CN111580536B - 基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机 - Google Patents

基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机 Download PDF

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Abstract

基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机，包括四旋翼飞行器，所述四旋翼飞行器搭载有微型处理器，所述微型处理器分别连接无线通讯模块、运动处理传感器、磁传感器、摄像头模块，摄像头模块连接存储模块。所述微型处理器通过位置PID控制算法，对巡线飞行中的四旋翼飞行器的位置作实时控制；微型处理器通过磁传感器测量的磁场，测算出输电线路磁场强度在三个互相垂直的坐标方向上的分量作为对四旋翼飞行器实时位置PID控制的输入量。微型处理器通过姿态PID控制算法，用以对四旋翼飞行器飞行姿态的偏航角、俯仰角和横滚角进行控制。本发明输电线路巡线无人机能够极大地提高巡检效率，缩短线路故障处理时间，保证电力系统的安全运行。

Description

基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机
技术领域
本发明涉及输电线路智能化巡检技术领域，具体涉及一种基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机。
背景技术
众所周知，高压输电线路是电力传输的主要设备之一，它的安全稳定运行直接影响到供电系统的可靠性。电力线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、风吹日晒、材料老化的影响，经常出现断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，可能会造成严重事故，容易造成大范围停电，进而导致系统解列，给社会经济发展造成巨大的损失。
近年来，国家提出智能电网的发展规划，需要以某些设备的更新升级来带动整个电网的智能化，其中非常重要的一环就是巡检的智能化。传统的电力巡线方式是人工现场检查、维护，发现问题时记录在计算机上。这种方式效率很低，而且检查地点受地形影响，对于复杂环境下的电力线检查，如大型水库、高山、丘陵等非常困难，严重威胁着巡线人员的生命安全.同时，人工记录的方式容易出错，特别是数据量大时，不能保障录入的正确性。特别是人工巡线的方式使得管理人员无从知晓巡线人员的工作状态，不能对巡线质量进行有效监管，电力线安全无法完全保证。
发明内容
针对在重要输电路段或者地形复杂山区等地，巡线工作人工巡检较困难且具有较大危险性的技术问题。本发明提供一种基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机，可以实现对重点路断、人工难以攀爬线路进行远程监视。能够极大地提高巡检效率，缩短线路故障处理时间，从而达到快速恢复用电、消除潜在的隐患、保证电力系统的安全运行的目的。
本发明采取的技术方案如下：
基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机，包括四旋翼飞行器，所述四旋翼飞行器搭载有微型处理器，所述微型处理器分别连接无线通讯模块、运动处理传感器、磁传感器、摄像头模块，摄像头模块连接存储模块。
所述无线通讯模块，用于将巡线过程中的图像、视频发送于地面监控端；
所述运动处理传感器，用于测量飞行姿态；
所述磁传感器，用于测量输电导线附近叠加后的磁场；
所述摄像头模块，用于采集巡线过程中的图像、视频；
所述存储模块，用于存储巡线过程中的图像、视频；
所述微型处理器通过位置PID控制算法，对巡线飞行中的四旋翼飞行器的位置作实时控制；微型处理器通过磁传感器测量的磁场，测算出输电线路磁场强度在三个互相垂直的坐标方向上的分量作为对四旋翼飞行器实时位置PID控制的输入量。微型处理器通过姿态PID控制算法，用以对四旋翼飞行器飞行姿态的偏航角、俯仰角和横滚角进行控制。
本发明一种基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机，技术效果如下：
(1)：采用无人机巡线的方式，比需要与输电线路或避雷线接触的巡检机器人，更方便可靠。无人机巡检方式不需要设置避障功能，且巡线灵活度高。
(2)：利用无人机巡线方式，代替人工巡线，更安全便利，并且巡线效果较人工巡线有较大的提升。
(3)：利用高压单回线输电线路磁场的分布，通过感应磁场强度并将数据解算，为无人机提供了一种自动飞行巡检的模式。
(4)：在巡线过程中，可以通过无线传输模块传送至地面站，实时观测线路状况并将巡线结果通过存储装置保存，便于运检人员分析。
附图说明
图1为本发明的巡线无人机结构示意图。
图2为本发明的巡线无人机硬件连接示意图。
图3为本发明的输电线路三维坐标图。
图4为载流导线在空间任一点产生磁场模型图。
图5为本发明基于磁场的位置PID控制图
图6为本发明姿态PID控制图。
图7为运动处理传感器与微型处理器电路连接图。
图8为磁传感器与微型处理器电路连接图。
图9为无线通讯模块过板载WIRELESS模块接口与微型处理器电路连接图。
图10为摄像头模块与微型处理器电路连接图。
具体实施方式
如图1、图2所示，基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机，包括四旋翼飞行器1，所述四旋翼飞行器1搭载有微型处理器2，所述微型处理器2分别连接无线通讯模块3、运动处理传感器4、磁传感器5、摄像头模块6，摄像头模块6连接存储模块7。四旋翼飞行器沿高压输电线路巡线时，具备遥控和自动两种模式。
所述无线通讯模块3，用于将巡线过程中的图像、视频发送于地面监控端；
所述运动处理传感器4，用于测量飞行姿态；
所述磁传感器5，用于测量输电导线附近叠加后的磁场；
所述摄像头模块6，用于采集巡线过程中的图像、视频；
所述存储模块7，用于存储巡线过程中的图像、视频。
所述微型处理器2通过位置PID控制算法，对巡线飞行中的四旋翼飞行器1的位置作实时控制；微型处理器2通过磁传感器5测量的磁场，测算出输电线路磁场强度在三个互相垂直的坐标方向上的分量作为对四旋翼飞行器1实时位置PID控制的输入量。微型处理器2通过姿态PID控制算法，用以对四旋翼飞行器1飞行姿态的偏航角、俯仰角和横滚角进行控制。
所述四旋翼飞行器1采用经纬M300 RTK飞行器。
所述微型处理器2采用STM32单片机。将普通遥控四旋翼飞行器搭载上微处理器STM32单片机，并将STM32单片机与四旋翼飞行器的飞控模块相连接。
所述无线通讯模块3采用NRF24L01无线通讯模块。
所述运动处理传感器4采用姿态传感器MPU6050。在微处理器STM32单片机上扩展一个姿态传感器MPU6050，通过数据总线回传给微处理器STM32，在STM32单片机中通过姿态PID控制算法，用以对四旋翼飞行器飞行过程中的姿态实时状态数据解算，并加以控制调整。所述磁传感器5采用LIS3MDLTR磁传感器，在微处理器STM32单片机上扩展一个磁传感器，通过数据总线回传给微处理器STM32，在STM32单片机中通过位置PID控制算法，用以实现四旋翼飞行器稳定沿着高压输电线路飞行巡线的功能。
所述摄像头模块6采用OV7670摄像头，所述存储模块7采用SD卡。在微处理器STM32单片机上扩展一个摄像头模块，通过数据总线回传给微处理器STM32，具备图像、短视频、实时视频采集功能，图像和短视频可以存储于SD卡中，实时视频可通过无线通讯模块3传给地面站。
实施方式：
(一)：原理分析：
四旋翼飞行器通过单片机扩展的磁传感器模块，感应出复杂线路的磁场强度并将感应磁场解算到三个互相垂直的坐标轴上，即x轴、y轴和z轴，y轴代表输电线沿线方向，z轴代表高度方向，x轴与y轴、z轴所形成平面垂直。数据解算后为无人机自动沿线飞行提供控制量。通过利用输电线路磁场数据解算后的x轴方向矢量分量和z轴方向矢量分量作为无人机位置测量期望目标，建立x轴方向矢量分量和z轴方向矢量分量作为输入控制量的双环PID控制，可以精确的对无人机位置进行修正和控制，满足在高压输电线路实现自动沿线巡线的特征。无人机在高压输电线路巡线工作，既可以进行自动巡线，也可以由运检人员控制，这样既保证了自动巡线的可靠性，也保留了运检人员的可操作性。
(二)：对输电线路的磁场进行数据解算：
首先，利用磁传感器5将输电导线附近叠加后的磁场测出，微型处理器2将工频磁场三维解算，如图4所示，得到：
Figure BDA0002505022280000041
其中，(xa,ya,za)是磁场模型中A点坐标，(xb,yb,zb)是磁场模型中B点坐标，(xc,yc,zc)是磁场模型中C点坐标。AB为模型中载流导线的长度,PA为空间中P点到A端的距离，PB为空间中P点到B端的距离。
利用毕奥-萨伐尔定理：
Figure BDA0002505022280000042
式中，R只是单位方向矢量，且
Figure BDA0002505022280000043
dl＝rdθ/cosθ，r＝PT/cosθ，
其中，μ0为磁介质的磁导率，I为导体流过电流，r为电流元至P点的距离。
PT是P点到线路的垂线距离，得到：
Figure BDA0002505022280000044
其中，μ0为磁介质的磁导率，I为导体流过电流，PT是P点到AB的垂线距离，θa和θb分别为P点与AB端点的两个夹角。
Figure BDA0002505022280000045
的方向垂直于PAB平面。将式(1)中的各参数和
Figure BDA0002505022280000046
的方向余弦用P，A，B的坐标参数
Figure BDA0002505022280000047
表达，就可以计算出
Figure BDA0002505022280000048
在三轴坐标方向的分量：
Figure BDA0002505022280000049
其中AT为P点关于AB垂点到A点的距离。
Figure BDA0002505022280000051
其中PA为P点到A点的距离，PB为P点到B点的距离。
Figure BDA0002505022280000052
已知P，A，B点的坐标和AB所载的电流，可以求出P点的磁场强度
Figure BDA0002505022280000053
磁场强度
Figure BDA0002505022280000054
在三个互相垂直的坐标方向上的分量为：
Figure BDA0002505022280000055
其中，Bx、By、Bz为导线再P点上的磁场强度再X、Y、Z轴上的分量；
l、m、n分别为：
Figure BDA0002505022280000056
本发明针对的三项单回路输电线路，多载流导线构成的磁场更为复杂，根据叠加原理，可以得到导线周围任意观测点上的磁场时，每段导线在该点产生磁场的矢量和，进而便得到了磁场在各坐标方向上的分量为：
Figure BDA0002505022280000057
其中，Bx,i，By,i，Bz,i分别是第I根载流为I的导线在该点产生的磁场在x、y、z轴上的分量；
Figure BDA0002505022280000058
为第i根导线所载电流I的相位角；N为空间中的N根导线。
(三)：对巡线飞行中的四旋翼飞行器的位置作实时控制，由公式(1)中从磁传感器5测算出的输电线路磁场强度在三个互相垂直的坐标方向上的分量，可以作为对飞行器实时位置实时控制的输入量，控制算法如图5所示。由图5可以看出：将输电线路磁场强度矢量在x轴和z轴的分量，作为期望量输入，通过PID控制，x矢量分量通过角速度PID控制作用于四旋翼飞行器1的电机，z矢量分量通过加速度PID控制作用于四旋翼飞行器1的电机，并且将两种输入量控制采用并联的形式，将控制量的输出直接作用到四旋翼飞行器1的电机上。对于y轴分量不做应用处理，而是直接通过四旋翼飞行器1的电机直接给y轴的一个角度，使之能向前飞行即可，即四旋翼飞行器1飞于输电线路上方即可。
对于x轴分量矢量的合理控制，可以使得四旋翼飞行器不会出现航向偏向的问题；对于z轴分量矢量的合理控制，可以使得四旋翼飞行器不会出现航行忽高忽低的状况，并且考虑到高压输电线路往往是长距离输电，线路会有弧垂的现象存在，那么对于z轴分量矢量的合理控制，可以使得飞行器巡线时航行高度随着线路弧垂程度的变化而调整高度。
(四)：四旋翼飞行器稳定飞行，要对飞行姿态有准确的控制。本发明利用姿态传感器MPU6050对飞行器姿态的准确测算，利用姿态PID控制算法，实现对飞行姿态的偏航角、俯仰角和横滚角的精确控制，满足四旋翼飞行器飞行过程能保持稳定。
对飞行姿态的偏航角、俯仰角和横滚角的精确控制。姿态环采用串级PID算法进行控制，控制算法结构图如图6所示，使用角度作为外环，角速度作为内环。角度和角速度由mpu6050采集数据输出，并作为下一时刻角度环和角速度环的输入。这样，采集值一般不会受到外界干扰，且角速度变化灵敏，当受外力干扰时恢复迅速，可有效避免外界干扰造成的影响，增强了系统的鲁棒性。
(五)：利用摄像头模块6和无线通讯模块3，可以将飞行器巡线过程中拍到的图像、短视频、实时视频等，实时发送于地面站的运维人员手中，并且存于自带的sd卡中，以保证巡线数据不丢失。
实施例：
图7为运动处理传感器与微型处理器电路连接图。
SCL和SDA是连接MCU的IIC接口，MCU通过这个IIC接口来控制MPU6050；同时通过PA15控制ATK-MPU6050模块AD0接GND，因而选择MPU6050的IIC地址是：0X68。而PA4则与KEY端口相连，将数据进行输出处理。
图8为磁传感器与微型处理器电路连接图。
使用LIS3MDLTR磁传感器与STM32单片机相连接，其中VDDI/O和Vs端口接于电源电压，GND端口接地，片选端口CS和中断1输出端口、中断2输出端口与普通I/O口连接即可，SCL/SCLK端口与单片机I2C1_SCL连接使能串行通信时钟，SDA端口与单片机I2C1_SDA端口连接实现串行数据传输/备用I2C地址选择，其余端口悬空即可。
图9为无线通讯模块过板载WIRELESS模块接口与微型处理器电路连接图。
NRF24L01模块通过板载的WIRELESS模块接口连接MCU，图9中的WIRELESS模块接口也是使用的SPI2，和W25Q128共用一个SPI接口，所以在使用的时候，他们分时复用SPI2。所以本技术把W25Q128的片选信号置高，以防止这个器件对NRF24L01的通信造成干扰。
图10为摄像头模块与微型处理器电路连接图。
从图10中可以看出ALIENTEK OV7670摄像头模块自带了有源晶振，用于产生12M时钟作为OV7670的XCLK输入。同时自带了稳压芯片，用于提供OV7670稳定的2.8V工作电压，并带有一个FIFO芯片(AL422B)，可以存储图像数据。需要注意的是，硬件连接时在开发板的左下角的2*9的P6排座，是摄像头模块/OLED模块共用接口，所以直接插入时相当于直接连接好了OV_SDA、OV_SCL、FIFO_RCLK、FIFO_WEN、FIFO_WRST、FIFO_RRST、FIFO_OE、OV_VSYNC、OV_D这几个端口。

Claims (2)

1.基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机，包括四旋翼飞行器(1)，其特征在于：
所述四旋翼飞行器(1)搭载有微型处理器(2)，所述微型处理器(2)分别连接无线通讯模块(3)、运动处理传感器(4)、磁传感器(5)、摄像头模块(6)，摄像头模块(6)连接存储模块(7)；
所述无线通讯模块(3)，用于将巡线过程中的图像、视频发送于地面监控端；
所述运动处理传感器(4)，用于测量飞行姿态；
所述磁传感器(5)，用于测量输电导线附近叠加后的磁场；
所述摄像头模块(6)，用于采集巡线过程中的图像、视频；
所述存储模块(7)，用于存储巡线过程中的图像、视频；
所述微型处理器(2)通过位置PID控制算法，对巡线飞行中的四旋翼飞行器(1)的位置作实时控制；微型处理器(2)通过磁传感器(5)测量的磁场，测算出输电线路磁场强度在三个互相垂直的坐标方向上的分量作为对四旋翼飞行器(1)实时位置PID控制的输入量；
微型处理器(2)通过姿态PID控制算法，用以对四旋翼飞行器(1)飞行姿态的偏航角、俯仰角和横滚角进行控制；
首先，利用磁传感器(5)将输电导线附近叠加后的磁场测出，微型处理器(2)将工频磁场三维解算，得到：
Figure FDA0004058807170000011
其中，(xa,ya,za)是磁场模型中A点坐标，(xb,yb,zb)是磁场模型中B点坐标，(xc,yc,zc)是磁场模型中C点坐标；AB为模型中载流导线的长度,PA为空间中P点到A端的距离，PB为空间中P点到B端的距离；
利用毕奥-萨伐尔定理：
Figure FDA0004058807170000012
式中，R只是单位方向矢量，且
Figure FDA0004058807170000013
dl＝rdθ/cosθ，r＝PT/cosθ，PT是P点到线路的垂线距离，得到：
Figure FDA0004058807170000021
Figure FDA0004058807170000022
的方向垂直于PAB平面；将式(1)中的各参数和
Figure FDA0004058807170000023
的方向余弦用P，A，B的坐标参数
Figure FDA0004058807170000024
表达，能够计算出
Figure FDA0004058807170000025
在三轴坐标方向的分量：
Figure FDA0004058807170000026
Figure FDA0004058807170000027
Figure FDA0004058807170000028
已知P，A，B点的坐标和AB所载的电流，求出P点的磁场强度
Figure FDA0004058807170000029
磁场强度
Figure FDA00040588071700000210
在三个互相垂直的坐标方向上的分量为：
Figure FDA00040588071700000211
根据叠加原理，得到导线周围任意观测点上的磁场时，每段导线在该点产生磁场的矢量和，进而便得到了磁场在各坐标方向上的分量为：
Figure FDA00040588071700000212
2.根据权利要求1所述基于磁场感应控制的输电线路巡线无人机，其特征在于：将输电线路磁场强度矢量在x轴和z轴的分量，作为期望量输入，通过PID控制，x矢量分量通过角速度PID控制作用于四旋翼飞行器(1)的电机，z矢量分量通过加速度PID控制作用于四旋翼飞行器(1)的电机，并且将两种输入量控制采用并联的形式，将控制量的输出直接作用到四旋翼飞行器(1)的电机上；
对于y轴分量不做应用处理，而是直接通过四旋翼飞行器(1)的电机直接给y轴的一个角度，使之能向前飞行即可，即四旋翼飞行器(1)飞于输电线路上方即可。
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