CN111781953A - 基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，包括以下步骤：步骤S1:根据高压线路铁塔区域类型，分别构建对应高压线路铁塔三维模型,并分析其电场强度分布；步骤S2:根据电场强度分布，获取不同高压线路铁塔的三维空间电场强度包络面；步骤S3:根据预设高压线路铁塔巡检避障参量，并基于三维空间电场强度包络面，控制无人机避障巡检飞行。本发明实现无人机巡检的避障基础受空间中其余障碍物和电网潮流的变化影响较少，准确性高。

Description

基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法

技术领域

本发明涉及高压线路铁塔巡检领域，具体涉及一种基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法。

背景技术

随着我国电网的飞速发展，高压输电线路电压等级越来越高，输电线路越来越长且所经过的地形地貌也变得越来越复杂。无人飞行器具有不受地形环境限制的优势、费效比高的优势，同时无需顾虑飞机意外坠毁导致的机上人员伤亡问题。因此为了提高电网巡检的效率，同时为解决近年来灾害频发对电网安全的现实威胁，利用无人机进行高压电力线路巡检已经成为一种迫切的需求，并且逐步会取代人工巡检，大大提高巡检效率。

为了便于输电线路故障分析诊断，无人机巡检时要求拍摄高清晰度的线路和铁塔的照片，因此应尽可能的缩短无人机和输电线路或铁塔等的距离，同时保障足够的安全性，无人机就必须有一套高灵敏度的避障系统。当无人机和巡线目标之间距离小于安全距离时，及时发出信号，同时送给无人机中控系统；而且要求该安全距离要尽可能小，以便拍摄的照片能更加清晰，方便工作人员的故障诊断。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，实现无人机巡检的避障基础受空间中其余障碍物和电网潮流的变化影响较少，准确性高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，包括以下步骤：

步骤S1:根据高压线路铁塔区域类型，分别构建对应高压线路铁塔三维模型,并分析其电场强度分布；

步骤S2:根据电场强度分布，获取不同高压线路铁塔的三维空间电场强度包络面；

步骤S3:根据预设高压线路铁塔巡检避障参量，并基于三维空间电场强度包络面，控制无人机避障巡检飞行。

进一步的，所述高压线路铁塔区域类型包括直线塔和转角塔。

进一步的，所述步骤S1具体为：以铁塔几何中心在地面的投影为坐标原点，以输电线路走廊方向为x轴，横向为y轴，垂直方向为z轴建立直角坐标系，建立三维仿真模型。

进一步的，所述步骤S2具体为：

步骤S21:根据高压线路铁塔的几何数据以及三维仿真模型，利用有限元分析软件得到无人机从架空区域进入到铁塔范围内的电场变化；

步骤S22:根据得到的电场变化，采用Ansys仿真软件构建高压线路铁塔电场仿真模型；

步骤S23:利用Ansoft电场仿真分析计算每条观察线上的电场强度值，得到对应不同x取值下的等电场强度线距离曲面立体图，即包络面

步骤S24:根据三维空间电场强通过对沿着该包络面的电场强度求取平均值来代替其波动，得到三维等电场强度包络面。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明根据三维空间电场强度包络面作为避障基础，建立三维仿真模型，并分析铁塔的避障策略，简化无人机巡检避障。

2、本发明采用电场强度包络面作为无人机巡检的避障基础受空间中其余障碍物和电网潮流的变化影响较少，准确性高。

附图说明

图1是本发明一实施例中猫头直线塔计算模型；

图2是本发明一实施例中从架空线路进入铁塔区域的电场变化图；

图3是本发明一实施例中观察线设置示意图；

图4是本发明一实施例中直线塔维持电场强度为1.0kV/m时对应离铁塔中心距离包络面；

图5是本发明一实施例中计算模型俯视示意图；

图6是本发明一实施例中转角5°铁塔维持电场强度为1 kV/m时对应离铁塔中心距离包络面；

图7是本发明一实施例中5°转角塔外侧距离波动特性；

图8是本发明一实施例中5°转角塔内侧距离波动特性。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，包括以下步骤：

步骤S1:根据高压线路铁塔区域类型，分别构建对应高压线路铁塔三维模型,并分析其电场强度分布；

步骤S2:根据电场强度分布，获取不同高压线路铁塔的三维空间电场强度包络面；

步骤S3:根据预设高压线路铁塔巡检避障参量，并基于三维空间电场强度包络面，控制无人机避障巡检飞行。

在本实施例中，以500kV超高压输电线路为例：

1）直线塔区域无人机巡检避障

在本实施例中，参考图1，以导线排列方式为正三角型排列的500kV猫头塔计算模型为例说明直线塔的避障策略；图中，中相C相导线离地高度为37.6m，AB两相为30m，间距为21.5m；避雷线悬挂点离地高度46.8m，间距为15.8m。以铁塔几何中心在地面的投影为坐标原点，以输电线路走廊方向为x轴，横向为y轴，垂直方向为z轴建立直角坐标系。

按照上述直线塔的几何数据，利用有限元分析软件得到无人机从架空区域进入到铁塔范围内的电场变化情况，如图2所示（维持z=38m，y=30m，铁塔位于x=50m处）。

从图2可知，由于铁塔为突出地面，高度和输电线路等高的空中零电势体，故从铁塔远端往铁塔飞行过程中，线路周围的电场强度是不断衰减的，特别是越靠近铁塔区域，其衰减速度越快。在x=0～40m纯架空线路范围内，电场的变化波动很小，都在5200V/m以上;但在x=40～60m区域即铁塔区域，电场急剧衰减然后逐步增大，最低降到3920V/m。通过上述分析可知，随着无人机从架空区域飞经铁塔区域再到离开铁塔区域，其电场强度存在一个明显的波谷特征。作为巡检的重点区域，当无人机飞行至铁塔区域时，要进行悬停拍摄，并且要围绕铁塔进行巡检。因此对于铁塔区域的无人机巡检避障，需从铁塔的三维空间电场分布去寻找三维空间下的近似等电场强度包络面，根据该包络面进行避障。

采用Ansys仿真软件建立超高压猫头型直线塔电场仿真模型，以AB两相连线的中点（0,0,30）为中心，将铁塔上半圆周空间按照等间隔（5°间隔）进行等分，每一个等分线作为一条观测线，如图3所示。

利用Ansoft电场仿真分析计算每条观察线上的电场强度值。现维持空间电场强度值为1kV/m和x=0不变，分析沿着上半圆周空间的观察线，对应等电场强度值，观测点和AB两相连线中点的距离，绘制出空间等电场强度线下对应的距离曲面，之后改变x值（变化范围为-20m～20m），通过仿真得到对应不同x取值下的等电场强度线距离曲面立体图，如图4所示。

从图4可知，在维持电场强度值为1kV/m时，沿着x轴的变化，其空间电场强度呈现一致的变化趋势，即在铁塔的前后附近位置，电场强度的变化趋势是一致的，基本都是呈现以y=0为中心的左右对称结构。此外，在维持x不变的情况下，观测点和中心的距离呈现从铁塔两侧往中心正上方减少的变化趋势，但是距离波动区间不大，通过计算可得对应电场强度1kV/m，在yz平面的包络线，观测点和中心距离的变化区间为32.5～38.2m之间，变化较为平缓。

从图4可知，维持x值不变时，等电场强度情况下距铁塔中心点的距离随观察角的变化在三维空间形成一个包络面，在与铁塔中心距离维持不变的情况下，观察线角度的变化对电场强度值的影响很小，电场强度值变化较为平缓，波动区间很小。故可以通过对沿着该包络面的电场强度求取平均值来近似代替其波动，从而得到近似的三维等电场强度包络面。所以只需选取该电场强度平均值作为避障参量。取无人机的最小安全距离为20m，通过仿真计算得此时在35m处（由于本例中铁塔几何中心与铁塔外沿的距离为15m，考虑无人机的安全飞行距离最小为20m，故合计为35m）其电场强度包络面平均值为0.83kV/m，以该电场强度值作为避障参量，得到对应该电场强度值，在不同观测角下观测点与铁塔中心点距离。由于直线塔空间电场强度分布不随x值的变化而变化，故以x=0的yz平面为例，考虑到在维持电场强度不变的情况下，观测点与铁塔中心的距离呈现左右两侧对称分布，故只需分析1/4圆周下，维持电场强度为0.83kV/m时，在不同观察线角度下，观测点与铁塔中心的距离，如表1所示。

表1直线塔电场强度为0.83kV/m时观测点距铁塔中心点距离表

从表1可以看出，取电场强度值为0.83kV/m作为避障参量，随着观察角的变化，观测点和铁塔中心的距离变化区间为35～41.2m，由于铁塔中心离边相导线距离为15m，故可知此时观测点与边相导线距离在20m～26.2m区间；

2）转角塔区域无人机巡检避障策略

在本实施例中，以500kV干字型转角塔模型为例，三相导线呈现正三角排列，C相悬挂点离地高度为43.5m，AB两相悬挂点离地高度36m，相间距为9.54m。架空避雷线离地高度51m，间距为18.6m。按照图5所示建立坐标系，转角塔度数即图中的角即交叉角度的锐角。

取无人机的最小安全距离为20m，通过仿真计算得此时在35m处（由于本例中铁塔几何中心与铁塔外沿的距离为15m，考虑无人机的安全飞行距离最小为20m，故合计为35m）的近似等电场强度包络面；

当转角度数为5°时，利用Ansys电场仿真转角塔周围工频电场，维持电场强度值不变，得到在不同观察线角度下，观测点和铁塔中心的距离，绘制成三维空间图如图6所示的包络面；

从图6中可以看出，在维持电场强度不变，观测点与铁塔中心的距离形成一个包络面，由于转角塔前后线路走向不一致，故在转角塔内侧和外侧合成的电场强度呈现一定的差异性。在维持电场强度不变的情况下，铁塔中心上方观测点与铁塔中心的距离要小于左右两侧。随着x的变化，在铁塔前后，其空间电场分布呈现相同的变化趋势。

此外，随着观察线角度越来越大，在维持等电场强度值下得到的距离包络面，变化较为平缓，波动区间较小，故可以通过沿着该包络面求取平均值代替其小幅度的波动，从而得到近似的等电场强度包络面。取无人机的最小安全距离为20m，通过仿真计算得，在转角塔外侧，沿着等距离包络面电场强度平均值为0.75kV/m；在转角塔内侧，沿着等距离包络面电场强度平均值为0.8 kV/m。以该电场强度值作为避障参量，由于转角外侧和转角内侧的电场强度叠加的不同，所以下面分为转角外侧和转角内侧两种情况来分析无人机巡检转角塔时的避障策略。

在转角塔外侧，对应的观察线角度为0°～90°，分析维持电场强度为0.75 kV/m不变，在不同观察线角度取值下观测点和转角塔边沿的距离变化特性，如图7所示。

在转角塔内侧，对应的观察线角度为90°～180°，维持电场强度为0.8 kV/m不变，分析在不同观察线角度取值下观测点和转角塔边沿的距离变化特性，如图8所示。

从图7和图8可以看出，以电场强度值分别为0.75kV/m和0.8kV/m作为转角塔外侧和内侧的巡检避障参量，在转角塔的上半圆周空间，观测点和铁塔边沿的距离在20m到33m区间，且转角塔外侧距离的波动要小于内侧，但整体波动区间在无人机巡线安全距离（15～35m）区间范围内，能实现无人机巡检转角塔时很好的避障效果。

按照类似的分析可以得到转角塔转角度数分别为15°、20°和30°时的无人机巡检转角塔区域的避障策略。取无人机的最小安全距离为20m，此时在35m处，在转角塔外侧和内侧，沿着等距离包络面电场强度值平均值作为避障参量。可以得到如表2所示的500kV超高压不同转角塔避障策略。

表2 转角塔避障策略对比表

从表2可知，随着转角塔转角度数的变化，不管是转角塔内侧还是外侧，其避障参量限值的波动都很小，具体为在转角外侧波动区间为0.70 kV/m～0.75kV/m；在转角内侧为0.80kV/m～0.85 kV/m。故对于外侧限值的波动区间为0.05 kV/m，内侧波动区间为0.05 kV/m，对应该电场强度小波动区间所产生的距离波动是极为有限的，故可以进行归一化避障，即转角塔外侧可取避障参量限值为0.7 kV/m；转角塔内侧可取避障参量限值为0.8 kV/m进行归一化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:根据高压线路铁塔区域类型，分别构建对应高压线路铁塔三维模型,并分析其电场强度分布；

步骤S2:根据电场强度分布，获取不同高压线路铁塔的三维空间电场强度包络面；

步骤S3:根据预设高压线路铁塔巡检避障参量，并基于三维空间电场强度包络面，控制无人机避障巡检飞行。

2.根据权利要求1所述的基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，其特征在于，所述高压线路铁塔区域类型包括直线塔和转角塔。

3.根据权利要求2所述的基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：以铁塔几何中心在地面的投影为坐标原点，以输电线路走廊方向为x轴，横向为y轴，垂直方向为z轴建立直角坐标系，建立三维仿真模型。

4.根据权利要求2所述的基于电场强度包络面的高压线路铁塔区域无人机避障方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

步骤S21:根据高压线路铁塔的几何数据以及三维仿真模型，利用有限元分析软件得到无人机从架空区域进入到铁塔范围内的电场变化；

步骤S22:根据得到的电场变化，采用Ansys仿真软件构建高压线路铁塔电场仿真模型；

步骤S23:利用Ansoft电场仿真分析计算每条观察线上的电场强度值，得到对应不同x取值下的等电场强度线距离曲面立体图，即包络面

步骤S24:根据三维空间电场强通过对沿着该包络面的电场强度求取平均值来代替其波动，得到三维等电场强度包络面。

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