CN108762305B - 一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，包括：无人机机载动态电场测量装置，内含电场测量传感器、信号处理单元、微处理器和信号传输单元；无人机飞行控制模块，用于向电场测量装置提供飞行信息、接收预警信息；电源模块，用于向测量预警系统供电；存在电力线路判断模块，用于判断无人机周围是否存在电力线路；靠近电力线路判断模块，用于判断无人机是否正在逐步靠近电力线路；危险区判断预警模块，用于分级评估无人机与电力线路的距离的危险性。本发明通过机载动态电场测量和实时判断，使无人机能够智能、快速、准确地识别正在靠近架空交流电力线路从而及时发出预警信息。
Description
技术领域
本发明属于无人机应用领域，尤其涉及无人机避撞架空交流电力线路的预警装置。
背景技术
当前中小型民用无人机发展迅猛，尤其是多旋翼无人机，具有体积小、重量轻、操作简单等优势，在电力巡检、航拍、农业、植保、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘等专业领域得到广泛应用。与此同时，消费级无人机市场也在迅速扩张，越来越多的普通人也开始走进无人机世界。
随着无人机应用的增加，无人机飞行安全问题日益突出。近年来，关于无人机碰撞架空电力线路引发事故的报道屡有出现，轻者无人机损坏、重则导致线路跳闸电力供应中断。
尽管现在已有一些无人机避障措施，但是电力线路为细线状，且空间走向多变，常规的无人机视觉、微波、红外等技术难以准确识别。采用现有技术大幅增加成本以提高识别精度，只能满足部分特殊用途无人机的需求，并且识别算法的复杂度增加，会延长识别所需的时间。因此急需一种新方法，能使无人机智能、快速、准确地能够识别架空电力线路从而及时避让；同时还要考虑有效控制成本，满足各类用途无人机避撞架空电力线路的需求。
已有研究表明，带电运行的交流输电线路会在其周围空间产生工频电场，电场强度与运行电压等级、测量点和线路的距离有关，可将电场信息作为靠近带电设备的指示信息。目前已有科技论文或专利提出基于电场测量进行无人机巡线避障，但其应用仅限于电力部门专用的巡线无人机，这是因为：
1)用于避障的评估算法需要预先知道线路电压等级、线路布置结构、无人机靠近电力线路时的飞行航线等，根据上述条件仿真计算得到邻近电力线路的空间电场分布并分析其特征，然后与测量所得电场强度数值或者相应的变化参数进行比较，从而判断是否发出防撞预警；
2)所采用的电场测量传感器多为面板型结构，测量时往往要求传感器面板与电力线路平行或垂直。
这些要求导致其应用针对性太强，不适用于非电力巡线无人机。因为用于航拍、航测、运输等的无人机在远距离飞行过程中，不可能预先知晓所靠近的电力线路的具体信息，以及无人机飞行航线与线路的结构关系，目前也没有配备适合于动态实时电场测量的装置。
针对各类用途的无人机提出一种具有通用性的评测方法及其配套的电场测量装置，使其在接近架空交流电力线路的过程中获得渐进式预警信号，从而避免撞击事故发生。
为实现本专利目标，需要解决以下几个技术难点：
(1)在无法预知无人机以何种方式靠近何种电压等级和结构类型电力线路的条件下，需要提出一种具有通用性的评测方法、制定一套合理的判据，在无人机与电力线路的距离已进入危险区时启动预警。
(2)提出与避障判断策略相契合的电场测量和数据存储方案。
(3)研制一套无人机机载动态工频电场测量的装置，要求装置的尺寸及重量要在无人机搭载限制范围内，且电场测量的准确性与稳定性不受无人机飞行方向与速度的影响。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，可使无人机智能、快速、准确地识别逐渐靠近的架空交流电力线路从而及时预警避让信号。本发明的技术方案如下：
一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，其包括无人机机载动态电场测量装置、存在电力线路判断模块、靠近电力线路判断模块、危险区判断预警模块、飞行控制模块以及电源模块。其中，无人机机载动态电场测量装置包含特制的电场测量传感器、配套的信号处理单元、微处理器、以及与飞行控制模块连接的信号传输单元模块，用于动态测量电力线路周围的电场强度Ei值，并传输给电力线路判断模块及靠近线路判断模块；
飞行控制模块，用于向电场测量装置提供飞行状态信息，及接收预警信号；
电源模块，用于向除电场传感器以外的所有模块供电；
存在电力线路判断模块用于根据无人机机载动态电场测量装置测量的电场强度Ei值与电场强度阈E0值进行比较，判断无人机周围是否存在电力线路；
靠近电力线路判断模块，根据实时连续采集的4个E值数据和计算出的3个电场强度环比变化率K，并通过设置靠近判断条件来判断无人机是否正在逐步靠近电力线路；
危险区判断预警模块，用于通过对电场强度环比变化率K值的取值进行设定，判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区，若进入危险区则启动预警，发出避让命令；
进一步的，所述无人机机载动态电场测量装置包括电场传感器、信号处理单元、微处理器、信号传输单元，其中电场传感器为双球壳型电场传感器，包括内、外金属球壳，分别为电容的两极，每一个电极都是一个整球壳，适用于复杂三维电场测量，且体积小重量轻，用于无人机飞行中的动态电场测量得到电场强度Ei值，并传输给信号处理单元；信号处理单元，用于将传感器测量信号进行放大、滤波处理后发送给微处理器；微处理器，用于接收来自无人机飞行控制器的信息，根据动态测量要求，确定E值采集频率；计算参数K值；根据动态测量策略进行数据存储与数据更新；信号传输单元负责信号在微处理器与飞行控制模块之间的传输。
进一步的，若无人机机载动态电场测量装置实时测量的Ei>E0，E0表示电场强度阈值，存在电力线路判断模块判断无人机周围存在电力设施。
进一步的，所述电场强度阈值E0＝50V/m，
进一步的，所述靠近线路判断模块判断无人机是否正在逐步靠近电力线路具体包括：
首先定义一个参数：电场强度环比变化率K(％)
式中，Ei+1、Ei分别表示第i+1次、第i次测量得到的电场强度值；
对于连续采集的4个E值数据以及在此基础上计算出来的3个K值，如果满足以下条件则可认为无人机正在逐步靠近电力线路：
进一步的，所述危险区判断预警模块判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区，若进入危险区则启动预警，具体包括：通过Ki值进行判断，其中
Ki≥3，发出“异常”级别的预警；
Ki≥4，发出“警告”级别的预警；
Ki≥6，发出“危险”级别的预警。
进一步的，所述连续采集的4个E值数据的采集频率n＝2v，v是从飞行控制模块中读取的无人机飞行速度；4个E值存储在单片机存储器中，最近4次连续采集到的电场数据分别为Ei-2、Ei-1、Ei、Ei+1，计算得到3个对应的K值Ki-2、Ki-1、Ki并存储，当采集到1个新的电场数据时，存储器中的4个E值和3个K值进行实时更新。
本发明的优点及有益效果如下：
1.设计了一种工频电场测量装置，具有体积小、重量轻、测量稳定、成本低的优点，适用于各种中小型民用无人机机载测量。
2.设计了一套具有通用性的无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，适用于各种用途的民用无人机，在未知电力线路信息、未知无人机航线与电力线路结构关系的情况下实现“盲式”预警；
3.提出了一种动态实时电场测量方案，保证无人机在靠近电力线路危险区域时可以及时发出预警信号，且节省数据存储空间。
附图说明
图1无人机避撞架空交流电力线路的预警装置结构图；
图2本发明提供优选实施例避撞预警方法流程图；
图3无人机靠近电力线路的飞行路径示意图；
图4无人机沿多路径靠近各个电压等级电力线路时E值的变化曲线
图5是无人机沿多路径靠近各个电压等级电力线路时K值的变化曲线
图6无人机靠近各种结构电力线路时E值的变化曲线
图7无人机靠近各种结构电力线路时K值的变化曲线
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
1.避撞预警判据
为了提升判断和预警的准确性，如图2所示，本专利提出了三层递进式判断策略：
①判断无人机周围是否存在电力线路；
②判断无人机是否正在逐步靠近电力线路；
③判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区需启预警；
对于①，可利用机载工频电场测量装置实时测量获得的电场强度E值大小来判断。因为自然空间内的工频电场强度比较微弱，只有在交流电气设施周围工频电场才会显著增大。本专利将E0＝50V/m值设为阈值，若实时测量的Ei>E0，则表明无人机周围存在电力设施。
对于②，首先定义一个参数：电场强度环比变化率K(％)
式中，Ei+1、Ei分别表示第i+1次、第i次测量得到的电场强度值。
对于连续采集的4个E值数据以及在此基础上计算出来的3个K值，如果满足以下条件则可认为无人机正在逐步靠近电力线路：
对于③，可通过Ki值进行判断，其中
Ki≥3，发出“异常”级别的预警
Ki≥4，发出“警告”级别的预警
Ki≥6，发出“危险”级别的预警
2、机载动态电场测量与数据存储方案
考虑到要在无人机飞行过程中实时进行安全距离的判别，要求所采用的方法满足快速性、准确性；同时配合所提出的避撞预警判据，设置以下机载动态电场测量与数据存储方案：
首先，从飞行控制系统中读取无人机飞行速度v；然后确定动态电场数据采集频率n＝2v。
单片机存储器存储最近4次连续采集到的电场数据Ei-2、Ei-1、Ei、Ei+1，计算得到3个对应的K值Ki-2、Ki-1、Ki并存储。当采集到1个新的电场数据时，存储器中的4个E值和3个K值进行实时更新。
综上所述，无人机避撞架空电力线路的预警方法流程如图2所示。
3、机载动态电场测量预警装置
无人机机载动态电场测量预警装置由电场传感器、信号处理单元、微处理器、信号传输单元组成，此外还有存在电力线路判断模块，靠近电力线路判断模块，危险区判断预警模块，无人机飞行控制模块和电源模块。系统结构框图如图1所示。
无人机机载动态电场测量预警装置中，电场传感器为自主研制双球壳型电场传感器，具有体积小、重量轻、在复杂电场中输出稳定的特点，适用于无人机飞行中的动态电场测量。具体参见与本申请人为同一申请人，专利申请号为201610821070.2，专利名称为：一种便携式电场测量传感器的专利，包括第一电极层、介质层及第二电极层；其中所述介质层位于第一电极层和第二电极层之间，由里及外的依次分布着第一电极层、介质层及第二电极层，所述第一电极层和第二电极层均为球形金属壳结构，其中第一电极层为整体球形金属壳，第二电极层被均分成了上下两个半球，上下半球的连接部分采用金属密封；在所述第一电极层和第二电极层的外表面分别设置第一导线和第二导线并连接至外部，第一电极层和第二电极层用于在电场中产生感应电压；所述第一导线和第二导线用于输出电压信号，即为传感器在电场中所产生的感应电压U AC。本装置体积小、测量方便，适用于无人机机载动态电场测量。
信号处理单元将传感器测量信号进行放大、滤波等处理。
微处理器完成的任务：接收来自无人机飞行控制器的信息，根据动态测量要求，确定E值采集频率；计算参数K值；根据动态测量策略进行数据存储和数据更新。
信号传输单元负责无人机飞行信息在微处理器与飞行控制模块之间的传输。
存在电力线路判断模块用于根据无人机机载动态电场测量装置测量的电场强度Ei值与电场强度阈E0值进行比较，判断无人机周围是否存在电力线路；
靠近电力线路判断模块，根据实时连续采集的4个E值数据和计算出的3个电场强度环比变化率K，并通过设置靠近判断条件来判断无人机是否正在逐步靠近电力线路；
危险区判断预警模块，用于通过对电场强度环比变化率K值的取值进行设定，判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区，若进入危险区则启动预警，发出避让命令；
飞行控制模块，用于向电场测量装置提供飞行状态信息，及接收预警信号；
电源模块为除传感器以外的整个系统供电。
避撞预警判据的阈值设定依据
由于无法预知无人机以何种方式靠近何种电压等级和结构类型的电力线路，需要对各种情况进行分析，总结出E值和K值的变化规律。
(1)无人机沿不同路径靠近不同电压等级电力线路时的E值和K值变化规律
考虑实际可能出现的情况，设计3种无人机靠近电力线的飞行路径，如图3所示，其中路径1、路径2、路线3分别表示无人机水平靠近、由上方倾斜向下靠近、由下方倾斜向上靠近。
电力线路电压等级分别设置为10kV、66kV、110kV、220kV、500kV。计算获得无人机沿多路径靠近各个电压等级电力线路时E值和K值的变化曲线，如图4、图5所示。
由图4可以看出：
1)电力线路电压等级越高，在与边线相同距离位置上的E值越大。对于500kV线路，在距离边线30m的位置，E值约为500V/m；而对于10kV线路，在距离边线10m的位置，E值约为70V/m。兼顾各种电压等级的输电线路，将是否靠近电力线路的E值阈值设置为50V/m。
2)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的E值均增大，因此可将E值增大的趋势作为无人机靠近电力线路的判断依据。
3)当无人机以3种路径靠近同一电压等级电力线路时，同一距离处的E值略有差异但并不显著，即人机飞行路径的不同不影响上述1)和2)两条结论。
由图5可以看出：
1)无论无人机以何种路径靠近何种电压等级的输电线路，同一距离处的K值趋同，由此可见所定义的K参数是个具有通用性的评价参数。
2)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的K值增大。当K值为3、4、6时，无人机与边导线的距离分别大致为28m、20m、13m，对应设置为“异常”、“警告”、“危险”3个预警级别。
(2)无人机靠近不同结构电力线路时的E值和K值变化规律
以220kV架空线路为例，分别针对三导线为水平排列、三角排列、倒三角排列的单回线路以及鼓型排列的双回线路进行计算，得到E值和K值的变化曲线如图6、图7所示。
由图6可以看出：
1)在无人机与边线相同距离处，各种结构排列导线产生的E值存在差异，但是在30m位置处的E值均大于50V/m。
2)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的E值均增大。
由图7可以看出：
1)随着无人机与电力线路的距离缩小，无人机所处位置的K值增大。
2)对于3种单回线路排列结构，同一距离处的K值趋同，当K值为3、4、6时，无人机与边导线的距离分别大致为27m、20m、12m，与图5所得结论一致。双回线路对应位置处的K值大于单回线路产生的值，K值为4时无人机与边导线的距离约为30m，可以理解为如果无人机靠近双回线路，会在更远距离处就发出预警信号，满足本专利提出的目标。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，其特征在于，包括无人机机载动态电场测量装置、无人机飞行控制模块、电源模块、存在电力线路判断模块、靠近电力线路判断模块及危险区判断预警模块，其中，
无人机机载动态电场测量装置包含特制的电场测量传感器、配套的信号处理单元、微处理器、以及与飞行控制模块连接的信号传输单元模块，用于动态测量电力线路周围的电场强度E值，并传输给存在电力线路判断模块及靠近电力线路判断模块；
飞行控制模块，用于向电场测量装置提供飞行状态信息，及接收预警信号；
电源模块，用于向除电场传感器以外的整个系统供电；
存在电力线路判断模块，用于根据无人机机载动态电场测量装置测量的电场强度E值与电场强度阈E0值进行比较，判断无人机周围是否存在电力线路，若判断结果为“是”，启动靠近电力线路判断模块；
靠近电力线路判断模块，根据实时连续采集的4个E值数据和计算出的3个电场强度环比变化率K，通过设置靠近判断条件来判断无人机是否正在逐步靠近电力线路，若判断结果为“是”，启动危险区判断预警模块；
危险区判断预警模块，用于根据实时计算出的K值，判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区，并分级启动预警，发出避让命令；
所述无人机机载动态电场测量装置包括电场传感器、信号处理单元、微处理器、信号传输单元，其中，电场传感器为双球壳型电场传感器，包括内、外金属球壳，分别为电容的两极，每一个电极都是一个整球壳，适用于复杂三维电场测量，用于无人机携带在飞行中动态电场测量得到电场强度E值，并传输给信号处理单元；信号处理单元，用于将传感器测量信号进行放大、滤波处理后发送给微处理器；微处理器，用于接收来自无人机飞行的信息，根据动态测量要求，确定E值采集频率、计算参数K值，根据动态测量策略进行数据存储与数据更新；信号传输单元负责信号在微处理器与飞行控制模块之间的传输；电源模块为除传感器外的整个系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，其特征在于，若无人机机载动态电场测量装置实时测量的Ei>E0，E0表示电场强度阈值，存在电力线路判断模块判断无人机周围存在电力线路。
3.根据权利要求1-2之一所述的一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，其特征在于，所述电场强度阈值E0＝50V/m。
4.根据权利要求1所述的一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，其特征在于，所述靠近电力线路判断模块判断无人机是否正在逐步靠近电力线路具体包括：
首先定义一个参数：电场强度环比变化率K(％)
式中，Ei+1、Ei分别表示第i+1次、第i次测量得到的电场强度值；
对于连续采集的4个E值数据以及在此基础上计算出来的3个K值，如果满足以下条件则可认为无人机正在逐步靠近电力线路：
5.根据权利要求1所述的一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，其特征在于，所述危险区判断预警模块判断无人机与电力线路的距离是否已进入危险区，若进入危险区则启动预警，具体包括：通过Ki值进行判断，其中
Ki≥3，发出“异常”级别的预警；
Ki≥4，发出“警告”级别的预警；
Ki≥6，发出“危险”级别的预警。
6.根据权利要求4所述的一种无人机避撞架空交流电力线路的预警装置，其特征在于，所述连续采集的4个E值数据的采集频率n＝2v，v是从飞行控制模块中读取的无人机飞行速度；4个E值存储在单片机存储器中，最近4次连续采集到的电场数据分别为Ei-2、Ei-1、Ei、Ei+1，计算得到3个对应的K值Ki-2、Ki-1、Ki并存储，当采集到1个新的电场数据时，存储器中的4个E值和3个K值进行实时更新。
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