CN115202390A - 一种无人机巡检安全距离分析方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机巡检安全距离分析方法，包括：根据直角坐标系模型构建磁感应强度方程；使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。本发明通过利用输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果，并基于此得到无人机在巡检时的最小安全距离，可以大大减少因无人机被磁场干扰而出现失控事故的概率，保护无人机自身和输电线路的安全，显著提高了输电线路巡检效率。

Description

一种无人机巡检安全距离分析方法与系统

技术领域

本发明涉及无人机巡检技术领域，特别是涉及一种无人机巡检安全距离分析方法与系统。

背景技术

使用小型多旋翼无人机巡检系统对架空输电线路开展巡检作业，需要在无人机与地面站之间进行遥测、遥控信号及影像的实时传输，以往部分单位在信号和影像长距离传输的实现方面开展过相关研究。但根据试点应用和相关无人机巡检系统抗电磁干扰性能以及测控距离等试验的结果，即使在较小距离下，无人机巡检系统的数据传输也时常出现丢包、时延较大等现象，并且受交直流线路电压、通信基站、地形环境等影响，无人机巡检系统的通信、飞行控制和任务控制等各模块之间的协调控制响应性能较差，给作业人员对无人机巡检系统位置和姿态控制带来极大困难，实际应用中也因此出现过坠机事故。因此需要提高无人机巡检系统数据链路抗无线电干扰能力，通信、飞行控制和任务控制等各单元之间的电磁兼容性能和协调操控响应性能，以保证作业的安全性。但目前国内外还没有单位开展过相关研究。

输电线路电晕放电形成的辐射电场呈现脉冲形式，对线路周围电磁场进行干扰，有时甚至会产生电晕振动，其振动的动力响应振幅大、频率低且偶然性大，电压等级越高以上问题更明显，并且直流输电工程还存在离子流，另外环境中基站无线电干扰时时存在，而小型多旋翼无人机巡检系统由机体结构件、GPS、IMU、飞控模块、驱动模块、电机、动力控制模块、通讯模块及任务载荷(可见光、红外)等集成而成，系统涉及到较多电子元器件、电源及信号线路，容易受到以上干扰影响。尤其在临近线路巡检工作时，容易出现传输中断、丢包等问题，程度轻微导致操控性能下降，严重时甚至飞行失控。

小型多旋翼无人机巡检对象主要为500kV及以上电压等级输电线路，受任务设备成像性能限制，一般需要抵近线路进行作业，在对中相导线巡检时，可能需在相线之间进行穿越飞行，对线路安全运行存在不同程度的影响。现阶段国内外均缺乏无人机巡检系统对线路电气安全性能影响程度的数据，无法掌握典型小型多旋翼无人机巡检作业时应保持的最小安全距离要求，因此需要研究不同等级运行电压对小型多旋翼无人机影响，在此基础上结合无人机的安全和操控响应性能要求，考虑任务设备技术性能，得到巡检作业安全距离，并研制在保证巡检安全性的基础上对作业方式进行优化。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种无人机巡检安全距离分析方法与系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无人机巡检安全距离分析方法，包括：

建立直角坐标系模型；所述直角坐标系模型是以地面与三相输电线路的中间相电线的正下方交点作为坐标原点，将地面与所述三相输电线路相互垂直的方向作为横轴，竖直向上为纵轴建立的；

根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程；

使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；

根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；

根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。

优选的，所述根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程，包括：

根据毕奥-沙伐定律在直角坐标系模型构建磁感应强度方程；其中，所述磁感应强度方程为：

其中，B表示磁感应强度，μ₀表示磁导率，I表示输电线路流经的电流，R表示无人机距离导线中心轴线的距离，l是围绕导线距离为R的闭合圆，e_R表示与dl方向垂直的矢量。

优选的，所述输电线路磁场模型为：

B表示输电线路在周围空间任一点(x,y)的磁感应强度，μ表示介质磁导率，I表示电流。

优选的，所述根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离，包括：

采用公式：

得到无人机在巡检时的最小安全距离；其中，d₂表示实际的最小安全距离，I₂表示实际线路的电流，I₁表示仿真时模拟线路电流，d₁表示仿真时最小安全距离。

本发明还提供了一种无人机巡检安全距离分析系统，包括：

直角坐标系构建模块，用于建立直角坐标系模型；所述直角坐标系模型是以地面与三相输电线路的中间相电线的正下方交点作为坐标原点，将地面与所述三相输电线路相互垂直的方向作为横轴，竖直向上为纵轴建立的；

磁感应强度方程构建模块，用于根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程；

磁感应强度计算模块，用于使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；

电磁场仿真模块，用于根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；

安全距离确定模块，用于根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。

优选的，所述磁感应强度方程构建模块，包括：

磁感应强度方程构建单元，用于根据毕奥-沙伐定律在直角坐标系模型构建磁感应强度方程；其中，所述磁感应强度方程为：

其中，B表示磁感应强度，μ₀表示磁导率，I表示输电线路流经的电流，R表示无人机距离导线中心轴线的距离，l是围绕导线距离为R的闭合圆，e_R表示与dl方向垂直的矢量。

优选的，所述输电线路磁场模型为：

B表示输电线路在周围空间任一点(x,y)的磁感应强度，μ表示介质磁导率，I表示电流。

优选的，所述安全距离确定模块，包括：

安全距离确定单元，用于采用公式：

得到无人机在巡检时的最小安全距离；其中，d₂表示实际的最小安全距离，I₂表示实际线路的电流，I₁表示仿真时模拟线路电流，d₁表示仿真时最小安全距离。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种无人机巡检安全距离分析方法，包括：以地面与三相输电线路的中间相电线的正下方交点作为坐标原点，将地面与三相输电线路相互垂直的方向作为横轴，竖直向上为纵轴建立直角坐标系模型；根据直角坐标系模型构建磁感应强度方程；使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。本发明通过利用输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果，并基于此得到无人机在巡检时的最小安全距离，可以大大减少因无人机被磁场干扰而出现失控事故的概率，保护无人机自身和输电线路的安全，显著提高了输电线路巡检效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中的一种无人机巡检安全距离分析方法流程图；

图2为本发明提供的实施例中的无人机在不同位置处等效电容图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的目的是提供一种无人机巡检安全距离分析方法与系统，以解决现有无人机在巡检时，容易失控的问题。

请参阅图1，为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种无人机巡检安全距离分析方法，包括：

步骤1：建立直角坐标系模型；所述直角坐标系模型是以地面与三相输电线路的中间相电线的正下方交点作为坐标原点，将地面与所述三相输电线路相互垂直的方向作为横轴，竖直向上为纵轴建立的；

步骤2：根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程；

进一步的，步骤2包括：

表征电流产生磁场能力的物理量称为磁场强度H。同样大小的磁场强度在周围介质中产生的总磁通量或相应的磁感应强度(又称磁通密度，即单位面积的磁通量)，磁感应强度取决于周围空间介质的磁导率μ。若在载流导体周围存在高磁导率的物质(铁磁材料，如变压器线圈带有闭合铁心时)，磁场通常会在磁性物体内高度集中，在铁心中感应出很高的磁通量及相应的磁感应强度。而在空气、钻石、非磁性金属以及自然界的大量非铁磁性物质中，其导磁性能与真空中相同，磁导率(单位磁场强度能产生的磁通量)是常数(μ₀＝4π*10^-7Wb/Am)，铁磁材料的导磁性能通常用相对于真空中磁导率的倍数μ_r来表示，μ_r称为相对磁导率。

总磁通量或磁感应强度与磁场强度成正比。磁通量Φ的计量单位为韦伯(Wb)，磁感应强度B的计量单位为特斯拉(T)，在人体所处环境中，磁感应强度的计量单位一般采用mT或μT。

根据毕奥-沙伐定律在直角坐标系模型构建磁感应强度方程；其中，所述磁感应强度方程为：

其中，B表示磁感应强度，μ₀表示磁导率，I表示输电线路流经的电流，R表示无人机距离导线中心轴线的距离，l是围绕导线距离为R的闭合圆，e_R表示与dl方向垂直的矢量，d表示微分算子。

步骤3：使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；其中，输电线路磁场模型为：

B表示输电线路在周围空间任一点(x,y)的磁感应强度，μ表示介质磁导率，I表示电流。

步骤4：根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；

现有的直流输电工程系统结构可分为两端直流输电系统和多端直流输电系统。两端直流输电系统只有一个整流站和一个逆变站，它与交流系统只有两个接口，是结构最简单的直流输电系统，世界上已运行的直流输电工程普遍采用该种方式。两端直流输电系统又可分为单极、双极和背靠背三种类型，本发明选取双极直流输电系统，并使用ANSYS软件进行仿真分析。

杆塔为5Z2-Z1塔，呼高42m，水平档距420m。导线采用4*LGJ-720/50钢芯铝绞线，直径33.6mm，分裂间距400mm，分裂股数为四分裂，采用十二棱柱的方式排列；地线采用JLB-150铝包钢绞线。绝缘子为500kV复合绝缘子，采用V型串布置，其结构高度为6.2m，两端装设均压环。复合绝缘子伞裙的介电常数取3.5。对金具结构进行简化处理，建模时统一采用长方体代替。两极导线上分别施加+500kV和-500kV运行电压，即可得到±500kV直流输电线路电场强度分布模型。

本发明分别选取导线内侧、外侧和下方0.5m、1.0m、1.5m、3.0m和5.0m处进行测量，其电场强度如下表1所示。

表1±500kV直流输电线路电场分布

由表1可知，每极导线表面处电场强度最大，可达160kV/m以上。以导线为中心向外辐射，电场强度逐渐减小：导线外侧衰减较快，1.0m处衰减至128kV/m，1.5m处衰减至75kV/m，至3.0m处衰减为48kV/m，之后慢慢衰减至0；导线内侧衰减较慢，1.0m处衰减至156kV/m，1.5m处仍达到139kV/m，至3.0m处衰减为73kV/m；导线下方衰减速度介于导线外侧和内侧之间。

输电线路杆塔均做有接地处理，其电位为零。取无人机位于导线内侧、下方和外侧距导线相同距离处，如图2所示。无人机分别位于图中1、2、3处(内侧、下方、外侧)，距导线距离均为d。根据电容公式：

可知，无人机在以上三处与导线的等效电容均相同。考虑无人机与零电位的等效电容：在位置1处，无人机与杆塔塔身构成等效电容C₁，距离为d₁；在位置2处，无人机与大地构成等效电容C₂，距离为d₂；在位置3处，无人机与无限远处构成等效电容C₃，距离为d₃。由于d₁<d₂<d₃，故C₁>C₂>C₃。导线与零电位之间的电压，相当于被无人机与导线的等效电容C、无人机与零电位的等效电容C₁(C₂或C₃)串联分压。因而，在点1、2、3处，电压大小分别为：

U₁＞U₂＞U₃

电场强度正比于电压，故三处的电场大小分别为：

E₁＞E₂＞E₃

由此可知，在距导线相同距离处，导线内侧场强最大，导线下方次之，导线外侧最小。

无人机抵近输电线路巡检作业时，旋翼、脚架以及机身内部电子元器件对线路周围的空间电场分布可能产生一定的影响，尤其是旋翼和脚架，外形为棒状尖端，更易发生电荷聚集和场强畸变现象。

无人机模型为共轴反桨八旋翼型式，碳纤维材质，长0.83m、宽0.83m、高0.57m，机臂前端和脚架模拟金属导体(机臂前端为电机；脚架材质为碳管，属于导体)。将无人机模型置于使用ANSYS软件构建的仿真模型中，得到含无人机的输电线路电场分布表2。

表2

根据上表可知，当无人机位于导线水平方向外侧时，对电场影响比较微弱，大体分布基本无明显变化，仅脚架处的电场稍微增强；当无人机位于导线下方时，对电场影响则相对明显，机身、旋翼和脚架处均有较大幅度的增强，尤其是脚架处，电场较没有无人机时约增强了约1～2倍。如前文所述，导线下方等效电容较外侧更大，电荷在其内的电离和极化更加剧烈，又因无人机脚架(导体)为尖端状，电荷密度高，故该处场强大。

磁场仿真模型与电场仿真中所采用的模型相同。现有的±500kV直流输电线路的输送容量一般为1000MW～2000MW，输送电流为2kA～4kA。仿真时线路两极施加电流3kA。其磁场分布选取导线内侧、外侧和下方0.5m、1.0m、1.5m、3.0m和5.0m处进行测量，其磁场强度如表3。

表3

由于无人机采用磁力计导航，一般情况下，磁力计可以抵抗90uT～100uT的磁场强度。巡检作业过程中，当输电线路产生的磁场足够大，达到磁力计能够抵抗的临界值时，无人机将无法正常作业。根据安培定则可知，线路中电流产生的磁场为环绕导线的同心圆，越接近导线磁场越大。因此，无人机往往表现为被导线吸附。因杆塔材质为钢铁，其导磁性较空气好，故靠近塔身处，磁场强度较空气中大，下方次之，外侧最小。

采用相同方法，对220kV及以上电压等级的输电线路进行电磁场仿真分析，并选取相同位置处，测量其电场强度和磁场强度，如下表4所示。

表4 220kV输电线路电场分布

表5 500kV输电线路电场分布

表6 50kV输电线路电场分布

表7 1000kV输电线路电场分布

表8 ±500kV输电线路电场分布

表9 ±660kV输电线路电场分布

表10 ±800kV输电线路电场分布

表11 ±500kV输电线路磁场分布

表12 ±660kV输电线路磁场分布

表13 ±800kV输电线路磁场分布

步骤5：根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。

由以上仿真结果可知，随着电压等级的提升，输电线路周围空间内的电场强度也随之增强，增强幅度与电压等级提升的幅度大致相当，磁场强度主要受线路电流影响。

由毕奥-沙伐定律，通有电流为I的载流回路在空间某点(x,y)产生的磁感应强度B为：

当电流增大时，磁场强度增大，增大幅度正比于电流大小，如±800kV额定电流为4kA，其磁场强度理论上大约为±500kV线路的1.33倍。

仿真时，模拟线路电流为I₁，对应无人机巡检最小安全距离为d₁。则当实际线路电流为I₂时，最小安全距离d₂应为：

其中，d₂表示实际的最小安全距离，I₂表示实际线路的电流，I₁表示仿真时模拟线路电流，d₁表示仿真时最小安全距离。

本发明通过利用输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果，并基于此得到无人机在巡检时的最小安全距离，可以大大减少因无人机被磁场干扰而出现失控事故的概率，保护无人机自身和输电线路的安全，显著提高了输电线路巡检效率。

本发明还提供了一种无人机巡检安全距离分析系统，包括：

直角坐标系构建模块，用于建立直角坐标系模型；所述直角坐标系模型是以地面与三相输电线路的中间相电线的正下方交点作为坐标原点，将地面与所述三相输电线路相互垂直的方向作为横轴，竖直向上为纵轴建立的；

磁感应强度方程构建模块，用于根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程；

磁感应强度计算模块，用于使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；

电磁场仿真模块，用于根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；

安全距离确定模块，用于根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。

优选的，所述磁感应强度方程构建模块，包括：

磁感应强度方程构建单元，用于根据毕奥-沙伐定律在直角坐标系模型构建磁感应强度方程；其中，所述磁感应强度方程为：

其中，B表示磁感应强度，μ₀表示磁导率，I表示输电线路流经的电流，R表示无人机距离导线中心轴线的距离，l是围绕导线距离为R的闭合圆，e_R表示与dl方向垂直的矢量。

优选的，所述输电线路磁场模型为：

B表示输电线路在周围空间任一点(x,y)的磁感应强度，μ表示介质磁导率，I表示电流。

优选的，所述安全距离确定模块，包括：

安全距离确定单元，用于采用公式：

得到无人机在巡检时的最小安全距离；其中，d₂表示实际的最小安全距离，I₂表示实际线路的电流，I₁表示仿真时模拟线路电流，d₁表示仿真时最小安全距离。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过利用输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果，并基于此得到无人机在巡检时的最小安全距离，可以大大减少因无人机被磁场干扰而出现失控事故的概率，保护无人机自身和输电线路的安全，显著提高了输电线路巡检效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种无人机巡检安全距离分析方法，其特征在于，包括：

建立直角坐标系模型；所述直角坐标系模型是以地面与三相输电线路的中间相电线的正下方交点作为坐标原点，将地面与所述三相输电线路相互垂直的方向作为横轴，竖直向上为纵轴建立的；

根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程；

使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；

根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；

根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。

2.根据权利要求1所述的一种无人机巡检安全距离分析方法，其特征在于，所述根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程，包括：

根据毕奥-沙伐定律在直角坐标系模型构建磁感应强度方程；其中，所述磁感应强度方程为：

其中，B表示磁感应强度，μ₀表示磁导率，I表示输电线路流经的电流，R表示无人机距离导线中心轴线的距离，l是围绕导线距离为R的闭合圆，e_R表示与dl方向垂直的矢量。

3.根据权利要求1所述的一种无人机巡检安全距离分析方法，其特征在于，所述输电线路磁场模型为：

B表示输电线路在周围空间任一点(x,y)的磁感应强度，μ表示介质磁导率，I表示电流。

4.根据权利要求3所述的一种无人机巡检安全距离分析方法，其特征在于，所述根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离，包括：

采用公式：

得到无人机在巡检时的最小安全距离；其中，d₂表示实际的最小安全距离，I₂表示实际线路的电流，I₁表示仿真时模拟线路电流，d₁表示仿真时最小安全距离。

5.一种无人机巡检安全距离分析系统，其特征在于，包括：

直角坐标系构建模块，用于建立直角坐标系模型；所述直角坐标系模型是以地面与三相输电线路的中间相电线的正下方交点作为坐标原点，将地面与所述三相输电线路相互垂直的方向作为横轴，竖直向上为纵轴建立的；

磁感应强度方程构建模块，用于根据所述直角坐标系模型构建磁感应强度方程；

磁感应强度计算模块，用于使用磁感应强度方程计算任意一条输电线路在直角坐标系中任意一点的磁感应强度得到输电线路磁场模型；

电磁场仿真模块，用于根据输电线路磁场模型对输电线路进行电磁场仿真得到输电线路电磁场分布结果；

安全距离确定模块，用于根据输电线路电磁场分布结果得到无人机在巡检时的最小安全距离。

6.根据权利要求5所述的一种无人机巡检安全距离分析系统，其特征在于，所述磁感应强度方程构建模块，包括：

磁感应强度方程构建单元，用于根据毕奥-沙伐定律在直角坐标系模型构建磁感应强度方程；其中，所述磁感应强度方程为：

其中，B表示磁感应强度，μ₀表示磁导率，I表示输电线路流经的电流，R表示无人机距离导线中心轴线的距离，l是围绕导线距离为R的闭合圆，e_R表示与dl方向垂直的矢量。

7.根据权利要求6所述的一种无人机巡检安全距离分析系统，其特征在于，所述输电线路磁场模型为：

B表示输电线路在周围空间任一点(x,y)的磁感应强度，μ表示介质磁导率，I表示电流。

8.根据权利要求7所述的一种无人机巡检安全距离分析系统，其特征在于，所述安全距离确定模块，包括：

安全距离确定单元，用于采用公式：

得到无人机在巡检时的最小安全距离；其中，d₂表示实际的最小安全距离，I₂表示实际线路的电流，I₁表示仿真时模拟线路电流，d₁表示仿真时最小安全距离。

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