CN110031828A - 一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系统及方法，涉及无人机领域。目前，无人机在测距时，存在较大的测量误差。本发明包括巡检无人机、电磁场传感器、气压计、数据处理模块、飞控模块，所述的电磁场传感器、气压计、数据处理模块、飞控模块、气压计均设于巡检无人机上，所述的数据处理模块与电磁场传感器、气压计相连，所述的飞控模块与数据处理模块相连；数据处理模块根据电磁场传感器检测电磁场获得的电场、磁场变化率，依据对地高度，获得该高度下电场变化率的阈值，并判断是否达到阈值，传递给飞控模块；飞控模块控制无人机的飞行，并根据测试的得到电场、磁场变化率阈值控制无人机的飞行；若电场变化率小于阈值，按既定飞行指定继续飞行；若大于等于阈值则无人机悬停，并向控制中心发送距离过近的报警信号。

Description

一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种基于输电线路电磁场分布 的无人机测距系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的持续快速发展，中国电网的规模和输送 能力日益壮大。因此输电线路运维工作日益繁重，运检部门迫切需要 自动化、现代化、高效率的巡线技术和手段。通过多年的技术研发和 实践应用，无人机巡检已经发展成一种高效、低成本、低风险的空中 巡检技术，是提升输电线路运行可靠性的重要手段之一。

无人机巡检中为提高检测精度，应该尽可能的靠近输电线路，但 距离输电线路越近，无人机的受的电磁干扰越强，同时遇到风向突变 等突发状况下飞机失控撞到线路的危险性就越高。目前电力巡检的限 制距离根据无人机的类型不同，小型旋翼是10米，中型旋翼50米，固 定翼100米。

但目前无人机巡检系统在测距和自动避障技术方面还存在不足。 现有无人机飞行过程中主要通过操控人员肉眼判断与输电线路的距 离，对工作人员的要求极高，这也导致巡线中无人机撞到输电线路的 事件发生。无人机巡线过程中缺少对输电线路的精确测距技术、预警 技术与自动避障技术，存在一定安全隐患。

目前无人机领域用的测距系统包括激光测距、双目立体视觉测距 和超声波测距。由于高压输电线路的杆塔都是中空的框架结构，不同 金属材料之间通过螺栓连接在一起，同时巡视角度下背景比较复杂， 树木、天空、建筑都可能出现，因此双目立体视觉测距的误差较大。 同时由于导线的截面较小，反射面较小会导致较大的误差，因此激光 和超声波的检测也不适用于无人机巡线测距。

输电线路正常运行时，会在周边空间中产生电场和磁场，因此可 以通过检测空间的电场和磁场分布来确定无任何输电线路的距离。

目前应用高压输电线路电场强度理论进行无人机巡线避障策略， 基于与输电线路电场水平分布特性进行的计算，计算和测试的都是电 场长度的有效值，给出的参考图也是电场变化率dE/dx与边相导线水平 距离之间的关系。而无人机工作时会在不同的高度巡视，特别导线呈 非水平排列时，需要在不同水平面巡视。根据电磁场分布规律，在不 同高度下的不同位置电场变化率dE/dx可能相等。因此在工程应用中单 一依靠电场变化率dE/dx判断距离具有较大的测量误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进 行完善与改进，提供一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系统 及方法，以达到减少测量误差的目的。为此，本发明采取以下技术方 案。

一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系统，包括巡检无人 机、电磁场传感器、气压计、数据处理模块、飞控模块，所述的电磁 场传感器、气压计、数据处理模块、飞控模块、气压计均设于巡检无 人机上，所述的数据处理模块与电磁场传感器、气压计相连，所述的 飞控模块与数据处理模块相连；其中：

电磁场传感器：用于测量电场分量及有效值；测量磁感应强度分 量及有效值；

气压计：用于测量无人机的海拔高度和对地高度；

数据处理模块：用于根据电磁场传感器检测电磁场获得的电场、 磁场变化率，依据对地高度，获得该高度下电场变化率的阈值，并判 断是否达到阈值，传递给飞控模块；

飞控模块：控制无人机的飞行，并根据测试的得到电场、磁场变 化率阈值控制无人机的飞行；若电场变化率小于阈值，按既定飞行指 定继续飞行；若大于等于阈值则无人机悬停，并向控制中心发送距离 过近的报警信号，后退设定距离后转为手动控制或重新规划飞行路线。

本发明的另一个目的是提供一种无人机测距方法，其包括以下步 骤：

1)无人机在飞行前在飞控模块中先设定线路电压等级、塔型，可 选择的线路电压等级包括1000kV、500kV、220kV、110kV，可选择的塔 型包括同塔双回、同塔单回线路；

2)无人机在正常飞行后，气压计测量对地高度，电磁场传感器测 量电场、磁场强度；

3)数据处理模块根据线路电压等级和塔型、气压计测量的高度数 据计算或选择电场和磁场阈值；

4)数据处理模块根据电磁场传感器测量的数据计算电场变化率、 磁场变化率；

5)飞控模块获取数据处理模块的计算结果，判断电场、磁场变化 率是否超标；若电场、磁场变化率若超标，则进入步骤6)，若电场、 磁场变化率正常，则进入步骤2)，飞行机处于正常飞行状态；

6)无人机悬停，并向控制中心发送距离过近的报警信号；

7)判断是否为自动飞行；若无人机为非自动飞行状态，则返回步 骤5)，若无人机为自动飞行状态，则进入步骤8)；

8)后退设定距离后，重新规划飞行路线。

作为优选技术手段：电磁场传感器用于测量电场Ex、Ey、Ez分量 及有效值；测量磁感应强度Bx、By、Bz分量及有效值。

作为优选技术手段：数据处理模块根据麦克斯韦方程组的积分形 式计算任意空间的电磁场分布。

式中：是磁场强度，是传导电流密度，是电位移矢量，ρ是 体电荷密度，是电场强度，是磁感应强度；

把工频交流电场近似成准静态场；设输电线路为平行于地面的无 限长直导线，在计算电场分布时取大地电位为零；在已知导体表面电 位的情况下，利用镜像法，根据无限长直导线产生的电位公式和叠加 原理，应用下列矩阵方程计算多导线线路中导线的线电荷密度τ1，τ 2，…，τn，即

式中，D为各相导线、避雷线与镜像之间的距离；d为各相导线和 避雷线相互之间的距离；R为各相导线的等效半径；w为避雷线的半径； 在(x,y)点的电场强度的水平和垂直分量Ex和Ey可表示为

应用Biot-Savart定律分别计算每根电流产生的磁场，然后将计 算结果叠加，得到导线周围的磁场强度若设有N相导线，并且忽略镜 像导线的影响，则空间任意一点(x,y)处的磁感应强度为：

式中I_n为导线电流，μ₀为真空磁导率，B为磁感应强度；输电线 路周边电磁场通过式(2)-式(8)求解，并据此建立不同输电线路周边的 电磁场分布特性。

有益效果：

1.电磁场结合高度的测距方法。结合无人机的飞行高度确定利用 电磁场变化率的阈值，避免了无人机原有阈值下可能在多个空间位置 的问题。

2.电磁场实时计算的方法。在无人机飞行时，利用解析公式实时 计算电磁场变化率的阈值，响应速度快。

3.测距飞行逻辑。线路电压等级、塔型可通过手动选择，电磁场 计算结果更精确，测距更精确。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括巡检无人机、电磁场传感器、气压计、 数据处理模块、飞控模块，所述的电磁场传感器、气压计、数据处理 模块、飞控模块、气压计均设于巡检无人机上，所述的数据处理模块 与电磁场传感器、气压计相连，所述的飞控模块与数据处理模块相连； 其中：

电磁场传感器：用于测量电场分量及有效值；测量磁感应强度分 量及有效值；

气压计：用于测量无人机的海拔高度和对地高度；

数据处理模块：用于根据电磁场传感器检测电磁场获得的电场、 磁场变化率，依据对地高度，获得该高度下电场变化率的阈值，并判 断是否达到阈值，传递给飞控模块；

飞控模块：控制无人机的飞行，并根据测试的得到电场、磁场变 化率阈值控制无人机的飞行；若电场变化率小于阈值，按既定飞行指 定继续飞行；若大于等于阈值则无人机悬停，并向控制中心发送距离 过近的报警信号，后退设定距离后转为手动控制或重新规划飞行路线。

如图2所示，一种无人机测距方法，其包括以下步骤：

1)无人机在飞行前在飞控模块中先设定线路电压等级、塔型，可 选择的线路电压等级包括1000kV、500kV、220kV、110kV，可选择的塔 型包括同塔双回、同塔单回线路；

2)无人机在正常飞行后，气压计测量对地高度，电磁场传感器测 量电场、磁场强度；电磁场传感器测量的数据包括电场Ex、Ey、Ez分 量及有效值，磁感应强度Bx、By、Bz分量及有效值

3)数据处理模块根据线路电压等级和塔型、气压计测量的高度数 据计算或选择电场和磁场阈值；

4)数据处理模块根据电磁场传感器测量的数据计算电场变化率、 磁场变化率；

5)飞控模块获取数据处理模块的计算结果，判断电场、磁场变 化率是否超标；若电场、磁场变化率若超标，则进入步骤6)，若电场、 磁场变化率正常，则进入步骤2)，飞行机处于正常飞行状态；

6)无人机悬停，并向控制中心发送距离过近的报警信号；

7)判断是否为自动飞行；若无人机为非自动飞行状态，则返回步 骤5)，若无人机为自动飞行状态，则进入步骤8)；

8)后退1米后，重新规划飞行路线。

在步骤3)、4)中，电磁场计算过程为：

根据式(1)的麦克斯韦方程组的积分形式计算任意空间的电磁场 分布：

输电线路周边电磁场频率为50Hz、其电磁波波长达6000km，所以 可以把工频交流电场近似成准静态场。设输电线路为平行于地面的无 限长直导线，对导线而言，地面可视为良导体，在计算电场分布时取 大地电位为零。在已知导体表面电位的情况下，利用镜像法，根据无 限长直导线产生的电位公式和叠加原理，可应用下列矩阵方程计算多 导线线路中导线的线电荷密度τ1，τ2，…，τn，即：

式中，D为各相导线、避雷线与镜像之间的距离；d为各相导线和 避雷线相互之间的距离；R为各相导线的等效半径；w为避雷线的半径。 如图1所示，在(x,y)点的电场强度的水平和垂直分量Ex和Ey可表示为：

在工频情况下，线路的磁场仅有电流产生，可直接应用 Biot-Savart定律分别计算每根电流产生的磁场，然后将计算结果叠 加，得到导线周围的磁场强度若设有N相导线，并且忽略镜像导线的 影响，则空间任意一点(x,y)处的磁感应强度为：

输电线路周边电磁场可以通过式(2)-式(8)求解，并据此建立不同 输电线路周边的电磁场分布特性。

以上图1、2所示的一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系 统及方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进 步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结 构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系统，其特征在于：包括巡检无人机、电磁场传感器、气压计、数据处理模块、飞控模块，所述的电磁场传感器、气压计、数据处理模块、飞控模块、气压计均设于巡检无人机上，所述的数据处理模块与电磁场传感器、气压计相连，所述的飞控模块与数据处理模块相连；其中：

电磁场传感器：用于测量电场分量及有效值；测量磁感应强度分量及有效值；

气压计：用于测量无人机的海拔高度和对地高度；

数据处理模块：用于根据电磁场传感器检测电磁场获得的电场、磁场变化率，依据对地高度，获得该高度下电场变化率的阈值，并判断是否达到阈值，传递给飞控模块；

飞控模块：控制无人机的飞行，并根据测试的得到电场、磁场变化率阈值控制无人机的飞行；若电场变化率小于阈值，按既定飞行指定继续飞行；若大于等于阈值则无人机悬停，并向控制中心发送距离过近的报警信号，后退设定距离后转为手动控制或重新规划飞行路线。

2.采用权利要求1所述的一种基于输电线路电磁场分布的无人机测距系统的无人机测距方法，其特征在于包括以下步骤：

1)无人机在飞行前在飞控模块中先设定线路电压等级、塔型，可选择的线路电压等级包括1000kV、500kV、220kV、110kV，可选择的塔型包括同塔双回、同塔单回线路；

2)无人机在正常飞行后，气压计测量对地高度，电磁场传感器测量电场、磁场强度；

3)数据处理模块根据线路电压等级和塔型、气压计测量的高度数据计算或选择电场和磁场阈值；

4)数据处理模块根据电磁场传感器测量的数据计算电场变化率、磁场变化率；

5)飞控模块获取数据处理模块的计算结果，判断电场、磁场变化率是否超标；若电场、磁场变化率若超标，则进入步骤6)，若电场、磁场变化率正常，则进入步骤2)，飞行机处于正常飞行状态；

6)无人机悬停，并向控制中心发送距离过近的报警信号；

7)判断是否为自动飞行；若无人机为非自动飞行状态，则返回步骤5)，若无人机为自动飞行状态，则进入步骤8)；

8)后退设定距离后，重新规划飞行路线。

3.根据权利要求2所述的无人机测距方法，其特征在于：电磁场传感器用于测量电场Ex、Ey、Ez分量及有效值；测量磁感应强度Bx、By、Bz分量及有效值。

4.根据权利要求3所述的无人机测距方法，其特征在于：

数据处理模块根据麦克斯韦方程组的积分形式计算任意空间的电磁场分布：

式中：是磁场强度，是传导电流密度，是电位移矢量，ρ是体电荷密度，

是电场强度，是磁感应强度；

把工频交流电场近似成准静态场；设输电线路为平行于地面的无限长直导线，在计算电场分布时取大地电位为零；在已知导体表面电位的情况下，利用镜像法，根据无限长直导线产生的电位公式和叠加原理，应用下列矩阵方程计算多导线线路中导线的线电荷密度τ1，τ2，…，τn，即：

式中，D为各相导线、避雷线与镜像之间的距离；d为各相导线和避雷线相互之间的距离；R为各相导线的等效半径；w为避雷线的半径；在(x,y)点的电场强度的水平和垂直分量Ex和Ey表示为：

应用Biot-Savart定律分别计算每根电流产生的磁场，然后将计算结果叠加，得到导线周围的磁场强度若设有N相导线，并且忽略镜像导线的影响，则空间任意一点(x,y)处的磁感应强度为：

式中I_n为导线电流，μ₀为真空磁导率，B为磁感应强度；输电线路周边电磁场通过式(2)-式(8)求解，并据此建立不同输电线路周边的电磁场分布特性。