CN113946163B - 基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法。采用变电站三维建模、航线建模、航线复测和自主巡视等技术，充分考虑变电站电磁场强度和运维巡视需求，在航线规划和自主巡视时，根据电磁场强度和最佳拍摄距离调整航线，避免无人机在巡视时受到变电站电磁场干扰而失控，同时提升无人机巡视质效。本发明解决了现有无人机自主巡视航线依据经验制定、飞行巡视过程中缺乏调整、无法避开强电磁干扰区域的问题，兼顾提升了无人机巡视安全性和质效。
Description
技术领域
本发明属于电力无人机应用领域，具体涉及一种基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法。
背景技术
随着无人机在电网运维的深入运用，变电站无人机巡视已经成为一种趋势。但变电站中有着复杂的电磁环境，会对无人机、飞控等电子设备产生强电磁场干扰。电磁场是具备空间、时间、频率、极化、幅度和调制等特性的客观存在区域，具有重叠性，会随着时间、空间位置而变化，产生电磁干扰（EMI）包括干扰源、耦合路径和敏感设备等因素。变电站内电力设备高电压、大电流的特性会在其周边形成强电磁场环境，从而对电子设备产生干扰，且一次设备之间、一次二次设备之间会互相影响，电磁场分布复杂。
因此无人机在变电站巡视时的飞行路径尤其关键，应禁止与电力设备接触防止坠机，应尽量避免在运行中的变电站变压器、电抗器等设备上方飞行。
现有变电站无人机自主巡视航线规划的方法主要有：
（1）基于人工示教的航线规划，首先采用手控无人机飞行的方法巡视一遍变电站设备，无人机控制系统记录该次航线，下次无人机巡视时可以调用，自动按照该航线飞行。
（2）基于三维建模的航线规划，采用变电站三维建模→航线规划→航线复测→自主巡视的技术路线，首先建立高精度的变电站三维模型；其次将三维模型导入航线规划软件，根据无人机自主巡视的需求，在模型上将避雷器、绝缘子、高空构架、一次设备顶部等部件巡检点位标记出来，生成航点及轨迹；接着将航线文件下发至无人机自主巡检APP，在变电站现场进行航线复测；最后无人机可以根据复测的航线开始自主巡视。
上述现有方法（1）依赖于操作人员技术水平，并且航线无法调整，可靠性低；方法（2）不依赖操作人员技术水平，可根据需求调整航线，但航线规划仍然需要经验丰富的运维人员进行，并且无法保证航线的安全性。在电磁环境复杂的变电站，2种方法均没有对航线进行科学规范地制定，为了无人机巡视安全，仅拉大无人机与带电设备距离，不能完全避开电磁强度高的区域，同时牺牲了无人机近距离拍摄的优势，无法同时满足变电站无人机巡视安全性和质效需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，解决了现有无人机自主巡视航线依据经验制定、飞行巡视过程中缺乏调整、无法避开强电磁干扰区域的问题，兼顾提升无人机巡视安全性和质效。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，充分考虑变电站电磁场强度和运维巡视需求，在航线规划和自主巡视时，根据电磁场强度和最佳拍摄距离调整航线，避免无人机在巡视时受到变电站电磁场干扰而失控，同时提升无人机巡视质效，其实现步骤如下：
S100、采用包括激光雷达扫描的方式建立高精度变电站三维点云模型，三维模型应具备绝对坐标，并且达厘米级定位精度；
S200、确定变电站电磁环境，首先对变电站进行仿真分析，绘制全站电磁场强度分布图，其次采用电磁场强度测量仪，对变电站设备区n个测试点位的电磁场强度进行测量，最后进行变电站电磁场强度仿真值与实际测量值比对，验证仿真分析的准确性；进而仿真确定变电站满负荷运行时设备区每处区域电场强度E和磁场强度H，绘制满负荷运行时全站电磁场强度分布图，变电站未满负荷运行时，电磁场强度仿真值将低于E和H；
S300、将变电站三维点云模型导入航线规划软件，根据变电站运维巡视需求，在变电站三维点云模型上将避雷器、绝缘子、高空构架、一次设备顶部等部件巡检点位标记出来，确定各个设备的无人机巡视点位Pi(i=1,2,3,4……)，完成初步航线规划；
S400、人工调整无人机自主巡视航线，无人机稳定运行的电磁场强度阈值分别为E0和H0，变电站设备无人机巡视拍摄最佳距离L0，结合变电站三维电磁场强分布图，针对已规划的航线进行调整；
S500、复测无人机自主巡视航线，无人机按调整好的航线飞行巡视，验证航线准确性，满足巡视要求；
S600、无人机电磁场强监测，通过在无人机上搭载电磁场场强测量仪，无人机实时监测所处位置的电场强度Ereal和磁场强度Hreal；
S700、无人机自主巡视点位自动调整，无人机依据预设路径到达巡视点位Pi，摄像头朝向巡视设备，由于变电站运行负荷不断变化，以及无人机定位精度误差，此时无人机所处位置的电场强度Ereal≦Eset，磁场强度Hreal≦Hset,且与设备距离Lreal不等于L0；根据电磁场场强测量仪实时测得的数据Ereal和Hreal，以及无人机测得与巡视设备的距离Lreal，无人机自动调整航线，移动至合适的拍摄点位；
S800、在完成步骤S700后，无人机飞回预设点位Pi，按规划好的航线飞向下一个巡视点位Pi+1；
S900、重复步骤S600至S800，直至完成巡视任务。
在本发明一实施例中，所述步骤S400的航线调整规则包括：
S401、航线上的电场强度Eset≦90%*E0，且Hset≦90%*H0；
S402、巡视点位P与设备的距离Lset=L0；
S403、巡视点位P与设备的距离Lset接近L0；
调整无人机自主巡视航线优先满足规则S401，其次满足规则S402，最后满足规则S403。
在本发明一实施例中，所述步骤S700的航线调整规则包括：
S701、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L>Lset，无人机向前（无人机视角）飞行靠近设备，移动直至Ereal=Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，则无人机停止前进，开始对设备进行拍摄巡视；
S702、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L<Lset，无人机向后（无人机视角）飞行远离设备，移动直至Ereal= Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，开始对设备进行拍摄巡视；
无人机到达巡视点位后，依据规则步骤S701和步骤S702调整巡视点位。
在本发明一实施例中，步骤S200中，n根据变电站大小及环境选择。
在本发明一实施例中，步骤S400在规划航线时根据电磁场强度和最佳拍摄距离人工调整航线。
在本发明一实施例中，步骤S700在巡视点位时无人机根据电磁场强度和最佳拍摄距离自动调整航线。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、充分考虑变电站电磁场强度和运维巡视需求，相较现有的变电站无人机航线规划方法，兼顾航线安全性和拍摄质效。
2、对变电站的电磁场强度进行仿真和实测，建立变电站三维电磁场强分布图，为无人机自主巡视航线规划的安全性提供理论依据，降低航线规划时的盲目性。
3、对无人机实时飞行时所处位置的电磁场强度进行实时监测，为无人机在巡视点位调整路径提供安全判据。
附图说明
图1是本发明的整体流程图。
图2是本发明无人机巡视点位自动调整优化示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，充分考虑变电站电磁场强度和运维巡视需求，在航线规划和自主巡视时，根据电磁场强度和最佳拍摄距离调整航线，避免无人机在巡视时受到变电站电磁场干扰而失控，同时提升无人机巡视质效，其实现步骤如下：
S100、采用包括激光雷达扫描的方式建立高精度变电站三维点云模型，三维模型应具备绝对坐标，并且达厘米级定位精度；
S200、确定变电站电磁环境，首先对变电站进行仿真分析，绘制全站电磁场强度分布图，其次采用电磁场强度测量仪，对变电站设备区n个测试点位的电磁场强度进行测量，最后进行变电站电磁场强度仿真值与实际测量值比对，验证仿真分析的准确性；进而仿真确定变电站满负荷运行时设备区每处区域电场强度E和磁场强度H，绘制满负荷运行时全站电磁场强度分布图，变电站未满负荷运行时，电磁场强度仿真值将低于E和H；
S300、将变电站三维点云模型导入航线规划软件，根据变电站运维巡视需求，在变电站三维点云模型上将避雷器、绝缘子、高空构架、一次设备顶部等部件巡检点位标记出来，确定各个设备的无人机巡视点位Pi(i=1,2,3,4……)，完成初步航线规划；
S400、人工调整无人机自主巡视航线，无人机稳定运行的电磁场强度阈值分别为E0和H0，变电站设备无人机巡视拍摄最佳距离L0，结合变电站三维电磁场强分布图，针对已规划的航线进行调整；
S500、复测无人机自主巡视航线，无人机按调整好的航线飞行巡视，验证航线准确性，满足巡视要求；
S600、无人机电磁场强监测，通过在无人机上搭载电磁场场强测量仪，无人机实时监测所处位置的电场强度Ereal和磁场强度Hreal；
S700、无人机自主巡视点位自动调整，无人机依据预设路径到达巡视点位Pi，摄像头朝向巡视设备，由于变电站运行负荷不断变化，以及无人机定位精度误差，此时无人机所处位置的电场强度Ereal≦Eset，磁场强度Hreal≦Hset,且与设备距离Lreal不等于L0；根据电磁场场强测量仪实时测得的数据Ereal和Hreal，以及无人机测得与巡视设备的距离Lreal，无人机自动调整航线，移动至合适的拍摄点位；
S800、在完成步骤S700后，无人机飞回预设点位Pi，按规划好的航线飞向下一个巡视点位Pi+1；
S900、重复步骤S600至S800，直至完成巡视任务。
其中：
所述步骤S400的航线调整规则包括：
S401、航线上的电场强度Eset≦90%*E0，且Hset≦90%*H0；
S402、巡视点位P与设备的距离Lset=L0；
S403、巡视点位P与设备的距离Lset接近L0；
调整无人机自主巡视航线优先满足规则S401，其次满足规则S402，最后满足规则S403。
所述步骤S700的航线调整规则包括：
S701、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L>Lset，无人机向前（无人机视角）飞行靠近设备，移动直至Ereal=Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，则无人机停止前进，开始对设备进行拍摄巡视；
S702、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L<Lset，无人机向后（无人机视角）飞行远离设备，移动直至Ereal= Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，开始对设备进行拍摄巡视；
无人机到达巡视点位后，依据规则步骤S701和步骤S702调整巡视点位。
以下为本发明具体实现过程。
如图1-2所示，一种基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，包括如下步骤：
S100、选定一座220kV变电站，采用激光雷达扫描等方式建立高精度变电站三维点云模型，三维模型应具备绝对坐标，并且达厘米级定位精度。
S200、确定变电站电磁环境，首先采用CDEGS等电磁场仿真软件，对变电站进行仿真分析，绘制全站电磁场强度分布图，其次采用NF-5035等电磁场强度测量仪，对变电站设备区800个测试点位的电磁场强度进行测量，最后进行变电站电磁场强度仿真值与实际测量值比对，验证仿真分析的准确性。进而仿真确定变电站满负荷运行时设备区每处区域电场强度E和磁场强度H，绘制满负荷运行时全站电磁场强度分布图（变电站未满负荷运行时，电磁场强度仿真值将低于E和H）。
S300、将变电站三维点云模型导入航线规划软件，根据变电站运维巡视需求，在变电站三维点云模型上将避雷器、绝缘子、高空构架、一次设备顶部等部件巡检点位标记出来，确定各个设备的无人机巡视点位Pi(i=1,2,3,4……)，完成初步航线规划。
S400、人工调整无人机自主巡视航线，无人机稳定运行的电磁场强度阈值分别为E0和H0，变电站设备无人机巡视拍摄最佳距离L0，结合变电站三维电磁场强分布图，针对已规划的航线进行调整，为兼顾安全和质效，设定以下3个规则：
S401、航线上的电场强度Eset≦90%*E0，且磁场强度Hset≦90%*H0；
S402、巡视点位P与设备的距离Lset=L0；
S403、巡视点位P与设备的距离Lset接近L0；
调整无人机自主巡视航线优先满足规则S401，其次满足规则S402，最后满足S403。经过调整后航线上的电磁场强度分别为Eset和Hset，巡视点位P与设备的距离为Lset。
S500、复测无人机自主巡视航线，选定一台多旋翼小型无人机，将规划好的航线导入无人机控制系统，无人机按航线飞行巡视，验证航线准确性，满足巡视要求。
S600、无人机电磁场强监测，通过在无人机上搭载电磁场场强测量仪，无人机实时监测所处位置的电场强度Ereal和磁场强度Hreal。
S700、无人机自主巡视点位自动调整，无人机依据预设路径到达巡视点位Pi，摄像头朝向巡视设备，由于变电站运行负荷不断变化，以及无人机定位精度误差，此时无人机所处位置的电场强度Ereal≦Eset，磁场强度Hreal≦Hset,且与设备距离Lreal不等于L0。根据电磁场场强测量仪实时测得的数据Ereal和Hreal，以及无人机测得与巡视设备的距离Lreal，无人机航线调整规则如下：
S701、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L>Lset，无人机向前（无人机视角）飞行靠近设备，移动直至Ereal=Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，则无人机停止前进，开始对设备进行拍摄巡视。
S702、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L<Lset，无人机向后（无人机视角）飞行远离设备，移动直至Ereal= Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，开始对设备进行拍摄巡视。
S800、在完成步骤S700后，无人机飞回预设点位Pi，按规划好的航线飞向下一个巡视点位Pi+1。
S900、重复步骤S600至S800，直至完成巡视任务。
本发明针对变电站无人机巡视工作，提出一种优化无人机自主巡视航线的方法，值得说明的是，上述实施方案仅为详细介绍本发明，并非是对本发明的实施方式的限定，本发明适用于不同型号无人机，适用于不同电压等级、不同类型变电站。
本发明充分考虑变电站电磁场强度和运维巡视需求，在航线规划和自主巡视时，根据电磁场强度和最佳拍摄距离调整航线，避免无人机在巡视时受到变电站电磁场干扰而失控，同时提升无人机巡视质效。
对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，其特征在于，充分考虑变电站电磁场强度和运维巡视需求，在航线规划和自主巡视时，根据电磁场强度和最佳拍摄距离调整航线，避免无人机在巡视时受到变电站电磁场干扰而失控，同时提升无人机巡视质效，其实现步骤如下：
S100、采用包括激光雷达扫描的方式建立高精度变电站三维点云模型，三维模型应具备绝对坐标，并且达厘米级定位精度；
S200、确定变电站电磁环境，首先对变电站进行仿真分析，绘制全站电磁场强度分布图，其次采用电磁场强度测量仪，对变电站设备区n个测试点位的电磁场强度进行测量，最后进行变电站电磁场强度仿真值与实际测量值比对，验证仿真分析的准确性；进而仿真确定变电站满负荷运行时设备区每处区域电场强度E和磁场强度H，绘制满负荷运行时全站电磁场强度分布图，变电站未满负荷运行时，电磁场强度仿真值将低于E和H；
S300、将变电站三维点云模型导入航线规划软件，根据变电站运维巡视需求，在变电站三维点云模型上将包括避雷器、绝缘子、高空构架、一次设备顶部的部件巡检点位标记出来，确定各个设备的无人机巡视点位Pi(i=1,2,3,4……)，完成初步航线规划；
S400、人工调整无人机自主巡视航线，无人机稳定运行的电磁场强度阈值分别为E0和H0，变电站设备无人机巡视拍摄最佳距离L0，结合变电站三维电磁场强分布图，针对已规划的航线进行调整；
S500、复测无人机自主巡视航线，无人机按调整好的航线飞行巡视，验证航线准确性，满足巡视要求；
S600、无人机电磁场强监测，通过在无人机上搭载电磁场场强测量仪，无人机实时监测所处位置的电场强度Ereal和磁场强度Hreal；
S700、无人机自主巡视点位自动调整，无人机依据预设路径到达巡视点位Pi，摄像头朝向巡视设备，由于变电站运行负荷不断变化，以及无人机定位精度误差，此时无人机所处位置的电场强度Ereal≦Eset，磁场强度Hreal≦Hset,且与设备距离Lreal不等于L0；根据电磁场场强测量仪实时测得的数据Ereal和Hreal，以及无人机测得与巡视设备的距离Lreal，无人机自动调整航线，移动至合适的拍摄点位；
S800、在完成步骤S700后，无人机飞回预设点位Pi，按规划好的航线飞向下一个巡视点位Pi+1；
S900、重复步骤S600至S800，直至完成巡视任务；
所述步骤S400的航线调整规则包括：
S401、航线上的电场强度Eset≦90%*E0，且Hset≦90%*H0；
S402、巡视点位P与设备的距离Lset=L0；
S403、巡视点位P与设备的距离Lset接近L0；
调整无人机自主巡视航线优先满足规则S401，其次满足规则S402，最后满足规则S403；
所述步骤S700的航线调整规则包括：
S701、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L>Lset，无人机视角下，无人机向前飞行靠近设备，移动直至Ereal=Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，则无人机停止前进，开始对设备进行拍摄巡视；
S702、如果Ereal<Eset且Hreal<Hset，且L<Lset，无人机视角下，无人机向后飞行远离设备，移动直至Ereal= Eset或Hreal=Hset，或与设备距离Lreal=Lset，开始对设备进行拍摄巡视；
无人机到达巡视点位后，依据规则步骤S701和步骤S702调整巡视点位。
2.根据权利要求1所述的基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，其特征在于，步骤S200中，n根据变电站大小及环境选择。
3.根据权利要求1所述的基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，其特征在于，步骤S400在规划航线时根据电磁场强度和最佳拍摄距离人工调整航线。
4.根据权利要求1所述的基于电磁场分析的变电站无人机自主巡视航线优化方法，其特征在于，步骤S700在巡视点位时无人机根据电磁场强度和最佳拍摄距离自动调整航线。
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| CN102591355A (zh) * | 2012-02-24 | 2012-07-18 | 山东电力研究院 | 无人机电力巡线安全距离检测方法 |
| JP2019153182A (ja) * | 2018-03-05 | 2019-09-12 | 富士通株式会社 | 飛行経路特定プログラム、飛行経路特定方法、飛行制御装置および飛行制御システム |
| CN110488096A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-11-22 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司天生桥局 | 一种电磁场强度测量无人机系统与测量方法 |
| CN111983332A (zh) * | 2020-08-12 | 2020-11-24 | 中航空管系统装备有限公司 | 基于无人机的电磁信号场型校验系统 |
-
2021
- 2021-11-02 CN CN202111285738.3A patent/CN113946163B/zh active Active
Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN102591355A (zh) * | 2012-02-24 | 2012-07-18 | 山东电力研究院 | 无人机电力巡线安全距离检测方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于电磁场计算的输电线路无人机巡检安全飞行区域确定方法;郑天茹;孙立民;娄婷婷;郭翔;刘巧红;;山东电力技术(第02期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113946163A (zh) | 2022-01-18 |
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