所述运算放大器控制端通过电阻C3a接地,所述电阻D4a另一端连接运算放大器12输出端和信号输出端。本发明采用的电场强度传感信息处理模块抗干扰能力强,能够实现对传感器信号的无失真放大,进一步提高了控制效率。
避障方法主要是通过软件仿真输电线附近电场分布情况,从而确定出无人机巡检线路时的安全距离。其次,通过在仿真过程中得到的电场强度与安全距离的关系,就可以在无人机巡线时通过实时测量的电场强度大小,判断无人机距离输电线的距离,从而判断无人机是否处于安全距离内,以对无人机进行控制;首先通过仿真数据,确定架空输电线路不同电压等级下无人机安全工作距离;将仿真中电场强度与安全距离的相关对应数据储存作为无人机上搭载的电场强度信息库;在无人机飞行巡检过程中,实时测量无人机位置处的电场强度大小;将测得的数据与电场强度信息库中的数据进行对比,通过ARM内核的嵌入式系统模块处理。通过电场强度大小可以判断此时无人机离线距离。且当测量得到的无人机电场强度大小小于10kV/m时,无人机还处在安全距离中,可以继续靠近输电线路;当测量得到的无人机电场强度大小等于或大于10kV/m时,无人机还处在安全距离中,需要发出避障指令,离开输电线。
本发明的使用方法,包括以下步骤:
A、在无人机巡检带电线路前,首先由工作人员确定输电线路的电压等级和排列结构,确定相应的无人机避障策略及巡线时的安全距离;无人机避障策略具体方式包括:当检测到无人机本体处的电场强度大小大于或等于10kV/m时就应该发出避障指令;反之则说明无人机处于安全区域,无需发出避障指令;无人机在220kV等级线路巡检时安全距离为12m,在500kV等级线路巡检时安全距离为18m;
B、巡检无人机巡检带电输电线路时,机身与输电线路方向基本平行;
C、无人机飞行缓慢匀速飞行靠近输电线路的过程中,电场强度测量元件及传感器将数据送入ARM内核的嵌入式系统模块中运算,数据输出结果与电场强度信息库中的数据进行比对,判断无人机所处的位置,并比较此时位置与相应电压等级下的无人机巡检安全距离,判断无人机是否处于安全范围内;
D、数据输出至飞行控制系统,若其在安全距离,则可继续靠近输电线路或者悬停;若其不在安全距离内则需要迅速飞离输电线路。
综上所述,本发明通过测量无人机位置处的电场强度大小来确定巡线无人机与架空线之间的距离,成功解决了人眼直接观察带来的不便与问题。本发明可为无人机提供在巡线工作的情况下提供定位和避障的新策略方法,为架空线路的巡线带来了新的技术手段,解决了当前无人机运用到实际工程中所遇到的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种无人机巡线避障系统,包括无人机机体,其特征在于:所述无人机机体上装设有电场避障装置,所述电场避障装置包括电场强度信息库(1)与ARM内核的嵌入式系统模块(2),依次连接的电场强度传感器(3)、电场强度传感信息处理模块(4)和模数转换模块(5),所述模数转换模块(5)与ARM内核的嵌入式系统模块(2)的输入端相连接,所述ARM内核的嵌入式系统模块(2)输出端与无人机的飞行控制系统(6)连接,所述无人机的飞行控制系统(6)由报警装置(7)、微处理器(8)、GPS定位装置(9)、无线信息传输发射(10)和接收装置(11)组成,所述微处理器(8)分别连接报警装置(7)、GPS定位装置(9)、无线信息传输发射(10)和接收装置(11)。
2.根据权利要求1所述的一种无人机巡线避障系统,其特征在于:所述电场强度传感信息处理模块(4)包括运算放大器(12),所述运算放大器(12)负极输入端分别连接电阻A(1a)一端和电阻D(4a)一端,电阻A(1a)另一端为信号输入端,所述运算放大器(12)正极输入端通过电阻B(2a)接地,所述运算放大器(12)控制端通过电阻C(3a)接地,所述电阻D(4a)另一端连接运算放大器(12)输出端和信号输出端。
3.根据权利要求1所述的一种无人机巡线避障系统,其特征在于:所述微处理器(8)采用型号为N76E003的单片机。
4.实现权利要求1所述的一种无人机巡线避障系统的使用方法,其特征在于:包括以下步骤:
A、在无人机巡检带电线路前,首先由工作人员确定输电线路的电压等级和排列结构,确定相应的无人机避障策略及巡线时的安全距离;无人机避障策略具体方式包括:当检测到无人机本体处的电场强度大小大于或等于10kV/m时就应该发出避障指令;反之则说明无人机处于安全区域,无需发出避障指令;无人机在220kV等级线路巡检时安全距离为12m,在500kV等级线路巡检时安全距离为18m;
B、巡检无人机巡检带电输电线路时,机身与输电线路方向基本平行;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181106 |