CN206757405U - 无人机高压电缆自动巡线系统 - Google Patents

Abstract

一种无人机高压电缆自动巡线系统，属于无人机技术领域。本实用新型的目的是对电缆采用无人机进行自动巡线，有效解决电力巡线过程中无人机与电力线相撞问题的无人机高压电缆自动巡线系统。本实用新型包括放大滤波电路、主控芯片电路、加速度陀螺仪传感器、无线模块电路、电子罗盘电路、电机控制模块、CAN总线芯片、隔离电源模块、485通讯芯片电路、稳压电路模块、隔离模块电源、传感器采集电路、比较器电路、稳态触发电路。本实用新型提出无人机高压电缆自动巡线系统，解决传统技术中采用人工控制无人机巡检测方案效率低下并且易受操作员的主观影响，同时存在无人机与电缆撞线问题。提出一种电力巡线方式，方便定位无人机与电力线之间的距离，有效解决电力巡线过程中无人机与电力线相撞的问题。

Description

无人机高压电缆自动巡线系统

技术领域

本实用新型属于无人机技术领域。

背景技术

无人机也叫作空中机器人，通过手持遥控或者机载计算机程控系统进行操控的无人飞行器，相对于载人飞机，无人机结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于载人飞机不宜执行的任务，如危险区域的侦查、空中救援指挥和遥感监测。目前在电力巡检的无人机主要有四旋翼、无人直升机和固定翼无人机。无人机上可以带有不同载荷来完成更多的功能，例如可见光成像、红外成像等设备来进行线路检测、拍照等。目前的电力巡线无人机一般需要飞控手对其进行遥控控制的方法对电力线进行查找目标故障点；高端的电力巡线无人机采用GPS辅助导航等技术，可以达到悬停增稳的效果。但是以上两种控制方法都需要通过人眼判断悬停和拍摄方位，当拍摄点离飞控手很远的情况时，飞控手无法很好地进行飞行定位，而且很难辨别输电线和无人机拍摄点的距离，如果飞控手判断失误，电力巡线无人机与输电线相撞，就会造成坠机事故。人工控制无人机巡检的方案效率低下并且易受操作员的主管影响，无法精确获得目标图像。

发明内容

本实用新型的目的是对电缆采用无人机进行自动巡线，有效解决电力巡线过程中无人机与电力线相撞问题的无人机高压电缆自动巡线系统。

本实用新型包括放大滤波电路、主控芯片电路、加速度陀螺仪传感器、无线模块电路、电子罗盘电路、电机控制模块、CAN总线芯片、隔离电源模块、485通讯芯片电路、稳压电路模块、隔离模块电源、传感器采集电路、比较器电路、稳态触发电路；

放大滤波电路 ：+12V接隔离模块电源中U11的+12V，-12V接图11中U11的-12V，运放6脚接电阻R5的1脚和电位器R3的2脚可以调节放大倍数，电阻R5的2脚接GND，电位器R3的1脚接+12V，3脚接U1B的7脚，5脚接信号输入，7脚接电阻R6的1脚，电阻R6的2脚接电容C1的1脚、电容C2的1脚、电阻R1的1脚，电容C1的2脚接电阻R7的1脚接运放U1A的3脚，电容C2的2脚、电阻R7的2脚接GND，电阻R1的2脚接电阻R2的1脚接运放U1A的1脚，电阻R2的2脚接电阻R4的1脚接运放U1A的2脚，电阻R4的2脚接GND，运放U1A的1脚输出接二极管D1的1脚，二极管D1的2脚接GND；电阻R6、电容C1、电容C2、电阻R7、运放U1A、电阻R2、电阻R4、电阻R1构成带通滤波器，U1A输出接D1稳压二极管；

主控芯片电路：主控芯片U3的10-13脚以及16脚、18脚、19脚接无线模块电路中J5无线模块的1-8脚，28脚、29脚、30脚、31脚分别接485通讯芯片电路中U8的485芯片的控制引脚4脚、5脚、6脚、3脚，32脚、33脚接CAN总线芯片中U2的CAN通信芯片VP230引脚2脚、1脚，34脚、37脚是程序下载口SWDIO和SWDCLK，接CAN总线芯片中P1的4脚、2脚，5脚、6脚接XTAL1和XTAL2，44脚接R9下拉电阻的1脚，电阻R9的2脚接GND，7脚接R10上拉电阻的1脚，电阻R10的2脚接地，24脚、36脚、48脚、9脚接+3.3V，25脚、41脚、42脚、43脚、45脚、46脚分别接电机控制模块中的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6，21脚、22脚分别接加速度陀螺仪传感器中的J2的3脚和4脚，26脚接加速度陀螺仪传感器中J3的4脚，27脚接电子罗盘电路中U10的15脚，U3的2脚、3脚接加速度陀螺仪传感器中J3的1脚、2脚，23脚、35脚、47脚、8脚接GND；

加速度陀螺仪传感器：加速度陀螺仪传感器U9的1脚接电容C20的1脚接GND，8脚连接电容C20的2脚接+3.3V，10脚接电容C22的1脚，11脚连接电容C22的2脚，23脚和24脚分别接上拉电阻R14的1脚、R15的1脚，电阻R14的2脚、电阻R25的2脚接+3.3V，20脚接电容C21的1脚，18脚接电容C21的2脚，13脚连接滤波电容C23的1脚接+3.3V，电容C23的2脚接GND，接插件J2和J3作为传感器的控制信号，J3的1脚、2脚接主控芯片电路中U3的2脚、3脚，J4连接XW_L、XW_R、XW_H、XW_D四个限位信号；

无线模块电路：1脚接GND，3脚接+3.3V，+3.3V接稳压电路模块的U7的+3.3V，2脚、4-10脚分别接无线模块引脚，接主控芯片电路中U3的13脚、14脚、10脚、16脚、11脚、18脚、12脚、19脚；

电子罗盘电路：+5V接稳压电路模块中U5的+5V，12脚接电容C24的1脚，8脚接电容C24的2脚，10脚接滤波电容C25的1脚，电容C25的2脚接GND，13脚、4脚接电源+5V，2脚接+5V，9脚、11脚接GND，1脚接主控芯片电路中U3的21脚，16脚接主控芯片电路中U3的22脚，15脚接主控芯片电路中U3的15脚；

电机控制模块：P3、P4、P5的3脚、4脚接+5V，P3的1脚、2脚分别接PWM1、PWM2，接主控芯片电路中U3的25脚、41脚，5脚、6脚接GND；P4的1脚、2脚分别接PWM3、PWM4，接主控芯片电路中U3的42脚、43脚，5脚、6脚接GND；P5的1脚、2脚分别接PWM5、PWM6，接主控芯片电路中U3的45脚、46脚，5脚、6脚接GND；

CAN总线芯片：CAN总线芯片U2的1脚、4脚分别接主控芯片电路中U3的33脚、32脚，P1的2脚、4脚分别接主控芯片电路中的37脚、34脚，XTAL1和XTAL2分别接主控芯片电路中U3的5脚、6脚，+5V接稳压电路模块中U5的+5V，+3.3V接稳压电路模块中U7的+3.3V；U2是CAN总线芯片，3脚接电容C3的1脚，C3的2脚接GND，U2的6脚、7脚跨接匹配电阻R8后连接接插件J1，U2的8脚接GND，P1的1脚接+5V，3脚接GND，电容C4的1脚、C7的1脚接GND，C4的2脚、C7的2脚分别接晶振Y1的两端；U2是CAN总线芯片，接插件P1是程序下载接口，晶振Y1接振荡电容C4和C7；

隔离电源模块：隔离电源模块U6的+5V接稳压电路模块中U5的+5V，+5V_2接485通讯芯片电路中U8的+5V_2，U6的14脚接钽电容C10的1脚，C10的2脚接GND，U6的9脚接+5V_2，接钽电容C11的1脚，C11的2脚接GND，U6的11脚接GND_2；14脚接电容C10，1脚接GND，9脚接电容C11输出，11脚接输出GND；

485通讯芯片电路：485通讯芯片的+5V接稳压电路模块中U5的+5V，+5V_2接隔离电源模块中的+5V_2，GND_2接隔离电源模块中的GND_2，U8的3脚、4脚、5脚、6脚分别接主控芯片电路中U3的31脚、28脚、29脚、30脚，U8的1脚接电容C18的1脚接+5V，2脚接电容C18的2脚接GND，8脚接GND，9脚接GND_2，11脚和14脚接一起连接电阻R13的1脚，12脚和13脚接一起连接电阻R13的2脚，连接接插件P2，16脚接电容C19的1脚接+5V_2，15脚接电容C19的2脚接GND_2；485通讯芯片1脚、2脚接电容C18，3-6脚接排阻R12，8脚接GND，16脚和15脚接电容C19两端，9脚接隔离电源GND，引脚12脚、13脚和11脚、14脚分别接电阻R13两端进行电阻匹配，接到通讯接口P2；

稳压电路模块：稳压芯片U4的+15V接U5的+15V，U5的+5V接U7的+5V，防反接二极管D2的1脚连接+24V，2脚连接瞬态抑制二极管D3的1脚和电解电容C5的1脚，接稳压芯片U4的1脚，稳压芯片U4的3脚接电解电容C6的1脚，输出+15V；瞬态抑制二极管D3的2脚和电解电容C5的2脚接GND；稳压芯片U5的1脚接+15V，3脚输出+5V，2脚接GND，电解电容C8的1脚接+15V，2脚接GND，电解电容C9的1脚接+5V，2脚接GND；稳压芯片U7的1脚接+5V，3脚输出+3.3V，2脚接GND，电解电容C12的1脚接+5V，2脚接GND，电解电容C13的1脚接+3.3V，2脚接GND；防反接二极管D2连接瞬态抑制二极管D3和滤波电容C5，接电源芯片U4，3脚接滤波电容C6，输出稳压；U5稳压，C8和C9作为电源滤波电容；U7稳压，C12和C13作为电源滤波电容；

隔离模块电源：+24V连接稳压电路模块中的+24V，-12V连接放大滤波电路中-12V，+12V连接放大滤波电路中的+12V，钽电容C26的1脚接+24V，2脚接GND进行电源滤波，+24V经过隔离模块U11得到正电压+12V和负电压-12V，钽电容C27的1脚、C29的2脚接GND，独石电容C28的1脚、C30的1脚接GND，钽电容C27的2脚和电容C28的2脚接-12V，钽电容C29的1脚和电容C30的2脚接+12V；

传感器采集电路：非门U12A的1脚接电阻R17的1脚，电容C32的1脚接J1的1脚接电阻R17的1脚，U12A的2脚接电阻R17的2脚，接电容C33的1脚、C31的1脚，电容C32的2脚、电容C33的2脚接GND，电容C31的2脚接比较器电路图中U13的5脚；

比较器电路：+5V接稳压电路模块中U5的+5V，U13的1脚接电阻R18的1脚，接稳态触发电路中的U14B的11脚，2脚接电阻R19的1脚，14脚接电阻R20的1脚，13脚接电阻R21的1脚，电阻R19的2脚、电阻R18的2脚、电阻R20的2脚、电阻R21的2脚接+5V，3脚接+5V，4脚、6脚、8脚、10脚接GND，12脚接GND；

稳态触发电路：+5V接稳压电路模块中U5的+5V，U14B的11脚接比较器电路中U13的2脚，14脚接电阻R22的1脚、电容C34的1脚，电阻R22的2脚接+5V，15脚接电容C34的2脚，12脚接10脚，13脚接+5V，9脚接加速度陀螺仪传感器中U3的38脚。

本实用新型无人机巡检流程是：

（1）开始时，系统进行初始化，上电后，稳压电路工作，将外部电池提供的+24V转化为+15V、+5V和+3.3V提供给其它电路，分别给放大滤波电路、主控芯片电路、加速度陀螺仪传感器电路、无线模块电路、电子罗盘电路、电机控制模块电路、CAN总线芯片电路、隔离电源模块电路、485通讯芯片电路、隔离模块电源电路、传感器采集电路图、比较器电路、稳态触发电路图供电，满足系统的正常运行；

（2）在进行硬件初始化和基准校验过程中，主控芯片按步骤对电路部分进行硬件测试及校验；

①当主控芯片采集加速度陀螺仪传感器处于安全运行状态后，进入硬件初始化及基准校验程序，在硬件初始化中，先对无线模块进行数据通讯，主控芯片通过无线模块与地面控制台发送数据进行简单通讯，表明无人机与地面控制台能够进行数据通讯；

②启动电子罗盘进行方向校正，电子罗盘采集方向信息后通过无线模块传输到地面控制台，地面控制台操作人员能够通过无人机传输回来的信息判定是否处于无人机是否需要进行方向校正；

③主控芯片运行电机控制模块，测试电机性能，并将运行状态通过无线模块发送给地面控制台，地面控制台来确定电机是否满足运行条件；

④传感器通过传感器采集电路来输出采集到的信息，传感器感应电力线周围的电场，形成感应电动势，此感应电动势通过传感器采集电路输出不同的正弦波形，然后经过比较器电路得到不同的脉宽波形，然后通过稳态触发电路进行脉冲整形，得到边沿平滑的脉冲，主控芯片通过获取不同频率的脉冲值，来获取传感器感应到的电场强度，从而得到距离电力线中心的位置，同时主控芯片还能判定传感器是否工作正常；

（3）等待系统进行硬件初始化和基准校验完成后，系统处于待机状态；

（4）启动无人机后，主控芯片加载调节参数，同时启动电场强度传感器对电力线周围的电场强度进行实时监测，同时将检测到的电场强度值传输给主控芯片，以及地面控制台；

（5）无人机在运行时，读取地面控制台的控制信号，如果没有地面控制信号，运行自动控制模式；地面控制台选择两种模式：无人机工作在自动控制模式或者远程控制模式，

①当选择无人机工作在远程控制模式时，主控芯片根据距离值与地面控制台的按键控制命令，控制无人机的飞行方向和速度；当无人机巡线过程中距离电力线过近时，此时无人机控制手通过地面控制台发送控制命令，通过无线模块发送命令给主控芯片调整无人机的飞行速度和飞行方向；

②当无人机工作在自动控制模式时，主控芯片调取内部存储的数据信息，并对采集的电场强度值进行检测，通过比较预存数据与采集数据值，便能够得到对应的位置信息；然后通过电场强度值，来分析距离电力线的距离；

（6）读取陀螺仪的信号，并且调整飞行方向和飞行高度；

（7）计算飞行姿态，由于环境具有复杂性，主控芯片通过读取陀螺仪传感器、电子罗盘、传感器采集电路的数据，获知无人机的飞行高度、运行速度、运行方向，然后主控芯片判定无人机飞行角度、飞行位置，从而控制电机驱动模块，控制不同电机状态来控制无人机飞行状态；

（8）判断是否关闭，如果地面控制台通过无线模块发送给主控芯片停止的信号，无人机判定运行结束，降低飞行速度，逐渐降落到地面；如果主控芯片没有通过无线模块采集到运行停止的信号，系统继续运行，通过陀螺仪传感器、电子罗盘、传感器采集电路来分析运行状态、距离电力线的距离，如果距离电力线远，通过电机驱动模块调整不同电机状态，使无人机接近电力线。

本实用新型提出无人机高压电缆自动巡线系统，解决传统技术中采用人工控制无人机巡检测方案效率低下并且易受操作员的主观影响，同时存在无人机与电缆撞线问题。提出一种电力巡线方式，方便定位无人机与电力线之间的距离，有效解决电力巡线过程中无人机与电力线相撞的问题。本实用新型应用云端控制台可以预先设定安全距离信息，无人机始终保持与电力线的距离大于或等于D，当接近或者小于安全距离D后，控制器发出报警信息，地面控制台接收此信息后，重新进行距离设定，或者改变飞行速度与飞行方向。在利用电场强度检测模块检测电场强度时，根据云端控制台预存的电场强度分布曲线可以获取无人机与电力线的距离信息，通过对距离的检测可以有效解决电力巡线中，飞控操作手的主观因素，当从地面观测高空时，难以确定电力线与无人机的距离信息，从而造成电力巡线无人机与输电线相撞的问题，该技术方案利用现有电力线周围的电场强度的特性曲线，精确获知无人机与电力线的距离信息。

由于北方和南方的天气因素差异很大，北方冬季，遇到雨雪天气，无人机从电力线上方俯视电力线，由于电力线与地面颜色接近，很难分辨电力线与无人机的距离，极容易发生撞机事故，而且无人机在电力线下方，摄像头能够以仰视角度观测电力线，电力线与天空形成的对比图可以明显区区分电力线，方便检测电力线。无人机在电力线下方巡线，测距模块时时检测周围情况，如果遇到塔架，确定塔架信息便会绕过塔架，之后继续巡线。

附图说明

图1是放大滤波电路图；

图2是主控芯片电路图；

图3是加速度陀螺仪传感器电路图；

图4是无线模块电路图；

图5是电子罗盘电路图；

图6是电机控制模块电路图；

图7是CAN总线芯片电路图；

图8是隔离电源模块电路图；

图9是485通讯芯片电路图；

图10是稳压电路模块图；

图11是隔离模块电源图；

图12是传感器采集电路图；

图13是比较器电路图；

图14是稳态触发电路图；

图15是系统结构框图；

图16是传感器测头示意图；

图17是飞行器工作流程图；

图18是高压输电线路的实际物理形状；

图19是巡线方式图。

具体实施方式

本实用新型包括放大滤波电路、主控芯片电路、加速度陀螺仪传感器、无线模块电路、电子罗盘电路、电机控制模块、CAN总线芯片、隔离电源模块、485通讯芯片电路、稳压电路模块、隔离模块电源、传感器采集电路、比较器电路、稳态触发电路；

放大滤波电路（图1） ：+12V接隔离模块电源（图11）中U11的+12V，-12V接图11中U11的-12V，运放6脚接电阻R5的1脚和电位器R3的2脚可以调节放大倍数，电阻R5的2脚接GND，电位器R3的1脚接+12V，3脚接U1B的7脚，5脚接信号输入，7脚接电阻R6的1脚，电阻R6的2脚接电容C1的1脚、电容C2的1脚、电阻R1的1脚，电容C1的2脚接电阻R7的1脚接运放U1A的3脚，电容C2的2脚、电阻R7的2脚接GND，电阻R1的2脚接电阻R2的1脚接运放U1A的1脚，电阻R2的2脚接电阻R4的1脚接运放U1A的2脚，电阻R4的2脚接GND，运放U1A的1脚输出接二极管D1的1脚，二极管D1的2脚接GND；电阻R6、电容C1、电容C2、电阻R7、运放U1A、电阻R2、电阻R4、电阻R1构成带通滤波器，U1A输出接D1稳压二极管；由于电磁传感器测头线圈回路两端产生的感应电动势信号比较微弱，必须经过放大增大其幅值；为减少电磁干扰，对信号进行带通滤波，中心频率f₀ = 50Hz，带宽B = 10Hz；最后，用稳压二极管将信号电压限制在AD采样范围内。

主控芯片电路（图2）：主控芯片U3的10-13脚以及16脚、18脚、19脚接无线模块电路（图4）中J5无线模块的1-8脚，28脚、29脚、30脚、31脚分别接485通讯芯片电路（图9）中U8的485芯片的控制引脚4脚、5脚、6脚、3脚，32脚、33脚接CAN总线芯片（图7）中U2的CAN通信芯片VP230引脚2脚、1脚，34脚、37脚是程序下载口SWDIO和SWDCLK，接CAN总线芯片（图7）中P1的4脚、2脚，5脚、6脚接XTAL1和XTAL2，44脚接R9下拉电阻的1脚，电阻R9的2脚接GND，7脚接R10上拉电阻的1脚，电阻R10的2脚接地，24脚、36脚、48脚、9脚接+3.3V，25脚、41脚、42脚、43脚、45脚、46脚分别接电机控制模块（图6）中的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6，21脚、22脚分别接加速度陀螺仪传感器（图3）中的J2的3脚和4脚，26脚接加速度陀螺仪传感器（图3）中J3的4脚，27脚接电子罗盘电路（图5）中U10的15脚，U3的2脚、3脚接加速度陀螺仪传感器（图3）中J3的1脚、2脚，23脚、35脚、47脚、8脚接GND。

加速度陀螺仪传感器（图3）：加速度陀螺仪传感器U9的1脚接电容C20的1脚接GND，8脚连接电容C20的2脚接+3.3V，10脚接电容C22的1脚，11脚连接电容C22的2脚，23脚和24脚分别接上拉电阻R14的1脚、R15的1脚，电阻R14的2脚、电阻R25的2脚接+3.3V，20脚接电容C21的1脚，18脚接电容C21的2脚，13脚连接滤波电容C23的1脚接+3.3V，电容C23的2脚接GND，接插件J2和J3作为传感器的控制信号，J3的1脚、2脚接主控芯片电路（图2）中U3的2脚、3脚，J4连接XW_L、XW_R、XW_H、XW_D四个限位信号。

无线模块电路（图4）：1脚接GND，3脚接+3.3V，+3.3V接稳压电路模块（图10）的U7的+3.3V，2脚、4-10脚分别接无线模块引脚，接主控芯片电路（图2）中U3的13脚、14脚、10脚、16脚、11脚、18脚、12脚、19脚；无线模块实现云端控制台与地面控制台的数据通讯、控制功能。

电子罗盘电路（图5）：+5V接稳压电路模块（图10）中U5的+5V，12脚接电容C24的1脚，8脚接电容C24的2脚，10脚接滤波电容C25的1脚，电容C25的2脚接GND，13脚、4脚接电源+5V，2脚接+5V，9脚、11脚接GND，1脚接主控芯片电路（图2）中U3的21脚，16脚接主控芯片电路（图2）中U3的22脚，15脚接主控芯片电路（图2）中U3的15脚；此模块为电子罗盘，能够输出数字信号，方便识别偏离方向。

电机控制模块（图6）：P3、P4和P5为电机控制模块，控制飞行器的电机转速，P3、P4、P5的3脚、4脚接+5V，P3的1脚、2脚分别接PWM1、PWM2，接主控芯片电路（图2）中U3的25脚、41脚，5脚、6脚接GND；P4的1脚、2脚分别接PWM3、PWM4，接主控芯片电路（图2）中U3的42脚、43脚，5脚、6脚接GND；P5的1脚、2脚分别接PWM5、PWM6，接主控芯片电路（图2）中U3的45脚、46脚，5脚、6脚接GND。

CAN总线芯片（图7）：CAN总线芯片U2的1脚、4脚分别接主控芯片电路（图2）中U3的33脚、32脚，P1的2脚、4脚分别接主控芯片电路（图2）中的37脚、34脚，XTAL1和XTAL2分别接主控芯片电路（图2）中U3的5脚、6脚，+5V接稳压电路模块（图10）中U5的+5V，+3.3V接稳压电路模块（图10）中U7的+3.3V；U2是CAN总线芯片，3脚接电容C3的1脚，C3的2脚接GND，U2的6脚、7脚跨接匹配电阻R8后连接接插件J1，U2的8脚接GND，P1的1脚接+5V，3脚接GND，电容C4的1脚、C7的1脚接GND，C4的2脚、C7的2脚分别接晶振Y1的两端；U2是CAN总线芯片，接插件P1是程序下载接口，晶振Y1接振荡电容C4和C7。

隔离电源模块（图8）：隔离电源模块U6的+5V接稳压电路模块（图10）中U5的+5V，+5V_2接485通讯芯片电路（图9）中U8的+5V_2，U6的14脚接钽电容C10的1脚，C10的2脚接GND，U6的9脚接+5V_2，接钽电容C11的1脚，C11的2脚接GND，U6的11脚接GND_2；14脚接电容C10，1脚接GND，9脚接电容C11输出，11脚接输出GND。

485通讯芯片电路（图9）：485通讯芯片的+5V接稳压电路模块（图10）中U5的+5V，+5V_2接隔离电源模块（图8）中的+5V_2，GND_2接隔离电源模块（图8）中的GND_2，U8的3脚、4脚、5脚、6脚分别接主控芯片电路（图2）中U3的31脚、28脚、29脚、30脚，U8的1脚接电容C18的1脚接+5V，2脚接电容C18的2脚接GND，8脚接GND，9脚接GND_2，11脚和14脚接一起连接电阻R13的1脚，12脚和13脚接一起连接电阻R13的2脚，连接接插件P2，16脚接电容C19的1脚接+5V_2，15脚接电容C19的2脚接GND_2；485通讯芯片1脚、2脚接电容C18，3-6脚接排阻R12，8脚接GND，16脚和15脚接电容C19两端，9脚接隔离电源GND，引脚12脚、13脚和11脚、14脚分别接电阻R13两端进行电阻匹配，接到通讯接口P2。

稳压电路模块（图10）：稳压芯片U4的+15V接U5的+15V，U5的+5V接U7的+5V，防反接二极管D2的1脚连接+24V，2脚连接瞬态抑制二极管D3的1脚和电解电容C5的1脚，接稳压芯片U4的1脚，稳压芯片U4的3脚接电解电容C6的1脚，输出+15V；瞬态抑制二极管D3的2脚和电解电容C5的2脚接GND；稳压芯片U5的1脚接+15V，3脚输出+5V，2脚接GND，电解电容C8的1脚接+15V，2脚接GND，电解电容C9的1脚接+5V，2脚接GND；稳压芯片U7的1脚接+5V，3脚输出+3.3V，2脚接GND，电解电容C12的1脚接+5V，2脚接GND，电解电容C13的1脚接+3.3V，2脚接GND；防反接二极管D2连接瞬态抑制二极管D3和滤波电容C5，接电源芯片U4，3脚接滤波电容C6，输出稳压；U5稳压，C8和C9作为电源滤波电容；U7稳压，C12和C13作为电源滤波电容。

隔离模块电源（图11）：+24V连接稳压电路模块（图10）中的+24V，-12V连接放大滤波电路（图1）中-12V，+12V连接放大滤波电路中的+12V，钽电容C26的1脚接+24V，2脚接GND进行电源滤波，+24V经过隔离模块U11得到正电压+12V和负电压-12V，钽电容C27的1脚、C29的2脚接GND，独石电容C28的1脚、C30的1脚接GND，钽电容C27的2脚和电容C28的2脚接-12V，钽电容C29的1脚和电容C30的2脚接+12V；从而保证运放在直流信号输入时，仍然能够正常工作。但此模块的输出功率较小，对于运放供电可以满足，但再有其它模块需要正负电源时，则要考虑模块并接或者更换模块，注意模块输入输出要增加滤波电容，减少纹波。

传感器采集电路（图12）：非门U12A的1脚接电阻R17的1脚，电容C32的1脚接J1的1脚接电阻R17的1脚，U12A的2脚接电阻R17的2脚，接电容C33的1脚、C31的1脚，电容C32的2脚、电容C33的2脚接GND，电容C31的2脚接比较器电路（图13）中U13的5脚。

比较器电路（图13）：+5V接稳压电路模块（图10）中U5的+5V，U13的1脚接电阻R18的1脚，接稳态触发电路中的U14B的11脚，2脚接电阻R19的1脚，14脚接电阻R20的1脚，13脚接电阻R21的1脚，电阻R19的2脚、电阻R18的2脚、电阻R20的2脚、电阻R21的2脚接+5V，3脚接+5V，4脚、6脚、8脚、10脚接GND，12脚接GND。

稳态触发电路（图14）：+5V接稳压电路模块（图10）中U5的+5V，U14B的11脚接比较器电路（图13）中U13的2脚，14脚接电阻R22的1脚、电容C34的1脚，电阻R22的2脚接+5V，15脚接电容C34的2脚，12脚接10脚，13脚接+5V，9脚接加速度陀螺仪传感器（图3）中U3的38脚。

传感器测头

根据磁感应电动势的产生原理，将线圈放置在通有交变电流的导线附近，线圈中将产生感应电动势，图16为传感器测头示意图，传感器连个接线端连接图12中的J1，其中，L为具有软磁磁芯的的密绕电感线圈。

电磁传感器导航方法

相对值检测

根据比奥-沙伐定律以及法拉第电磁感应定律，把一个截面积为S，N匝的线圈置于无限长的通有交变电流的导线旁边，则线圈回路的两端将产生感应电动势

式中， 为线圈中的感应电动势，单位为V； 为通过线圈的磁通量，Wb；为线圈截面的法线与磁场方向的夹角，rad；B为磁感应强度，T；S为线圈截面积，m2；N为线圈的匝数；r为线圈偏离导线的距离，m；dI/dt为导线电流的变化率，A/s。

高压输电线路可视为通有交变电流的长直导线，在其周围放置电磁传感器测头，其感应电动势 的大小和电流的变化率dI/dt、线圈的匝数N、线圈的截面积S、线圈轴线与导线的夹角 以及线圈与导线的距离r有关。若想通过测量每个电磁传感器测头感应电动势的绝对值来推算测头与高压输电导线的位姿关系，则各参数间的相互影响太复杂，很难得到理想结果。为此，采用“相对值检测”思路，即设计一组传感器测头，使其dI/dt、N、S、 均相等，则 仅与r有关。即在传感器测头中，值最大的传感器测头距离高压输电导线最近，值最大的传感器测头距离高压输电导线最近。用这种相对值检测方法，设计合理的传感器测头阵列组，即可以确定高压输电导线的位姿状态。

本实用新型无人机巡检流程是：

具体流程图如图17所示。程序通过不断采集陀螺仪信号与飞行控制信号，经过PI调节后输出给无刷直流电机控制器，实现无控制信号时的悬停功能和有控制信号时的平稳飞行。

1).开始时，系统进行初始化，上电后，图10稳压电路工作，将外部电池提供的+24V转化为+15V、+5V和+3.3V提供给其它电路，分别给图1放大滤波电路、图2主控芯片电路、图3加速度陀螺仪传感器电路、图4无线模块电路、图5电子罗盘电路、图6电机控制模块电路、图7中CAN总线芯片电路、图隔离电源模块电路、图9中485通讯芯片电路、图11隔离模块电源电路、图12传感器采集电路图、图13比较器电路图、图14稳态触发电路图供电，满足系统的正常运行。主控芯片图2通过图3中加速度陀螺仪传感器采集无人机状态信息，本结构中采用的陀螺仪传感器不仅可以作为指示仪表，更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可以作为信号传感器，陀螺仪能够提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，主控芯片图2可以直接利用这些信号完成航向的姿态控制和轨道控制。主控芯片图2采集到陀螺仪输出信号，当陀螺仪输出无人机处于水平稳定、速度平稳、安全距离信号时，提示无人机满足飞行条件，主控芯片图2判定可以进行飞行试验，处于待机状态；

2).在进行硬件初始化和基准校验过程中，主控芯片图2按步骤对电路部分进行硬件测试及校验。

①当图2主控芯片采集图3中加速度陀螺仪传感器处于安全运行状态后，进入硬件初始化及基准校验程序，在硬件初始化中，先对图4中无线模块进行数据通讯，本结构采用的无线收发模块采用FSK调制模式，支持数据透明传输，内置软硬件看门狗，在工业中应用较为普遍，适合应用于室外恶劣环境，在无人机上进行无线通讯应用较为普遍。主控芯片图2通过图4中无线模块与地面控制台发送数据进行简单通讯，表明无人机与地面控制台能够进行数据通讯；

启动图5电子罗盘进行方向校正，本结构采用的电子罗盘为三轴捷联磁阻式数字磁罗盘，这种电子罗盘具有抗摇动和抗振性、航向精度较高、对干扰场有电子补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优点，利用载波测量技术和快速求解模糊度技术，精确计算出运动载体的方位角，同时可以输出俯仰角、位置、速度以及UTC等信息，同时也可以给出静止状态的航向信息。电子罗盘采集方向信息后通过图4中无线模块传输到地面控制台，地面控制台操作人员能够通过无人机传输回来的信息判定是否处于无人机是否需要进行方向校正，如果需要进行方向校正，就通过无线模块图4将数据校正信息发送给主控芯片，主控芯片图2对数据进行校正，如果不需要进行数据校正，那么主控芯片图2存储原有数据；

主控芯片图2运行图6电机控制模块，测试电机性能，电机采用KV800，这种电机绕线匝数相对少，最高输出电流小、扭力大，能够带动的螺旋桨也比较大，拉力较大，就能带动较重的载荷。主控芯片图2输出PWM驱动图6电机控制模块带动电机，测试电机运行状态，并将运行状态通过无线模块图4发送给地面控制台，地面控制台来确定电机是否满足运行条件，如果有电机损坏或者与其他电机运行状态不一致，或者驱动模块有问题，都能够通过地面控制台反馈得到信息，从而保证电机的运行状态可靠稳定。

图16传感器通过图12传感器采集电路来输出采集到的信息，传感器感应电力线周围的电场，形成感应电动势，此感应电动势通过传感器采集电路输出不同的正弦波形，然后经过图13比较器电路得到不同的脉宽波形，此脉宽波形能够反映出不同的频率值变化，然后通过图14稳态触发电路进行脉冲整形，得到边沿平滑的脉冲，主控芯片图2通过获取不同频率的脉冲值，来获取传感器感应到的电场强度，从而得到距离电力线中心的位置。同时主控芯片图2还能判定传感器是否工作正常，如果工作不正常，及时将错误信息通过无线模块图4反馈给地面控制台，地面控制台进行处理，防止无人机升空后错误信息。这里预先将电力线的电场强度分布曲线存储到无人机的主控芯片图2内。首先通过现有技术的测试方式，得到各种电力线的电场强度分布曲线，将曲线信息存储到无人机的主控芯片内，无人机升空后根据电场强度分布曲线来获知距离电力线的具体距离。

3).等待系统进行硬件初始化和基准校验完成后，系统处于待机状态。此时主控芯片图2通过无线模块图4检测是否有启动信号，如果地面控制台判定无人机上电路运行正常，便可以发送启动信号。当主控芯片图2通过无线模块图4检测到启动信号后，主控芯片图2控制电场强度检测传感器图16开始检测电力线周围的电场强度值；主控芯片图2读取图3加速度陀螺仪传感器信息、读取图5电子罗盘信息；同时主控芯片图2驱动电机控制模块启动电机运转。

4).启动无人机后，主控芯片图2加载调节参数，同时启动电场强度传感器图16对电力线周围的电场强度进行实时监测，同时将检测到的电场强度值传输给主控芯片图2，以及地面控制台。主控芯片图2根据电场强度检测传感器图16检测到的电场强度值和电力线的电场强度分布曲线调取对应的检测点与电力线的距离值；通过检测到的电场强度值和主控芯片图2内预存的相应电力线周围的工频电场强度分布曲线可以得到相应的检测点处距离电力线的距离。同时，主控芯片图2将该距离值发送到地面控制台上进行显示，地面控制台可以通过显示了解无人机与电力线的距离，从而结合地面控制台上的控制按键对无人机进行控制，防止无人机出现撞线的事故。如果没有启动无人机的话，无人机工作在低功耗模式，减少电池电量的消耗，使无人机能够工作更长时间。

5).无人机在运行时，读取地面控制台的控制信号，如果没有地面控制信号，运行自动控制模式。

地面控制台可以选择无人机工作在自动控制模式或者远程控制模式，当选择无人机工作在远程控制模式时，主控芯片图2根据距离值与地面控制台的按键控制命令，控制无人机的飞行方向和速度。当无人机巡线过程中距离电力线过近时，此时无人机控制手通过地面控制台发送控制命令，通过无线模块图4发送命令给主控芯片图2调整无人机的飞行速度和飞行方向，当无人机距离电力线距离越来越近，就要降低无人机的飞行速度，或者改变无人机的飞行方向，控制无人机与电力线之间的距离变大或者保持不变，始终确保无人机与电力线的安全距离，当无人机与电力线的距离变大时，通过调整地面控制台的按键命令，使无人机再接近电力线；

当无人机工作在自动控制模式时，主控芯片图2调取内部存储的数据信息，并对采集的电场强度值进行检测，通过比较预存数据与采集数据值，便能够得到对应的位置信息。然后通过电场强度值，来分析距离电力线的距离，当距离较远时，采集的电场强度值变弱，主控芯片图2控制电机驱动模块的方向和速度，使无人机慢慢靠近电力线，当采集的电场强度值变强，表明无人机距离电力线位置过近，主控芯片图2通过控制电机驱动模块的方向和速度，慢慢远离电力线。同时系统检测各个模块的参数，并且通过无线模块图4将数据信息时时发送给地面控制台，当有模块工作异常时，及时将错误信息发送给地面，地面控制台便能够检测系统的运行状态，一旦报错，便可以通过降低速度、改变方向等办法，使无人机远离电力线从而防止无人机撞线。

6).读取陀螺仪的信号，并且调整飞行方向和飞行高度；如果检测到控制停止信号，使无人机停止工作，那么输出信号使电机速度逐渐降低，无人机逐渐降落到地面，完成巡检过程；如果没有检测到控制停止信号，系统运行在自动控制状态。

7).计算飞行姿态，由于环境具有复杂性，主控芯片图2通过读取陀螺仪传感器图3、电子罗盘图5、传感器采集电路图12的数据，获知无人机的飞行高度、运行速度、运行方向，然后主控芯片图2判定无人机飞行角度、飞行位置，从而控制电机驱动模块，控制不同电机状态来控制无人机飞行状态。

8).判断是否关闭，如果地面控制台通过无线模块4发送给主控芯片图2停止的信号，无人机判定运行结束，降低飞行速度，逐渐降落到地面；如果主控芯片图2没有通过无线模块图4采集到运行停止的信号，系统继续运行，通过陀螺仪传感器图3、电子罗盘图5、传感器采集电路图12来分析运行状态、距离电力线的距离，如果距离电力线远，通过电机驱动模块调整不同电机状态，使无人机接近电力线。如果距离电力线距离过近，通过电机驱动模块调整不同电机状态，使无人机远离电力线。主控芯片图2运行在自动控制模式，采集传感器图3、电子罗盘图5、传感器采集电路图12的信号，进行判断后控制电机驱动模块调整电机状态，如此循环，完成巡检过程。

无人机采取在电力线下方的方式进行巡线，采用此种方式，以蓝天作为背景，可以避免无人机在电力线上方巡线时，地面环境引入的干扰。另外无人机在电力线下方巡线，如果无人机出现故障，直接落回到地面，不会对电力线产生威胁，防止无人机撞线发生危险。此控制方案有效防止无人机电力巡线过程中的撞线事故，有效提高无人机巡线的安全性和实用性。利用电场强度检测传感器对电力线周围的电场强度值进行实时监测，通过检测的电场强度值和电场强度分布曲线得到无人机与电力线的距离值并将距离值时时发送给无人机控制手，使得无人机控制手根据该距离值可以时刻调整无人机的飞行速度和飞行方向，确保无人机与电力线的安全距离。

由于高压输电线路的物理结构特征，其实际形状为，中间下凹，在靠近杆塔的两端则相对中间要高出许多，其形状如图18所示。

从图18中可以看出两个杆塔之间的距离较长，导线由于重力而下凹，这样造成飞行器的行走中必然有下坡、上坡等运动，但是由于飞行器的尺寸与导线的长度相比很小，那么飞行器可以看做是一个质点，在行走时的上坡以及下坡的运动的过程中，可以采取多个传感器，如图19所示，1、2、4、5为传感器，此传感器位置即为图12中传感器，3为飞行器主控系统，6为导线，传感器采集电场强度，转化为电压信号后输入到主控系统，主控系统通过多组传感器的信号，可以获知每个传感器距离导线的位置，这样就可以调整飞行器的角度以及飞行速度，从而保证飞行器距离导线的距离，完成下坡与上坡，防止飞行器撞线。

Claims (1)

1.一种无人机高压电缆自动巡线系统，其特征在于：包括放大滤波电路、主控芯片电路、加速度陀螺仪传感器、无线模块电路、电子罗盘电路、电机控制模块、CAN总线芯片、隔离电源模块、485通讯芯片电路、稳压电路模块、隔离模块电源、传感器采集电路、比较器电路、稳态触发电路；

放大滤波电路 ：+12V接隔离模块电源中U11的+12V，-12V接隔离模块电源中U11的-12V，运放6脚接电阻R5的1脚和电位器R3的2脚可以调节放大倍数，电阻R5的2脚接GND，电位器R3的1脚接+12V，3脚接U1B的7脚，5脚接信号输入，7脚接电阻R6的1脚，电阻R6的2脚接电容C1的1脚、电容C2的1脚、电阻R1的1脚，电容C1的2脚接电阻R7的1脚接运放U1A的3脚，电容C2的2脚、电阻R7的2脚接GND，电阻R1的2脚接电阻R2的1脚接运放U1A的1脚，电阻R2的2脚接电阻R4的1脚接运放U1A的2脚，电阻R4的2脚接GND，运放U1A的1脚输出接二极管D1的1脚，二极管D1的2脚接GND；电阻R6、电容C1、电容C2、电阻R7、运放U1A、电阻R2、电阻R4、电阻R1构成带通滤波器，U1A输出接D1稳压二极管；

主控芯片电路：主控芯片U3的10-13脚以及16脚、18脚、19脚接无线模块电路中J5无线模块的1-8脚，28脚、29脚、30脚、31脚分别接485通讯芯片电路中U8的485芯片的控制引脚4脚、5脚、6脚、3脚，32脚、33脚接CAN总线芯片中U2的CAN通信芯片VP230引脚2脚、1脚，34脚、37脚是程序下载口SWDIO和SWDCLK，接CAN总线芯片中P1的4脚、2脚，5脚、6脚接XTAL1和XTAL2，44脚接R9下拉电阻的1脚，电阻R9的2脚接GND，7脚接R10上拉电阻的1脚，电阻R10的2脚接地，24脚、36脚、48脚、9脚接+3.3V，25脚、41脚、42脚、43脚、45脚、46脚分别接电机控制模块中的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6，21脚、22脚分别接加速度陀螺仪传感器中的J2的3脚和4脚，26脚接加速度陀螺仪传感器中J3的4脚，27脚接电子罗盘电路中U10的15脚，U3的2脚、3脚接加速度陀螺仪传感器中J3的1脚、2脚，23脚、35脚、47脚、8脚接GND；

加速度陀螺仪传感器：加速度陀螺仪传感器U9的1脚接电容C20的1脚接GND，8脚连接电容C20的2脚接+3.3V，10脚接电容C22的1脚，11脚连接电容C22的2脚，23脚和24脚分别接上拉电阻R14的1脚、R15的1脚，电阻R14的2脚、电阻R25的2脚接+3.3V，20脚接电容C21的1脚，18脚接电容C21的2脚，13脚连接滤波电容C23的1脚接+3.3V，电容C23的2脚接GND，接插件J2和J3作为传感器的控制信号，J3的1脚、2脚接主控芯片电路中U3的2脚、3脚，J4连接XW_L、XW_R、XW_H、XW_D四个限位信号；

无线模块电路：1脚接GND，3脚接+3.3V，+3.3V接稳压电路模块的U7的+3.3V，2脚、4-10脚分别接无线模块引脚，接主控芯片电路中U3的13脚、14脚、10脚、16脚、11脚、18脚、12脚、19脚；

电子罗盘电路：+5V接稳压电路模块中U5的+5V，12脚接电容C24的1脚，8脚接电容C24的2脚，10脚接滤波电容C25的1脚，电容C25的2脚接GND，13脚、4脚接电源+5V，2脚接+5V，9脚、11脚接GND，1脚接主控芯片电路中U3的21脚，16脚接主控芯片电路中U3的22脚，15脚接主控芯片电路中U3的15脚；

电机控制模块：P3、P4、P5的3脚、4脚接+5V，P3的1脚、2脚分别接PWM1、PWM2，接主控芯片电路中U3的25脚、41脚，5脚、6脚接GND；P4的1脚、2脚分别接PWM3、PWM4，接主控芯片电路中U3的42脚、43脚，5脚、6脚接GND；P5的1脚、2脚分别接PWM5、PWM6，接主控芯片电路中U3的45脚、46脚，5脚、6脚接GND；

CAN总线芯片：CAN总线芯片U2的1脚、4脚分别接主控芯片电路中U3的33脚、32脚，P1的2脚、4脚分别接主控芯片电路中的37脚、34脚，XTAL1和XTAL2分别接主控芯片电路中U3的5脚、6脚，+5V接稳压电路模块中U5的+5V，+3.3V接稳压电路模块中U7的+3.3V；U2是CAN总线芯片，3脚接电容C3的1脚，C3的2脚接GND，U2的6脚、7脚跨接匹配电阻R8后连接接插件J1，U2的8脚接GND，P1的1脚接+5V，3脚接GND，电容C4的1脚、C7的1脚接GND，C4的2脚、C7的2脚分别接晶振Y1的两端；U2是CAN总线芯片，接插件P1是程序下载接口，晶振Y1接振荡电容C4和C7；

隔离电源模块：隔离电源模块U6的+5V接稳压电路模块中U5的+5V，+5V_2接485通讯芯片电路中U8的+5V_2，U6的14脚接钽电容C10的1脚，C10的2脚接GND，U6的9脚接+5V_2，接钽电容C11的1脚，C11的2脚接GND，U6的11脚接GND_2；14脚接电容C10，1脚接GND，9脚接电容C11输出，11脚接输出GND；

485通讯芯片电路：485通讯芯片的+5V接稳压电路模块中U5的+5V，+5V_2接隔离电源模块中的+5V_2，GND_2接隔离电源模块中的GND_2，U8的3脚、4脚、5脚、6脚分别接主控芯片电路中U3的31脚、28脚、29脚、30脚，U8的1脚接电容C18的1脚接+5V，2脚接电容C18的2脚接GND，8脚接GND，9脚接GND_2，11脚和14脚接一起连接电阻R13的1脚，12脚和13脚接一起连接电阻R13的2脚，连接接插件P2，16脚接电容C19的1脚接+5V_2，15脚接电容C19的2脚接GND_2；485通讯芯片1脚、2脚接电容C18，3-6脚接排阻R12，8脚接GND，16脚和15脚接电容C19两端，9脚接隔离电源GND，引脚12脚、13脚和11脚、14脚分别接电阻R13两端进行电阻匹配，接到通讯接口P2；

稳压电路模块：稳压芯片U4的+15V接U5的+15V，U5的+5V接U7的+5V，防反接二极管D2的1脚连接+24V，2脚连接瞬态抑制二极管D3的1脚和电解电容C5的1脚，接稳压芯片U4的1脚，稳压芯片U4的3脚接电解电容C6的1脚，输出+15V；瞬态抑制二极管D3的2脚和电解电容C5的2脚接GND；稳压芯片U5的1脚接+15V，3脚输出+5V，2脚接GND，电解电容C8的1脚接+15V，2脚接GND，电解电容C9的1脚接+5V，2脚接GND；稳压芯片U7的1脚接+5V，3脚输出+3.3V，2脚接GND，电解电容C12的1脚接+5V，2脚接GND，电解电容C13的1脚接+3.3V，2脚接GND；防反接二极管D2连接瞬态抑制二极管D3和滤波电容C5，接电源芯片U4，3脚接滤波电容C6，输出稳压；U5稳压，C8和C9作为电源滤波电容；U7稳压，C12和C13作为电源滤波电容；

隔离模块电源：+24V连接稳压电路模块中的+24V，-12V连接放大滤波电路中-12V，+12V连接放大滤波电路中的+12V，钽电容C26的1脚接+24V，2脚接GND进行电源滤波，+24V经过隔离模块U11得到正电压+12V和负电压-12V，钽电容C27的1脚、C29的2脚接GND，独石电容C28的1脚、C30的1脚接GND，钽电容C27的2脚和电容C28的2脚接-12V，钽电容C29的1脚和电容C30的2脚接+12V；

传感器采集电路：非门U12A的1脚接电阻R17的1脚，电容C32的1脚接J1的1脚接电阻R17的1脚，U12A的2脚接电阻R17的2脚，接电容C33的1脚、C31的1脚，电容C32的2脚、电容C33的2脚接GND，电容C31的2脚接比较器电路中U13的5脚；

比较器电路：+5V接稳压电路模块中U5的+5V，U13的1脚接电阻R18的1脚，接稳态触发电路中的U14B的11脚，2脚接电阻R19的1脚，14脚接电阻R20的1脚，13脚接电阻R21的1脚，电阻R19的2脚、电阻R18的2脚、电阻R20的2脚、电阻R21的2脚接+5V，3脚接+5V，4脚、6脚、8脚、10脚接GND，12脚接GND；

稳态触发电路：+5V接稳压电路模块中U5的+5V，U14B的11脚接比较器电路中U13的2脚，14脚接电阻R22的1脚、电容C34的1脚，电阻R22的2脚接+5V，15脚接电容C34的2脚，12脚接10脚，13脚接+5V，9脚接加速度陀螺仪传感器中U3的38脚。