CN108931711A - 一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统及其定位方法 - Google Patents

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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO

Abstract

本发明公开了一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，包括电源模块，电源模块通过屏蔽线分别连接有紫外光电倍增器、放大滤波器、比较器和控制模块，紫外光电倍增器和放大滤波系统电性连接，放大滤波系统和比较器电性连接，比较器和控制模块电性连接，控制模块通过导线分别连接有GPS模块、气压计和本地存储模块。该电晕紫外脉冲定位方法为：首先，在待检测输电线路铁塔两侧选取检测节点，并将节点通过输电线首尾相连；在将紫外脉冲电晕定位系统与无人机通过舵机连接，对待测输电线路铁塔进行电晕检测。该定位系统利用紫外脉冲对紫外光信号的响应速度快以及抗干扰能力强的特点，进行电晕检测，从而实现了输电线路的高效巡检。

Description

一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统及其定位方法
技术领域
本发明属于电晕检测设备技术领域，具体涉及一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，还涉及该系统的定位方法。
背景技术
伴随着社会生产水平的提高，电力需求也急剧增加，常态化巡查架空输电线路以保证正常输电尤为重要。当架空输电线路表面的电场强度较大时，附近空气分子被游离，此时在其附近会产生电晕、放电等现象，由于电晕产生的过程中会向外辐射紫外线，因而可利用紫外脉冲定位方法对电力线的电晕进行快速定位。
一般而言，电力系统中有三处容易产生电晕：第一，在变电所母线两端的耐张线夹处，其产生电晕主要是因为母线尾端剪切不平滑并带有毛刺，以及耐张线夹与绝缘子连接的穿钉上的开口销比较尖锐，从而产生电晕；第二，在线路的耐张杆塔处，当耐张杆塔跳线的两端剪切不平滑时，其容易产生电晕，同时，耐张线夹与绝缘子碗头穿钉上的开口销处也易产生电晕；第三，在直线杆塔上，当悬垂线夹与挂板连接的穿钉上的开口销尾端比较尖锐时，也易产生电晕。
现有的架空输电线路巡查系统包括远红外成像系统、紫外成像系统，但上述各成像系统的响应速度较慢且数据处理较大；而紫外脉冲检测法根据放电特点将获取到的信号，经过处理后，与预设阈值比较后，最后通过脉冲数目的密集程度来判断放电强度。紫外脉冲法的核心器件是紫外光电倍增器件，其体积小、灵敏度高且易于携带。
现有的输电线路巡检方式包括人工巡检与人机巡检，人工巡检方式多采用车载或者徒步方式，其效率较低且安全性较差；而人机巡检方式多采用直升机携带检测设备巡检，但其成本高且受天气因素影响较大。随着无人机的普及化，若将紫外光脉冲检测设备与无人机相结合，利用无人机操作性强、成本低、不受地理环境限制等优势，可实现对复杂环境输电线路的高效巡检。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，实现了输电线路的高效巡检。
本发明的另一目的是提供该系统的定位方法。
本发明所采用的技术方案是，一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，包括电源模块，电源模块通过屏蔽线分别连接有紫外光电倍增器、放大滤波系统、比较器和控制模块，紫外光电倍增器和放大滤波系统电性连接，放大滤波系统和比较器电性连接，比较器和控制模块电性连接，控制模块通过导线分别连接有GPS模块、气压计和本地存储模块。
本发明的特点还在于，
电源模块，包括6V蓄电池，6V蓄电池通过导线分别连接有稳压器、三端稳压器a、三端稳压器b和DC-DC升压器，稳压器通过屏蔽线与比较器连接，三端稳压器a通过屏蔽线与放大滤波系统连接，三端稳压器b通过屏蔽线与控制模块连接，DC-DC升压器通过屏蔽线与紫外光电倍增器连接。
放大滤波系统包括放大电路及滤波电路，放大电路，包括反向放大电路和正向放大电路，反向放大电路，包括电阻R1，电阻R1的一端与紫外光电倍增器的输出端相连接，电阻R1的另一端分别与滑动变阻器R3的一端、运放U1的负向端相连，运放U1的负向输入端与电容C1的一端相连，运放U1的正向输入端与电阻R2的一端相连，运放U1正向端与电容C2相连接，运放U1输出端与滑动变阻器R3另一端相接；
滤波电路，包括电容C3，电容C3的一端与运放U1输出端相连，电容C3的另一端分别与电容C4的一端、电阻R5的一端相连，电容C4的另一端分别与电阻R4的一端、运放U2负向输入端相连，运放U2的负向端与电容C6的一端相连，运放U2的正向端与电容C5的一端相接，运放U2正向输入端、电阻R5的另一端分别与运放U2的输出端相连；
正向放大电路，包括电阻R6，电阻R6的一端与运放U2输出端相连，电阻R6的另一端分别与电阻R8的一端、运放U3的负向端相连，运放U3的负向端与电容C8的一端相连，运放U3的正向端分别与电阻R7的一端、电容C7的一端相连，运放U3的输出端分别与电阻R8的另一端、比较器的输入端相连；
电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端、电容C8的另一端均分别接地，电阻R2的另一端、电阻R4的另一端、电阻R7的另一端均分别接地。
紫外光电倍增器和放大滤波系统均置于电磁屏蔽盒中。
电磁屏蔽盒的型号为JSC20-A2S16。
紫外光电倍增器的输入端端口设置有滤光片。
控制模块为STM32F103单片机，比较器的型号为MAX902，本地存储模块为PCI9812数据采集卡。
本发明所采用的另一技术方案是，一种无人机机载紫外脉冲电晕定位方法，具体步骤如下：
步骤1，分别在每个待检测的输电线路铁塔两侧30m～40m之间的同一个水平面上选取两个检测节点，并将各个节点通过输电线首尾相连，形成完整的探测回路；
步骤2，经步骤1后，将紫外脉冲电晕定位系统与无人机通过舵机连接，以任意一端待测输电线路铁塔中的一个节点作为飞行起点，之后依次飞行经过同侧的各个节点，当经过同侧的最后一个节点时，经该待测输电线路铁塔的顶部飞行至另一侧的节点，之后依次飞行经过另一侧的各个节点，在回到飞行起点，重复飞行两圈后，降落到地面；
其中，当无人机经过各个节点时，使紫外光电倍增器与各个节点所在的平面均呈40°夹角；
当无人机第一次经过各个节点时，以半径为15m圆形作为飞行轨迹绕节点一圈；
当无人机第二次经过各个节点时，以半径为5m圆形作为飞行轨迹绕节点一圈；
无人机的飞行速度均为10m/s～15m/s；
步骤3，经步骤2后，从本地存储模块中读取相应的位置信息。
本发明的有益效果是，利用紫外脉冲对紫外光信号的响应速度快以及抗干扰能力强的特点，进行电晕检测，并通过GPS模块以及气压计进行精准定位，从而实现了输电线路的高效巡检。
附图说明
图1是本发明一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统的结构示意图；
图2是本发明一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统中电源模块的结构示意图；
图3是本发明一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统中放大滤波系统的结构示意图；
图4是本发明一种无人机机载紫外脉冲电晕定位方法示意图。
图中，1.电源模块，2.紫外光电倍增器，3.放大滤波系统，4.比较器，5.气压计，6.本地存储模块，7.控制模块，8.GPS模块，9.滤光片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，如图1所示，包括电源模块1，电源模块1通过屏蔽线分别连接有紫外光电倍增器2、放大滤波系统3、比较器4和控制模块7，紫外光电倍增器2和放大滤波系统3电性连接，放大滤波系统3和比较器4电性连接，比较器4和控制模块7电性连接，控制模块7通过导线分别连接有GPS定位模块8、气压计5和本地存储模块6；
电源模块1，如图2所示，包括6V蓄电池，6V蓄电池通过导线分别连接有稳压器、三端稳压器a、三端稳压器b和DC-DC升压器，稳压器通过屏蔽线与比较器4连接，三端稳压器a通过屏蔽线与放大滤波系统3连接，三端稳压器b通过屏蔽线与控制模块7连接，DC-DC升压器通过屏蔽线与紫外光电倍增器2连接。
稳压器的型号为TPS76850；DC-DC升压器的型号为MAX761；三端稳压器a的型号为LM337；三端稳压器b的型号为LM317；
紫外光电倍增器2的输入端端口设置有滤光片9。
紫外光电倍增器2和放大滤波系统3置于电磁屏蔽盒中。
电磁屏蔽盒的型号为JSC20-A2S16，控制模块为STM32F103单片机，比较器4的型号为MAX902；GPS模块8的型号为UBLOX-6M；气压计5的型号为GY-63；本地存储模块6为PCI9812数据采集卡。
放大滤波系统3包括放大电路及滤波电路，如图3所示，放大电路包括反向放大电路和正向放大电路，其中，反向放大电路，包括电阻R1，电阻R1的一端与紫外光电倍增器2的输出端相连接，电阻R1的另一端分别与滑动变阻器R3的一端、运放U1的负向端相连，运放U1的负向输入端与电容C1的一端相连，运放U1的正向输入端与电阻R2的一端相连，运放U1正向端与电容C2相连接，运放U1输出端与滑动变阻器R3另一端相接；
滤波电路，包括电容C3，电容C3的一端与运放U1输出端相连，电容C3的另一端分别与电容C4的一端、电阻R5的一端相连，电容C4的另一端分别与电阻R4的一端、运放U2负向输入端相连，运放U2的负向端与电容C6的一端相连，运放U2的正向端与电容C5的一端相接，运放U2正向输入端、电阻R5的另一端分别与运放U2的输出端相连；
正向放大电路，包括电阻R6，电阻R6的一端与运放U2输出端相连，电阻R6的另一端分别与电阻R8的一端、运放U3的负向端相连，运放U3的负向端与电容C8的一端相连，运放U3的正向端分别与电阻R7的一端、电容C7的一端相连，运放U3的输出端分别与电阻R8的另一端、比较器4的输入端相连。
电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端、电容C8的另一端均分别接地，电阻R2的另一端、电阻R4的另一端、电阻R7的另一端均分别接地。
气压计5用于测量高度，GPS模块8用于测量水平位置的座标，本地存储模块6用于存储获取各路信号。
本发明一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统的工作原理是：
将该紫外脉冲电晕定位系统与无人机通过舵机连接，按照设定的飞行检测路线进行飞行，通过紫外光电倍增器2获取待检测的输电线路铁塔中的紫外光辐射信号，当待检测的输电线路铁塔出现电晕放电现象时，经过滤光片9过滤掉大部分的干扰光后进入到紫外光电倍增器2中，紫外光电倍增器2输出光电流脉冲I1，经放大滤波系统3后转换输出电压信号U1，之后进入比较器4中的脉冲甄别电路中甄别有效放电信号，若U1的幅值在0.5V～4.5V之间，则通过与门将信号转变为高电平信号U2，之后高电平信号U2进入控制模块7的中断，控制模块7中的定时器统计脉冲数目N1，若在T时刻N1超过给定阀值N0＝25，则输出紫外脉冲数目N1和时间T并存储于本地存储模块6中，若低于给定阀值N0，则紫外脉冲数目N1在T时刻被判定为干扰，不被存储于本地存储模块6中；同时，GPS模块8用于测量T时刻的经纬度，气压计5测量T时刻的气压值Pb，之后计算得到高度ha，最后通过控制模块7的端口输出T时刻的位置信息并存储于本地存储模块6中；
其中，高度ha采用式(2)进行计算：
式(1)中：ha为高度；Ps为表面的压力；Ts为温度；hs为T时刻测量的高度；R为气体常数，R＝287Jkg-1K-1；KT为大气温度梯度，KT＝6.5×10-3Km-1；g0为平均表面重力加速度，g0＝9.80665ms-2；Pb为T时刻的气压值。
本发明一种无人机机载紫外脉冲电晕定位方法，具体步骤如下：
步骤1，分别在每个待检测的输电线路铁两侧30m～40m之间的同一个水平面上选取两个检测节点，并将各个节点通过输电线首尾相连，形成完整的检探测回路；
步骤2，经步骤1后，将紫外脉冲电晕定位系统与无人机通过舵机连接，以任意一端待测输电线路铁塔中的一个节点作为飞行起点，之后依次飞行经过同侧的各个节点，当经过同侧的最后一个节点时，经该待测输电线路铁塔的顶部飞行至另一侧的节点，之后依次飞行经过另一侧的各个节点，在回到飞行起点，重复飞行两圈后，降落到地面，
其中，无人机经过各个节点时，使紫外光电倍增器2与各个节点所在的平面均呈40°夹角；
当无人机第一次经过各个节点时，以半径为15m圆形作为飞行轨迹绕节点一圈；
当无人机第二次经过各个节点时，以半径为5m圆形作为飞行轨迹绕节点一圈；
无人机的飞行速度为10m/s～15m/s；
步骤3，经步骤2后，从本地存储模块6中读取相应的位置信息。

Claims (9)

1.一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，其特征在于，包括电源模块(1)，电源模块(1)通过屏蔽线分别连接有紫外光电倍增器(2)、放大滤波系统(3)、比较器(4)和控制模块(7)，所述紫外光电倍增器(2)和放大滤波系统(3)电性连接，放大滤波系统(3)和比较器(4)电性连接，所述比较器(4)和控制模块(7)电性连接，所述控制模块(7)通过导线分别连接有GPS模块(8)、气压计(5)和本地存储模块(6)。
2.根据权利要求1所述的一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，其特征在于，所述电源模块(1)，包括6V蓄电池，所述6V蓄电池通过导线分别连接有稳压器、三端稳压器a、三端稳压器b和DC-DC升压器，所述稳压器通过屏蔽线与所述比较器(4)连接，所述三端稳压器a通过屏蔽线与所述放大滤波系统(3)连接，所述三端稳压器b通过屏蔽线与所述控制模块(7)连接，所述DC-DC升压器通过屏蔽线与所述紫外光电倍增器(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，其特征在于，所述放大滤波系统(3)包括放大电路及滤波电路，所述放大电路，包括反向放大电路和正向放大电路，所述反向放大电路，包括电阻R1，电阻R1的一端与紫外光电倍增器(2)的输出端相连接，电阻R1的另一端分别与滑动变阻器R3的一端、运放U1的负向端相连，运放U1的负向输入端与电容C1的一端相连，运放U1的正向输入端与电阻R2的一端相连，运放U1正向端与电容C2相连接，运放U1输出端与滑动变阻器R3另一端相接；
所述滤波电路，包括电容C3，电容C3的一端与运放U1输出端相连，电容C3的另一端分别与电容C4的一端、电阻R5的一端相连，电容C4的另一端分别与电阻R4的一端、运放U2负向输入端相连，运放U2的负向端与电容C6的一端相连，运放U2的正向端与电容C5的一端相接，运放U2正向输入端、电阻R5的另一端分别与运放U2的输出端相连；
所述正向放大电路，包括电阻R6，电阻R6的一端与运放U2输出端相连，电阻R6的另一端分别与电阻R8的一端、运放U3的负向端相连，运放U3的负向端与电容C8的一端相连，运放U3的正向端分别与电阻R7的一端、电容C7的一端相连，运放U3的输出端分别与电阻R8的另一端、比较器(4)的输入端相连；
电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端、电容C8的另一端均分别接地，电阻R2的另一端、电阻R4的另一端、电阻R7的另一端均分别接地。
4.根据权利要求1所述的一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，其特征在于，所述紫外光电倍增器(2)和放大滤波系统(3)均置于电磁屏蔽盒中。
5.根据权利要求4所述的一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，其特征在于，所述电磁屏蔽盒的型号为JSC20-A2S16。
6.根据权利要求1所述的一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，其特征在于，所述紫外光电倍增器(2)的输入端端口设置有滤光片(9)。
7.根据权利要求1所述的一种无人机机载紫外脉冲电晕定位系统，其特征在于，所述控制模块(7)为STM32F103单片机，所述比较器(4)的型号为MAX902，所述本地存储模块(6)为PCI9812数据采集卡。
8.一种无人机机载紫外脉冲电晕定位方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，分别在每个待检测的输电线路铁塔两侧30m～40m之间的同一个水平面上选取两个检测节点，并将各个节点通过输电线首尾相连，形成完整的探测回路；
步骤2，经步骤1后，将紫外脉冲电晕定位系统与无人机通过舵机连接，以任意一端待测输电线路铁塔中的一个节点作为飞行起点，之后依次飞行经过同侧的各个节点，当经过同侧的最后一个节点时，经该待测输电线路铁塔的顶部飞行至另一侧的节点，之后依次飞行经过另一侧的各个节点，在回到飞行起点，重复飞行两圈后，降落到地面；
其中，当无人机经过各个节点时，使紫外光电倍增器(2)与各个节点所在的平面均呈40°夹角；
当无人机第一次经过各个节点时，以半径为15m圆形作为飞行轨迹绕节点一圈；
当无人机第二次经过各个节点时，以半径为5m圆形作为飞行轨迹绕节点一圈；
步骤3，经步骤2后，从本地存储模块(6)中读取相应的位置信息。
9.根据权利要求8所述的一种无人机机载紫外脉冲电晕定位方法，其特征在于，所述步骤2中，无人机的飞行速度均为10m/s～15m/s。
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