CN114326785B

CN114326785B - 无人机变电站飞行检测系统

Info

Publication number: CN114326785B
Application number: CN202111441865.8A
Authority: CN
Inventors: 赵珩; 杨铮; 周二严; 刘跃辉; 惠娟; 孔高辉; 谢宜锦; 张刚毅; 郭旭; 张泰铭; 马振京; 张超磊
Original assignee: State Grid Henan Electric Power Co Xingyang City Power Supply Co
Current assignee: State Grid Henan Electric Power Co Xingyang City Power Supply Co
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2024-02-27
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114326785A

Abstract

本申请涉及无人机变电站飞行检测系统，包括超声波测距电路、双GPS测向电路、数传电路三大部分。首先，超声波测距电路具有强大的发射功率，能够避免输电线路、走廊内树障等大量吸收超声波而产生的信号衰减现象。双GPS测向电路，可以很好地解决无人机在电力巡线时受到电磁干扰的问题，首先能够降低无人机的GPS定位误差，利用差分GPS定位技术，并通过分析差分GPS的数学原理，其次，给出了求解差分后精确坐标的计算方法，还避免了工频线路的电磁干扰。最后，数传电路，采用了高功率基站流动站，通过差分运算后，可以消掉大部分的公共误差，得到高精度的流动站定位信息，然后将定位信息提供给无人机导航，实现无人机厘米级的定位，使其安全地完成巡线工作。

Description

无人机变电站飞行检测系统

技术领域

本申请涉及无人机定位与信号检测领域，具体涉及一种无人机变电站飞行检测系统。

背景技术

输电线路和杆塔是电网系统的重要组成部分，由于电力线路和杆塔长期在野外暴露，经过风吹雨打等自然环境的侵蚀，很容易发生导线断股、螺栓脱落、绝缘子脱落或者覆冰等损伤。由于电网规模的壮大，电网结构的更加复杂，安全问题己经成了不可不考虑的重要因素，只有在安全稳定运行的前提下，电网的发展才有意义，因此各领域对电力行业的稳定、安全运行提出了越来越高的要求，如不及时巡查并排除相关隐患，则很有可能会对电力设备造成不可预期的损伤。

目前电力线路的巡查主要有人工巡检、直升机巡检、爬行机器人巡检三种方式，人工巡查是现阶段运用最广泛的巡查方法，它通常由巡查员爬上电线杆塔，用望远镜和其他辅助观察设备巡查电力线路，然而，人工巡线受到地理、天气等环境因素的制约，导致巡检效率低下，且花费较高。且由于上述三种巡检方式花费较高且效率低下，因此采用多旋翼无人机进行电力巡线。利用多旋翼无人机搭载红外热成像仪、紫外线成像仪等设备进行线路巡检，有着其他巡检方式无法企及的优势：

①由于多旋翼无人机主要由地面人员进行操控，无需随飞机现场巡视，当发生坠机等意外时，不会造成人员的伤亡，安全系数高；

②不受地形地貌的限制，在一些人工难以到达的地方，通过无人机可轻松飞行到该区域进行巡视，甚至在环境灾害发生的地区，依然能够保持巡视受灾区域的电力线路；

③巡检速度快，相比人工巡检效率大大提高；

④多旋翼无人机可垂直起降，垂直起降功能保证无人机可在任意地理位置起飞，不受周围地理环境影响。

传统无人机使用电子罗盘来测向和使用单点 GPS 来定位，由于电力线路附近电磁干扰的存在会导致电子罗盘失灵从而造成无人机测向出错；单点 GPS 定位±2m 的精度不足以应对电力线路附近的复杂环境，巡线时可能会危害到线路的安全。因此，为了将无人机安全地应用于电力巡线，必须要解决两个关键问题：电磁干扰引起的测向精度问题和巡线任务对定位的高精度要求问题。为了解决电力线路的电磁干扰对无人机测向的影响，采用了双天线GPS 测向技术为无人机提供航向。通过载波相位观测的原理，建立了载波相位双差观测方程，得到双差观测矩阵，然后通过最小二乘法算出基线矢量和无人机航向，并解决了将双 GPS 测向系统应用到电力巡线无人机上遇到的问题。

如图1所示，为现有技术的超声波测距驱动电路，共分为供电、升压、切换、控制四个功能单元，利用MSP430F系列芯片作为控制单元的核心，能够提高对超声型号的响应灵敏度，但其整体电路结构庞大，抗干扰能力弱，功耗大，发射效率低，传输误差高。

发明内容

（一）技术问题

1. 现有技术的飞行检测系统，发射功率低，信号传输精度差。

2. 现有技术的飞行检测系统，抗干扰能力弱，定位精度差。

（二）技术方案

针对上述技术问题，本申请提出无人机变电站飞行检测系统，包括超声波测距电路、双GPS测向电路、数据传输电路。

超声波测距电路，通过搭载超声波模块发射和接收超声波测量信号，经过电路三级放大处理，得到超声波模块测量距离上限值、读取超声波模块测量距离上限值等数据信号，并提供给无人机信号处理平台进行处理分析。超声波模块采集到的信号通过电容C2耦合进入放大器U1的同相端，电阻R1对输入信号电平上拉处理，保证输入信号稳定性，电阻R6和电阻R11为放大器U1的反相端提供了差分比较信号，一级放大后的信号输入到放大器U2放大器的同相端，电阻R2和电阻R8为放大器U2的反相端提供分压信号，二级放大信号通过电阻R4和二极管D2输入至放大器U3的同相输入端，二极管D2保证信号单向导通，电阻R3和电阻R10将分压信号输入至放大器U3的反相端，经过三级放大的信号经过电阻R5输出给无人机处理系统进行信号处理。

双GPS测向电路：将差分 GPS 定位信号输入至该级电路进行处理，将求解差分后精确的信号输出给无人机定位处理系统进行信号处理，为巡线无人机设计了路径规划方法并建立了导航模型，之后将差分信号经过变压分流处理的信号，进行处理，最后分别在模拟电路和数字电路中进行变压处理，与不同的电容耦合，经过变压分流处理的信号，通过3个NPN三极管Q1、Q2、Q6和3个PNP三极管Q18、Q19、Q20进行处理，通过电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17进行分压和限流处理，通过功率场效应晶体管Q9对信号进行筛选，经过筛选的模拟信号流入功率场效应晶体管Q8和功率场效应晶体管Q15组成的信号处理电路，达到了隔离处理的目的，保证了信号处理的高效性和准确性，使用基于双 GPS 的测向方式，可以很好地解决无人机在电力巡线时受到电磁干扰的问题。

数据传输电路：放置在无人机上的流动站除了处理自身接收机接收到的观测数据外，还需要接收基站通过数传电台发送的数据，然后利用基站的修正数据修正自身的观测量，或者直接利用基站的原始数据进行载波相位差分运算，由于基站和流动站的距离与GPS 卫星到地球的距离相比非常近，因此 GPS 卫星信号到基站和流动站接收机的传输过程中的空间相关性误差是近似相同的，因此通过差分运算后，可以消掉大部分的公共误差，得到高精度的流动站定位信息，电路关键路径的信号输入后流过场效应晶体管Q11、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q9、场效应晶体管Q13进行升压放大处理，通过三极管Q10进行电流放大，能够提供足够的输入电流，补偿信号传输过程中的损耗，三极管Q6、三极管Q15组成的对称处理电路，对信号进行稳定输出，输出高功率数传信号。

通过超声波测距电路，双GPS测向电路，数据传输电路更加精确的数学模型以实现无人机对电力线的跟踪的硬件电路信号处理，配合软件算法可真正实现无人机变电站飞行检测。

（三）有益效果

本申请提出无人机变电站飞行检测系统，首先，利用超声波测距技术，具有精确度高，误差小，发射功率较高等优势。其次，利用双GPS测向技术，具有抗干扰能力强，定位精度高，传输速率快等优势。

附图说明

图1为现有超声波测距技术的驱动电路。

图2为本申请的超声波测距电路原理图。

图3为本申请的双GPS测向电路原理图。

图4为本申请的数据传输电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

如图2、3、4所示，为本申请提出无人机变电站飞行检测系统，包括超声波测距电路、双GPS测向电路、数传电路。

具体而言，所述超声波测距电路包括输入端口Vin，放大器U1、U2，肖特基二极管D3，4个电容C1、C2、C3、C7，5个电阻R1、R2、R6、R8、R11，所述超声波测距电路中输入端口Vin分别与电容C1的一端、电容C2的一端，电容C1的另一端与高电平VCC连接，电容C2的另一端分别与肖特基二极管D3的负极、电阻R1的一端、电阻R6的一端、放大器U1的1号接口连接，肖特基二极管D3的正极接地，电阻R1的另一端与高电平VCC连接，电阻R6的另一端分别与电阻R111的一端、电容C7的一端、放大器U1的2号接口连接，电阻R11的另一端接地，电容C7的另一端接地，放大器U1的5号接口与高电平VCC连接，放大器U1的3号接口接地，放大器U1的4号接口与放大器U2的1号接口连接，放大器U2的2号接口分别与电阻R2的一端、电阻R8的一端、电容C3的一端连接，电阻R2的另一端与高电平VCC连接，电阻R8的另一端接地，电容C3的另一端接地，放大器U2的5号接口与高电平VCC连接，放大器U2的3号接口接地。所述超声波测距电路包括输出端口Va，放大器U2、U3，二极管D1、D2，3个电容C4、C5、C6，6个电阻R3、R4、R5、R7、R9、R10，所述超声波测距电路中放大器U2的4号接口分别与二极管D1的正极、电阻R4的一端、电容C4的一端连接，二极管D1的负极与高电平VCC连接，电容C4的另一端接地，电阻R4的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极分别与电阻R7的一端、电容C5的一端、放大器U3的1号接口连接，电阻R7的另一端接地，电容C5的另一端接地，放大器U3的2号接口分别与电阻R3的一端、电阻R10的一端、电容C6的一端连接，电阻R3的一端与高电平VCC连接，电阻R10的另一端接地，电容C5的另一端接地，放大器U3的5号接口与高电平VCC连接，放大器U3的3号接口接地，放大器U3的4号接口与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与输出端口Va、电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端接地。

具体而言，所述双GPS测向电路包括输入端口Va，6个三极管Q1、Q2、Q6、Q18、Q19、Q20，5个电阻R14、R15、R16、R17、R20，所述双GPS测向电路中输入端口Va分别与三极管Q6的发射极、三极管Q18的发射极、电阻R14的一端、电阻R16的一端、电阻R15的一端、电阻R17的一端、电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地，电阻R14的另一端分别与三极管Q1的发射极、三极管Q2的基极连接，电阻R15的另一端分别与三极管Q6的基极、三极管Q2的发射极连接，电阻R16的另一端分别与三极管Q19的发射极、三极管Q20的基极连接，电阻R17的另一端分别与三极管Q18的基极、三极管Q20的发射极连接，三极管Q6的集电极与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极与高电平VCC连接，三极管Q2的集电极与高电平VCC连接，三极管Q18的集电极分别与地线、三极管Q19的基极连接，三极管Q19的集电极接地，三极管Q20的集电极接地。所述双GPS测向电路包括输入端口Va，输出端口Vb，二极管D4，3个功率场效应晶体管Q8、Q9、Q15，3个电容C9、C10、C13，7个电阻R12、R13、R18、R19、R23、R24、R25，所述双GPS测向电路中输入端口Va分别与二极管D4的正极、电容C13的一端、功率场效应晶体管Q9的栅极、电阻R19的一端连接，二极管D4的负极与高电平VCC连接，电容C13的另一端接地，电阻R19的另一端分别与功率场效应晶体管Q15的源端、电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端接地，功率场效应晶体管Q15的漏端分别与电阻R13的一端、功率场效应晶体管Q8的栅极连接，电阻R13的另一端与高电平VCC连接，功率场效应晶体管Q15的栅极分别与功率场效应晶体管Q9的源端、电阻R23的一端连接，电阻R23的另一端接地，功率场效应晶体管Q9的漏端分别与电阻R12的一端、电容C9的负极连接，电阻R12的另一端与高电平VCC连接，电容C9的正极与高电平VCC连接，功率场效应晶体管Q8的漏端与高电平VC连接, 功率场效应晶体管Q8的源端分别与电阻R18的一端、电容C10的一端连接，电阻R18的另一端与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端接地，电容C10的另一端与输出端口Vb连接。

具体而言，所述数据传输电路输入端口Vb，由场效应晶体管Q11、Q5、Q3、Q9、Q13，双向钳位二极管D6，电容C10，电阻R12、R22,三极管Q10、Q6、Q15，二极管D5组成，所述数据传输电路中输入端口Vb与场效应晶体管Q11的栅极连接，场效应晶体管Q11的源端分别与场效应晶体管Q5的栅端、双向钳位二极管D6的一端连接，并且与场效应晶体管Q9的栅端连接，双向钳位二极管D6的另一端接地，场效应晶体管Q5的漏端与场效应晶体管Q3的源端、场效应晶体管Q9的源端、晶体管Q10的基极连接，场效应晶体管Q11的漏极与场效应管Q5的源极连接，并且接到VCC，场效应晶体管Q13的源极、电容C10的一端连接，电容C10的另一端接地。所述数据传输电路包括输出端口Vout，2个三极管Q6、Q15，2个场效应晶体管Q16、Q17，二极管D5，1个电容C10，2个电阻R12、R22，所述数传电路中场效应晶体管Q5的漏极分别与场效应晶体管Q3的源极、场效应晶体管Q9的源极、晶体管Q10的基极连接，场效应晶体管Q3的漏端与高电平VCC连接，场效应晶体管Q9的栅端与场效应晶体管Q11的源端连接，场效应晶体管Q13的漏端接地，三极管Q10的发射极分别与晶体管Q15的基极、电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端接地，三极管Q10的集电极分别与电阻R12的一端、三极管Q6的基极连接，电阻R12的另一端接VCC，三极管Q6的发射极与高电平VCC连接，三极管Q6的集电极与二极管D5的一端连接，三极管Q5的集电极与二极管D5的另一端连接，输出端口Vout与三极管Q6的集电极连接。

数据传输电路：放置在无人机上的流动站除了处理自身接收机接收到的观测数据外，还需要接收基站通过数传电台发送的数据，然后利用基站的修正数据修正自身的观测量，或者直接利用基站的原始数据进行载波相位差分运算，由于基站和流动站的距离与GPS 卫星到地球的距离相比非常近，因此 GPS 卫星信号到基站和流动站接收机的传输过程中的空间相关性误差是近似相同的，因此通过差分运算后，可以消掉大部分的公共误差，得到高精度的流动站定位信息，电路关键路径的信号流过场效应晶体管Q11、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q9、场效应晶体管Q13进行信号放大处理，通过功率场效应晶体管Q9能够提供足够的输入电压，补偿信号传输过程中的损耗，三极管Q10、三极管Q10、Q6以及三极管Q15组成的电路，补偿信号的电流输出，电容C10滤除串扰信号，二极管D5稳定输出信号，输出高功率数传信号。

通过超声波测距电路，双GPS测向电路，数传电路更加精确的数学模型以实现无人机对电力线的跟踪的硬件电路信号处理，配合软件算法可真正实现无人机变电站飞行检测。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.无人机变电站飞行检测系统，包括依次连接的超声波测距电路、双GPS测向电路、数据传输电路，其特征在于：所述超声波测距电路包括输入端口Vin，放大器U1、U2、U3，肖特基二极管D3，4个电容C1、C2、C3、C7，5个电阻R1、R2、R6、R8、R11，所述超声波测距电路中输入端口Vin 分别与电容C1的一端、电容C2的一端连接，电容C1的另一端与高电平VCC连接，电容C2的另一端分别与肖特基二极管D3的负极、电阻R1的一端、电阻R6的一端、放大器U1的1号接口连接，肖特基二极管D3的正极接地，电阻R1的另一端与高电平VCC连接，电阻R6的另一端分别与电阻R111的一端、电容C7的一端、放大器U1的2号接口连接，电阻R11的另一端接地，电容 C7的另一端接地，放大器U1的5号接口与高电平VCC连接，放大器U1的3号接口接地，放大器 U1的4号接口与放大器U2的1号接口连接，放大器U2的2号接口分别与电阻R2的一端、电阻R8 的一端、电容C3的一端连接，电阻R2的另一端与高电平VCC连接，电阻R8的另一端接地，电容 C3的另一端接地，放大器U2的5号接口与高电平VCC连接，放大器U2的3号接口接地；

所述双GPS测向电路包括输入端口Va，6个三极管Q1、Q2、Q6、Q18、Q19、Q20，5个电阻R14、R15、R16、R17、R20，所述双GPS测向电路中输入端口Va分别与三极管Q6的发射极、三极管Q18的发射极、电阻R14的一端、电阻R16的一端、电阻R15的一端、电阻R17的一端、电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地，电阻R14的另一端分别与三极管Q1的发射极、三极管Q2的基极连接，电阻R15的另一端分别与三极管Q6的基极、三极管Q2的发射极连接，电阻R16的另一端分别与三极管Q19 的发射极、三极管Q20的基极连接，电阻R17的另一端分别与三极管Q18的基极、三极管Q20的发射极连接，三极管Q6的集电极与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极与高电平VCC连接，三极管Q2的集电极与高电平VCC连接，三极管Q18的集电极分别与地线、三极管Q19的基极连接，三极管Q19的集电极接地，三极管Q20的集电极接地；

所述双GPS测向电路处理输入的差分GPS定位信号，将求解差分后精确的信号输出给无人机定位处理系统进行信号处理，之后将差分信号经过变压分流处理的信号，进行处理，通过3个NPN三极管Q1、Q2、Q6和3个PNP三极管Q18、Q19、Q20进行处理，通过电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17进行分压和限流处理，通过功率场效应晶体管Q9对信号进行筛选，筛选后的模拟信号流入功率场效应晶体管Q8和功率场效应晶体管Q15组成的信号处理电路；

所述数据传输电路包括输出端口Vout，2个三极管Q6、Q15，2个场效应晶体管Q16、Q17，二极管D5， 1个电容C10，2个电阻R12、R22，所述数据传输电路中场效应晶体管Q5的漏极分别与场效应晶体管Q3的源极、场效应晶体管Q9的源极、晶体管Q10的基极连接，场效应晶体管Q3的漏端与高电VCC连接，场效应晶体管Q9的栅端与场效应晶体管Q11的源端连接，场效应晶体管Q13的漏端接地，三极管Q10的发射极分别与晶体管Q15的基极、电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端接地，三极管Q10的集电极分别与电阻R12的一端、三极管Q6的基极连接，电阻R12的另一端接VCC，三极管Q6的发射极与高电平VCC连接，三极管Q6的集电极与二极管D5的一端连接，三极管Q5的集电极与二极管D5的另一端连接，输出端口Vout与三极管Q6的集电极连接；所述数据传输电路输入端口Vb，电路器件由场效应晶体管Q11，场效应晶体管Q5、Q3，双向钳位二极管D6，电容 C10，场效应晶体管Q3，场效应晶体管Q9，场效应晶体管Q13，电阻R12、R22，三极管Q6、Q15 ,所述数据传输电路中输入端口Vb的输入信号通过场效应晶体管Q11的栅极输入，场效应晶体管Q11的源端分别与场效应晶体管Q5的栅端、双向钳位二极管D6的一端连接，双向钳位二极管D6的另一端接地，场效应晶体管Q11的漏极与场效应晶体管Q5的源极连接并且接到VCC，场效应晶体管Q5的漏端分别与场效应晶体管Q3的源端、场效应晶体管Q9的源端、三极管Q10的基极连接，场效应晶体管Q13的栅极与电容C10连接，电容C10的另一端与地连接，三极管Q6的基极与三极管Q10的集电极连接，三极管Q15的基极与三极管Q10的发射极连接，电阻R12的一端与三极管Q6的基极连接，另一端与VCC连接，电阻R22一端与三极管Q10的发射极、Q15的基极连接，另一端与地连接，最后输出信号通过三极管Q6的集电极与二极管一端连接输出 Vout；

所述数据传输电路接收基站通过数传电台发送的数据，然后利用基站的修正数据修正自身的观测量，或者直接利用基站的原始数据进行载波相位差分运算，信号流过场效应晶体管Q11、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q9、场效应晶体管Q13进行信号放大处理，通过功率场效应晶体管Q9能够提供足够的输入电压，补偿信号传输过程中的损耗，三极管Q10、三极管Q10、Q6以及三极管Q15组成的电路，补偿信号的电流输出，电容C10滤除串扰信号，二极管D5稳定输出信号，输出高功率数传信号。

2.根据权利要求1所述的无人机变电站飞行检测系统，其特征在于：所述超声波测距电路还包括输出端口Va，二极管D1、D2，3个电容C4、C5、C6，6个电阻R3、R4、R5、R7、 R9、R10，所述超声波测距电路中放大器U2的4号接口分别与二极管D1的正极、电阻R4的一端、电容C4的一端连接，二极管D1的负极与高电平VCC连接，电容C4的另一端接地，电阻R4的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极分别与电阻R7的一端、电容C5的一端、放大器U3的1号接口连接，电阻R7的另一端接地，电容C5的另一端接地，放大器U3的2号接口分别与电阻R3的一端、电阻R10的一端、电容C6的一端连接，电阻R3的一端与高电平VCC连接，电阻R10的另一端接地，电容C5的另一端接地，放大器U3的5号接口与高电平VCC连接，放大器 U3的3号接口接地，放大器U3的4号接口与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与输出端口Va、电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的无人机变电站飞行检测系统，其特征在于：所述双GPS测向电路包括输出端口Vb，二极管D4，3个功率场效应晶体管Q8、Q9、Q15，3个电容C9、C10、C13，7个电阻R12、R13、R18、R19、R23、R24、R25，所述双GPS测向电路中输入端口Va分别与二极管D4的正极、电容C13的一端、功率场效应晶体管Q9的栅极、电阻R19的一端连接，二极管D4的负极与高电平VCC连接，电容C13的另一端接地，电阻R19的另一端分别与功率场效应晶体管Q15的源端、电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端接地，功率场效应晶体管Q15的漏端分别与电阻R13的一端、功率场效应晶体管Q8的栅极连接，电阻R13的另一端与高电平VCC连接，功率场效应晶体管Q15的栅极分别与功率场效应晶体管Q9的源端、电阻R23的一端连接，电阻R23的另一端接地，功率场效应晶体管Q9的漏端分别与电阻R12的一端、电容C9的负极连接，电阻R12的另一端与高电平VCC连接，电容C9的正极与高电平VCC连接，功率场效应晶体管Q8的漏端与高电平VC连接,功率场效应晶体管Q8的源端分别与电阻R18的一端、电容C10的一端连接，电阻R18的另一端与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端接地，电容C10的另一端与输出端口Vb连接。