CN110531781B - 一种确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法，其包括以下步骤：A、基于输电线路设计规范确定无人机与输电线路的电气绝缘安全距离D_i；B、考虑架空输电线路电晕无线电干扰，根据干扰横向传播衰减的特性，计算所需的防护距离D_p；C、考虑无人机的运动特性，计算无人机变速引起的偏航距离、无人机反应延迟缓冲距离、无人机悬停距离余量，上述距离相加得到无人机与输电线路安全距离D_m；D、运用D‑S证据理论中的Dempster组合规则将D_i、D_p和D_m进行融合计算，最终得到架空输电线路与民用无人机的安全距离D_L。本方法弥补现有民用无人机与架空输电线路安全距离确定方法的缺漏，为无人机避障预警提供依据。

Description

一种确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法

技术领域

本发明属于输电线路安全领域，尤其涉及架空输电线路与民用无人机安全技术。

背景技术

随着无人机技术的迅猛发展，以多旋翼无人机为代表的中小型专业级民用无人机在航拍、农业、快递、电力、救援等各行各业得到了广泛应用。与此同时，用于娱乐的消费级民用无人机市场也在迅速扩张。随着无人机应用的增加，无人机飞行安全问题日益突出。

民用无人机飞行高度多集中在几十米到百米范围，与架空电力线路占空高度相近，存在碰撞可能。此外架空输电线路周围存在强电磁场会对无人机飞行控制系统造成不良影响。为避免事故发生，无人机不仅需要避免直接碰撞架空输电线路，还应与输电线路保持足够的安全距离。

尽管现有电力行业规范标准中已有一些架空输电线路与周围物体安全距离的相关条例，但针对无人机等飞行设备靠近架空输电线路的情况，现有规程规范尚无安全距离限值的相关规定，导致靠近架空输电线路飞行的无人机安全性难以评估，制定无人机避障策略时无据可依。

现状:

现有的输电线路绝缘安全距离相关标准有很多，例如《电力设施保护条例》(2011年1月8日第二次修订)、《110-750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)等，但以上标准给出的均为架空输电线线路与建筑物、树木等物体的安全距离要求；考虑电磁环境干扰的影响，《高压交流架空送电线无线电干扰值》(GB15707-1995)给出了干扰防护安全距离的计算方法。以上两类安全距离的设定，均没有考虑无人机。

从无人机安全飞行的角度，有学者基于机械动力学研究了无人机从飞行状态变换为悬停所需的距离，但目前还没有将其应用于无人机与输电线路的避障问题。

尽管电力、无人机等行业分别对于安全距离都有研究，但是每一个研究仅着眼于某一个单一的安全距离影响因素，所确定的安全距离互不兼容，数值还存在较大差异。而本发明创新性地综合考虑了输电线路绝缘安全要求、无人机载电子设备抗电磁干扰、无人机机械运动特性等三个方面影响架空输电线路和无人机安全距离的因素，兼顾了电力行业、无人机开发者和用户各自关注的问题，从而确保了所确定的安全距离的合理性和有效性，可为今后多部门联合制定输电线路与民用无人机安全距离标准提供理论依据和方法指导，从而确保输电线路和民用无人机各自的运行安全；其次，本发明采用信息融合技术将预定的三个安全距离进行综合，为最终确定架空输电线路与民用无人机的安全距离提供了科学的方法。其中对信息融合方法的选择需要考虑三方面影响因素之间的关联性、权重、约束条件，以及输入数据和算法的复杂度等，本发明采用了D-S证据理论并对其进行改进。

检索到对比文件《无人机电力巡线安全距离检测方法201210044124.0》，该方法利用架空输电线路电场和磁场二维计算模型，计算获得在输电线路附近空间的电场和磁场分布图，同时以无人机载电子设备正常工作时的磁场强度小于5×10^-5T、电场强度小于1×10⁶V/m为标准，划定无人机与各电压级别输电线路的安全距离。该方法是从避免无人机载电子设备受输电线路电磁干扰这一角度提出的，本发明所考虑的因素要远远多于该对比文件。

检索到对比文件《一种以电力载波辐射确定安全距离的无人机巡线方法201510866222.6》，该方法提出沿输电线路均匀设置电力载波模块，将信号通过输电线路周围空间进行辐射；在无人机内设置电磁辐射检测模块，通过实时监测电磁辐射强度和所提出的计算方法来确定无人机与输电线路之间的安全距离。该方法实现实时确定无人机与输电线路之间的距离，而不是通过考虑影响无人机安全运行的影响因素来预先确定无人机与输电线路之间的安全距离阈值，因此对比文件与本发明从出发点而言就有本质区别。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种结合各类架空输电线路与民用无人机安全距离决定因素，提出一种基于信息融合算法的安全距离限值确定方法，弥补现有标准在民用无人机与架空输电线路安全距离方面的缺漏，为无人机避障预警策略的制定提供参考的方法。本发明的技术方案如下：

一种确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法，其包括以下步骤：

A、基于输电线路设计规范确定无人机与输电线路的电气绝缘安全距离D_i；

B、考虑架空输电线路电晕无线电干扰，根据干扰横向传播衰减的特性，计算防护距离D_p；

C、分析无人机飞行速度、变速时长、变速方向以及悬停定位精度在内的各种因素对无人机制动距离的影响，计算得到无人机变速引起的偏航距离Δs、无人机反应延迟缓冲距离D_b、无人机悬停距离余量D_e，将上述距离相加得到由无人机运动特性确定的无人机运动距离余量D_m；

D、运用D-S证据理论中的Dempster组合规则对步骤A、步骤B以及步骤C得到的安全距离进行融合计算，得到最终的架空输电线路与民用无人机安全距离D_L。

进一步的，所述步骤A输电线路设计规范指的是基于《110-750kV架空输电线路设计规范(GB 50545-2010)》。

进一步的，所述步骤B与架空输电线路边相导线水平距离为L位置的无线电干扰场强E_L的计算过程为：

根据《高压交流架空送电线无线电干扰值》(GB15707-1995)中给出的各电压等级的架空输电线路对周围环境的无线电干扰计算公式，得到在距离输电线路边相导线的地面投影20m处，1MHz频率干扰电平(dB)为：

式中：g_max表示架空输电线路的表面最大电位梯度，单位为kV/cm；d表示单根导线的直径，单位为cm；

考虑其它频率的无线电干扰场强，在式(1)基础上叠加式(2)进行修正。

式中，f表示需要修正的频率，单位为MHz；

计算与架空输电线路边相导线水平距离为L位置的无线电干扰场强

式中，H表示边相导线的对地高度，单位为m；L表示边相导线与测量点的水平距离，单位为m；h表示测量仪的对地高度，单位为m；k表示衰减系数。

进一步的，所述步骤B考虑架空输电线路电晕无线电干扰，根据干扰横向传播衰减的特性，计算防护距离的限值，具体公式为

式中，E_L表示与架空输电线路边相导线水平距离为L位置的无线电干扰场强，S_P表示被防护对象正常工作时的最小信号场强，单位为dB；R_P表示被防护对象正常工作可接受的信噪比。

进一步的，所述步骤C无人机变速引起的偏航距离的计算过程为：

飞行加速度的改变导致飞行路线变化，无人机航位偏离原飞行路线。这个过程中，假设调节时间为t_p，则无人机偏航距离为：

式中，a_e为无人机水平加速度

进一步的，所述步骤C无人机反应延迟缓冲距离D_b的计算过程为：

当无人机检测到障碍物时，避障信号发出到做出减速避障动作的过程存在时间延迟现象，延迟时间t_b一般为200～500ms，从无人机检测到避障信息，到无人机发出避障指令，期间无人机仍以速度v在靠近线路。将信号延迟时段无人机飞行的距离称为避障缓冲距离记为D_b，则有

D_b＝v·t_b (8)

进一步的，所述步骤D运用D-S证据理论中的Dempster组合规则进行安全距离限值融合计算，具体包括：

函数m表示基本概率分配，即对某个命题的信任程度，m:2^Θ→[0,1]满足条件：

对于

假设空间上的有限个m函数的合成规则公式如下：

式中，

分别将“满足绝缘安全距离要求”、“满足无线电防护距离要求”和“满足运动距离余量要求”作为三个限制命题X₁、X₂、X₃，将0～5m和0～10m两个范围内满足上述三个命题的概率作为局部推测结果m₁和m₂，代入D-S算法计算，得到三个限制命题的信度推测值m(X)，其中X＝X₁、X₂、X₃，将信度推测值进行归一化，然后作为权重赋予三种安全距离限值即可得到最终的输电线路安全距离限值为：

式中：M＝m(X₁)+m(X₁)+m(X₁)，D_X分别表示绝缘安全距离、无线电防护距离或运动距离余量。

进一步的，最终得到无人机与各个电压等级输电线路的安全距离限值的结果为：

各电压等级输电线路安全距离限值表

本发明的优点及有益效果如下：

尽管电力、无人机等行业分别对于安全距离都有研究，但是每一个研究仅着眼于某一个单一的安全距离影响因素，所确定的安全距离互不兼容，数值还存在较大差异。而本发明创新性地综合考虑了输电线路绝缘安全要求、无人机载电子设备抗电磁干扰、无人机机械运动特性等三个方面影响架空输电线路和无人机安全距离的因素，兼顾了电力行业、无人机开发者和用户各自关注的问题，从而确保了所确定的安全距离的合理性和有效性，可为今后多部门联合制定输电线路与民用无人机安全距离标准提供理论依据和方法指导，从而确保输电线路和民用无人机各自的运行安全；其次，本发明采用信息融合技术将预定的三个安全距离进行综合，为最终确定架空输电线路与民用无人机的安全距离提供了科学的方法。其中对信息融合方法的选择需要考虑三方面影响因素之间的关联性、权重、约束条件，以及输入数据和算法的复杂度等，本发明采用了D-S证据理论并对其进行改进。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例参考坐标系示意图；

图2是本发明提供优选实施例确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法流程图。

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、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：

本发明的要点在于：分析了输电线路绝缘安全、无线电干扰防护、无人机飞行状态调整所需空间三方面的安全距离，并提出了一种基于D-S证据理论的信息融合方法，将各类安全距离融合并最终得到各电压等级架空输电线路与民用无人机的安全距离。

一.理论与算法

1各类安全距离的确定

1.1考虑电气绝缘的安全距离

架空交流输电线路的相导线上加载高压，为了保障输电线路的正常运行，架空交流输电线路的相导线与周围建筑物、树木等物体需要保持一定的安全距离。为此，我国制定了很多相关规范标准。本发明基于《110-750kV架空输电线路设计规范(GB 50545-2010)》确定无人机与输电线路的电气绝缘安全距离，具体见表1。

表1《110-750kV架空输电线路设计规范》确定的输电线路绝缘安全距离

1.2考虑线路电晕无线电干扰的安全距离

根据《高压交流架空送电线无线电干扰值》(GB15707-1995)中给出的各电压等级的架空输电线路对周围环境的无线电干扰计算公式，可以得到在距离输电线路边相导线的地面投影20m处，1MHz频率干扰电平(dB)为：

式中：g_max表示架空输电线路的表面最大电位梯度，单位为kV/cm；d表示单根导线的直径，单位为cm。

考虑其它频率的无线电干扰场强，在式(1)基础上叠加式(2)进行修正。

式中，f表示需要修正的频率，单位为MHz。

进一步计算与架空输电线路边相导线水平距离为L位置的无线电干扰场强

式中，H表示边相导线的对地高度，单位为m；L表示边相导线与测量点的水平距离，单位为m；h表示测量仪的对地高度，单位为m；k表示衰减系数。

对于架空输电线路电晕无线电干扰，可以根据干扰横向传播衰减的特性，设置适当的防护距离，以减小输电线路对电台、电视、通信等信号的干扰程度。防护距离设置的直接法是在已知电晕干扰强度、防护对象正常工作时的最小信号场强和信噪比的条件下，可计算防护的距离

式中，S_P表示防护对象正常工作时所需的最小信号场强，单位为dB；R_P表示防护对象正常工作可接受的信噪比。

1.3考虑无人机运动特性的安全距离

分析无人机飞行速度、变速时长、变速方向以及悬停定位精度等因素对无人机状态变化时所需距离的影响，得到无人机与架空输电线路安全距离。

①无人机变速引起的偏航距离

以多旋翼无人机为例，多旋翼无人机飞行动作涉及到两个参考坐标系：地面直角坐标系{o_e,x_e,y_e,z_e}和机身参考坐标系{o_b,x_b,y_b,z_b}，如图1所示。

两坐标系之间的坐标转换矩阵表达式为：

式中，ψ为无人机绕z_b轴的偏航角，θ为无人机绕y_b轴的俯仰角，

为无人机绕x_b轴的翻滚角。

无人机飞行姿态影响其运动特性，无人机运动模型如下：

式中，

表示无人机在地面坐标系中的位移的微分，v_e表示无人机在地面坐标系中的速度，

表示速度的微分，a_e表示无人机加速度，g为重力加速度，e＝[0,0,1]^T为z_e方向的单位向量，m为无人机质量，F是机翼提供的动力合力。

飞行加速度的改变导致飞行路线变化，无人机航位偏离原飞行路线。这个过程中，假设调节时间为t_p，则无人机偏航距离为：

②无人机反应延迟缓冲距离

当无人机检测到障碍物时，避障信号发出到做出减速避障动作的过程存在时间延迟现象，延迟时间一般为t_b＝200～500ms。从无人机检测到避障信息，到无人机发出避障指令，期间无人机仍以速度v在靠近线路。将信号延迟时段无人机飞行的距离称为避障缓冲距离记为D_b，则有

D_b＝v·t_b (8)

③无人机悬停距离余量

目前民用无人机多采用GPS系统控制无人机飞行及悬停定位。然而民用GPS定位精度有限，仅达到米级。对于定位精度有较高要求的无人机多采用的是伪距差分技术与实时动态相位差分技术提高定位精度。以大疆行业应用六旋翼无人机飞行器——经纬M600 Pro为例，其悬停精度为垂直±0.5m，水平±1.5m。

设置巡线无人机与输电线路的安全距离时，需要预留悬停距离余量，将这个距离记为D_e。无人机高精度定位技术对天气环境与基站建设条件要求也更为苛刻。考虑到实际应用中天气情况多变、线路周围基站建设条件未知等因素，建议D_e应保守取值为1.5m。

综上所述，考虑无人机运动特性，无人机与输电线路安全距离应增加距离余量为

D_m＝Δs+D_b+D_e (9)

2信息融合算法

D-S证据理论方法是一种可用于不精确推断的人工智能方法，可根据一定的组合规则，综合来自多传感器的基本信度分配，得到一个新的信度分配作为输出。其优点在于当存在多项不同的数据判断规则时不要求各项规则间存在关联，且对不确定性问题的描述方式灵活方便。本发明运用D-S证据理论中的Dempster组合规则进行安全距离限值融合计算。

函数m表示基本概率分配，即对某个命题的信任程度，m:2^Θ→[0,1]满足条件：

对于

假设空间上的有限个m函数的合成规则公式如下：

式中，

分别将“满足绝缘安全距离要求”、“满足无线电防护距离要求”和“满足运动距离余量要求”作为三个限制命题X₁、X₂、X₃，将0～5m和0～10m两个范围内满足上述三个命题的概率作为局部推测结果m₁和m₂，代入D-S算法计算，得到三个限制命题的信度推测值m(X)，其中X＝X₁、X₂、X₃。将信度推测值进行归一化，然后作为权重赋予三种安全距离限值即可得到最终的输电线路安全距离限值为：

式中：M＝m(X₁)+m(X₁)+m(X₁)，D_X分别表示绝缘安全距离、无线电防护距离或运动距离余量。

二.计算结果

无人机与各个电压等级输电线路的安全距离限值如表2所示。

表2各电压等级输电线路安全距离限值表

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 (3)

1.一种确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、基于GB 50545-2010《110-750kV架空输电线路设计规范》确定无人机与输电线路的电气绝缘安全距离D_i；

B、考虑架空输电线路电晕无线电干扰，根据干扰横向传播衰减的特性，计算防护距离D_p；

C、分析无人机飞行速度、变速时长、变速方向以及悬停定位精度在内的各种因素对无人机制动距离的影响，计算得到无人机变速引起的偏航距离Δs、无人机反应延迟缓冲距离D_b、无人机悬停距离余量D_e，将上述距离相加得到由无人机运动特性确定的无人机运动距离余量D_m；

D、运用D-S证据理论中的Dempster组合规则对步骤A、步骤B以及步骤C得到的安全距离进行融合计算，得到最终的架空输电线路与民用无人机安全距离D_L；

所述步骤B与架空输电线路边相导线水平距离为L位置的无线电干扰场强E_L的计算过程为：

根据GB15707-1995《高压交流架空送电线无线电干扰值》中给出的各电压等级的架空输电线路对周围环境的无线电干扰计算公式，得到在距离输电线路边相导线的地面投影20m处，1MHz频率干扰电平(dB)为：

式中：g_max表示架空输电线路的表面最大电位梯度，单位为kV/cm；d表示单根导线的直径，单位为cm；

考虑其它频率的无线电干扰场强，在式(1)基础上叠加式(2)进行修正；

式中，f表示需要修正的频率，单位为MHz；

计算与架空输电线路边相导线水平距离为L位置的无线电干扰场强

式中，H表示边相导线的对地高度，单位为m；L表示边相导线与测量点的水平距离，单位为m；h表示测量仪的对地高度，单位为m；k表示衰减系数；所述步骤B考虑架空输电线路电晕无线电干扰，根据干扰横向传播衰减的特性，计算防护距离，具体公式为

式中，E_L表示与架空输电线路边相导线水平距离为L位置的无线电干扰场强，S_P表示被防护对象正常工作时的最小信号场强，单位为dB；R_P表示被防护对象正常工作可接受的信噪比；

所述步骤C无人机变速引起的偏航距离的计算过程为：

飞行加速度的改变导致飞行路线变化，无人机航位偏离原飞行路线；这个过程中，假设调节时间为t_p，则无人机偏航距离为：

式中，a_e为无人机水平加速度；

所述步骤C无人机反应延迟缓冲距离D_b的计算过程为：

当无人机检测到障碍物时，避障信号发出到做出减速避障动作的过程存在时间延迟现象，延迟时间t_b一般为200～500ms，从无人机检测到避障信息，到无人机发出避障指令，期间无人机仍以速度v在靠近线路，将信号延迟时段无人机飞行的距离称为避障缓冲距离记为D_b，则有

D_b＝v·t_b (8)；

③无人机悬停距离余量

设置巡线无人机与输电线路的安全距离时，预留悬停距离余量，将这个距离记为D_e；D_e取值为1.5m；

综上所述，考虑无人机运动特性，无人机与输电线路安全距离应增加距离余量为

D_m＝Δs+D_b+D_e (9)。

2.根据权利要求1所述的一种确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法，其特征在于，所述步骤A输电线路设计规范指的是基于GB 50545-2010《110-750kV架空输电线路设计规范》。

3.根据权利要求1所述的一种确定架空输电线路与民用无人机安全距离的方法，其特征在于，所述步骤D运用D-S证据理论中的Dempster组合规则进行安全距离限值融合计算，具体包括：

函数m表示基本概率分配，即对某个命题的信任程度，m:2^Θ→[0,1]满足条件：

对于

假设空间上的有限个m函数的合成规则公式如下：

式中，

分别将“满足绝缘安全距离要求”、“满足无线电防护距离要求”和“满足运动距离余量要求”作为三个限制命题X₁、X₂、X₃，将0～5m和0～10m两个范围内满足上述三个命题的概率作为局部推测结果m₁和m₂，代入D-S算法计算，得到三个限制命题的信度推测值m(X)，其中X＝X₁、X₂、X₃，将信度推测值进行归一化，然后作为权重赋予三种安全距离限值即可得到最终的输电线路安全距离限值为：

式中：M＝m(X₁)+m(X₁)+m(X₁)，D_X分别表示绝缘安全距离、无线电防护距离或运动距离余量。

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