CN207191413U - 一种用于高速铁路巡检的无人机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于高速铁路巡检的无人机，包括电磁场传感器，无人机机身外有电磁屏蔽材料；通过电磁场传感器监测到高铁接触网附近交流电磁场的变化，判断附近有没有高速列车，进而提前避让高速列车，避免了高速列车的强电磁场干扰无人机，避免了高速列车附近的气流导致的无人机失控，也可以避免无人机与其他高压输电线路碰撞，减少了雷电带来的无人机损坏现象。

Description

一种用于高速铁路巡检的无人机

技术领域

本申请属于电子信息技术领域和飞行器领域，具体涉及一种适合高速铁路巡检的无人机。

背景技术

高速铁路是铁路发展的主流方向，随着经济的发展，建设了越来越多的高速铁路。为了保证高速铁路的正常运行，需要经常检查高速铁路的状态。高速铁路上有高速行驶的列车，高速铁路轨道上方有接触网，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的输电线路，高铁列车运行所依赖的电流就是通过上方的接触网输送的，接触网所采用的工作电压为25KV，频率50Hz或60Hz的单相交流电，在实际使用中，电压可达到27.5KV。高速铁路通常长度大，通过山地、河流、沼泽、隧道等复杂的地形。如果完全人工检查高速铁路，检查的速度慢、效率低、不方便，人工费用高，人工巡检时列车不能运行，影响到高铁上运行的列车数量，并且高电压、高速列车、桥梁等都会给人员带来危险。使用无人机检查高速铁路具有一些优势。

无人驾驶飞机（以下简称“无人机”），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。在国防、警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等领域，无人机都有着广泛的用途。

在运动的高铁列车附近，电磁场不仅强度会迅速增加，还会产生多种频率的电磁波，产生强电磁干扰。在这些情况下，无人机的遥控信号和、或电路会受到干扰，从而可能导致无人机出现故障，甚至引发坠机事故，对高速铁路造成威胁。在高速列车经过时，强烈的气流会导致无人机失控，甚至撞向接触网或高铁列车。为了避免上述问题，无人机要避让和远离高速列车，但是现阶段无人机上没有能够准确判断附近有没有高速列车的装置，不能自动避让高速列车，也不能提醒操作人员附近有高速列车；无人机上没有检测无人机与接触网距离的装置，不能自动避让接触网，不能提醒操作人员与接触网距离太近。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本申请公开了一种用于高速铁路巡检的无人机，所使用的无人机是多旋翼飞行器，包括微处理器、飞行控制系统、导航系统、动力系统、操控设备、通信系统、拍摄系统；

飞行控制系统包括飞行传感器、飞行控制器；

导航系统包括定位模块；

拍摄系统包括视频存储器、视频采集装置、云台；

动力系统包括电池、电机、旋翼；

无人机中还有电磁场传感器，电磁场传感器与微处理器电连接。

进一步的，所述的电磁场传感器与微处理器之间有信号调理电路，信号调理电路中含有滤波器。

进一步的，所述的无人机外表面有电磁屏蔽材料，电磁场传感器不在电磁屏蔽材料的屏蔽范围内。

进一步的电磁场传感器中只包含磁场传感器。

优选的，在一块集成电路中集成了微处理器和飞行控制器。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：更好地满足高速铁路巡检的需求，当有高速列车靠近时，高速铁路接触网要给高铁列车供电，接触网上的交流电流会迅速增加，接触网附近的交流磁场的强度会明显增加，电磁场传感器输出信号的强度会增加和、或变化速度加快；高铁接触网附近还有高频的电磁干扰信号，也能被电磁场传感器侦测到；无人机能够侦测到附近有没有高速行驶的列车，提前做出避让，可以避免气流和电磁场干扰的影响，降低故障率，避免了坠机事故，避免了无人机撞坏接触网和列车。

附图说明

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加的清楚明白，下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。附图用来提供对本申请的进一步理解，与本申请的实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。

图1为本申请一个实施例的主要部分结构组成图。

图2为本申请一个实施例所采用的电磁场传感器的电原理图。

图3为本申请一个实施例所采用的电磁场传感器安装示意图。

在图1 中，1.微处理器，2. 飞行传感器，3.飞行控制器，4.定位模块，5.视频存储

器，6.视频采集装置，7.电源，8.电磁场传感器。

在图3中，401. 电磁场传感器一，402. 电磁场传感器二，403. 电磁场传感器三，

404. 电磁场传感器四，405.接触网输电线缆，406.无人机的机身。

具体实施方式

下面结合附图和实施例说明本申请。图1 是一个实施例，用于高速铁路巡检的无人机，所使用的无人机是多旋翼飞行器，包括微处理器、飞行控制系统、导航系统、动力系统、操控设备、通信系统、拍摄系统；飞行控制系统包括飞行传感器、飞行控制器；

导航系统包括定位模块；拍摄系统包括视频存储器、视频采集装置、云台；云台用于固定视频采集装置；动力系统包括电池、电机、旋翼；无人机中还有电磁场传感器，电磁场传感器与微处理器电连接。

本申请在无人机中增加了电磁场传感器，由于接触网上有交流高电压和、或电流，所以接触网附近有交流电磁场，并且离接触网越近交流电磁场越强，当电磁场传感器测出交流电磁场强度较大时，表明无人机靠近接触网，应远离接触网，飞行控制器使无人机远离接触网。通常情况下，高铁接触网上方是比较安全的，几乎没有障碍物。偶尔有高压输电线路跨过高铁线路，当无人机飞行时，本申请采用的电磁场传感器也能侦测到交流电场或磁场变强，当电场或磁场足够强时，及时避让，也能与高压输电线路保持一定的距离。附近有雷电时，电磁场传感器的输出信号也会变强，无人机及时自动避让，也可以提醒操作人员避让。

在实施例中，当有高速列车靠近时，高速铁路接触网要给高铁列车供电，接触网上的交流电流会迅速增加，接触网附近的交流电产生的磁场的强度会明显增加，电磁场传感器输出信号的强度会增加和、或变化速度加快；高铁接触网上还有高频的电磁干扰信号，也能被电磁场传感器侦测到；无人机能够侦测到附近有高速行驶的高铁列车，无人机自动避让高铁列车，或者在操作人员控制下避让高铁列车。可以避免气流和电磁场干扰的影响，降低故障率，避免了坠机事故，避免了无人机撞坏接触网和列车。

图2是实施例中电磁场传感器中磁场测量电路的原理图，包括可调电阻R1，可调范围为0-1KΩ，51KΩ电阻R2，10uF电容C1，1uF电容C2，0.1uF电容C3，0.1uF电容C4，6.8nF电容C5，0.1uF电容C6，二极管D1、D2，型号为IN4007，10mH电感L1，运算放大器U1，型号为LM386，Vout端口。

电感L1一端接地，一端与电容C5电连接；电容C5一端接地，一端与电容C3电连接，运算放大器U1的第一引脚与电容C1的阳极电连接，运算放大器U1的第二引脚接地，运算放大器U1的第三引脚与电容C3电连接，运算放大器U1的第四引脚接地，运算放大器U1的第五引脚与电容C4电连接，运算放大器U1的第六引脚接电源正极，运算放大器U1的第七引脚与电容C2电连接，电容C2的另一端接地，运算放大器U1的第八引脚与可调电阻R1电连接，电容C1与可调电阻R1电连接，二极管D1与电容C4电连接，二极管D1与电容C6电连接，电容C6的另一端接地，二极管D2与二极管D1电连接，二极管D2接地，电阻R2的一端接地，另一端与Vout端口电连接。

电感L1感应到接触网的交变电磁场的信号后，通过运算放大器U1及其外围电路，以可调电阻R1设定的增益放大后，从Vout端口输出供微处理器中的模数转换器采集。然而电感主要测量平行于轴线方向的变化磁场，为了准确测量空间的变化磁场强度，每个传感器中用3个互相垂直的放置的电感，3个电感分别测出3个方向的变化磁场强度，3个磁场强度的矢量和是总的变化磁场强度。

在另一个实施例中采用双极型霍尔原件测量磁场，用运算放大器放大信号。

在图3的实施例中无人机下方放置4个电磁场传感器，其中两个电磁场传感器分别在左右两侧，当无人机机身水平时，两个电磁场传感器高度相同；另两个电磁场传感器都在无人机正下方，高度不一样，所有相邻的传感器距离都是20 厘米，通过各传感器测量结果的比值就能判断出无人机的位置。要求无人机在接触网正上方1.8米的距离飞行，左右两侧电磁场传感器得到的变化的电磁场强度信号应相等，上下两个电磁场传感器得到变化的电磁场强度信号比值应为0.9，如果偏离了这些数据，就调整无人机，如果要求无人机相对于接触网在其他位置飞行，也可以算出各电磁场传感器信号的比值。

交变磁场与距离有关，单独测量磁场可以计算出无人机与接触网的距离。交变电场也与距离有关，单独测量电场也可以计算出无人机与接触网的距离。一个实施例中，电磁场传感器中只包含磁场传感器，简化了电路，降低了成本。

电磁场传感器与微处理器之间有信号调理电路，信号调理电路中含有滤波器。在实际使用中，存在干扰信号，需对电磁场传感器输出信号进行滤波，消除掉一些无关的成分，在实验中发现，广播电台发出的调频和调幅信号对电磁场传感器的影响较大，电视台信号的影响稍小，通信基站发出的2G信号对电磁场传感器影响不大，采用滤波器可以明显减小这些干扰信号的影响，采用电容滤波就可以明显减小影响。每个传感器的性能都有一些差异，或者传感器的输出信号并非线性，因而对传感器得到的信号进行了矫正，才能得到各自的交变电磁场强度，信号调理电路中含有放大电路可以调节输出信号的幅度，信号调理电路中含有的补偿电路可以改善频率响应。

在隧道中无人机上升的高度受隧道限制，最多只到离隧道顶20厘米处悬停，普通商用无人机上的视频采集装置和飞行控制系统能够完成该任务。如高铁线路上方有桥梁，可采取和隧道相同的处理方式。

一个实施例中，无人机外表面有电磁屏蔽材料，采用的是坡莫合金金属网，依靠坡莫合金材料所具有的低磁阻和导电性，使得屏蔽体内部的电磁场大为减弱，有效的减少了外界电磁场对无人机电路的干扰。当高铁列车高速经过时，其产生的电磁场比较强，由于外壳屏蔽材料对电磁场的屏蔽作用，降低了无人机的故障率，也减少了雷电引起的无人机故障。

在实施例中，由于无人机的旋翼处有空隙，金属网对电磁场的衰减仍然达到20dB。电磁场传感器不在电磁屏蔽材料屏蔽范围内，图3的实施例中电磁场传感器在无人机外壳的下方，能够保证测量到交变磁场。在另一个实施例中，在无人机外表面涂上导电漆，也能达到较好的屏蔽效果，为减小屏蔽层反射的电磁场影响测量结果，电磁场传感器距离屏蔽层超过10厘米。

在一个实施例中，采用意法半导体的STM32F407型集成电路，时钟频率最高可以达到168MHz，基本满足实施例的简单视频处理和飞行控制的需要。实施例所采用的一块STM32F407集成块实现了本申请中微处理器和飞行控制器的所有功能，在一块集成电路中集成了微处理器和飞行控制器。在另一个实施例中，在一款民用无人机的基础上进行了改装，改装前该无人机具有飞行控制器，改装时添加了微处理器和电磁场传感器，飞行控制器和微处理器是两块集成电路。

视频图像信号可以由微处理器判读，分析接触网、轨道、路基等有没有异常，包括接触线、吊弦、承力索、腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串、棒式绝缘子、定位管和定位器、支柱等有无异常状况，比如位置偏离、表面异物、裂痕等，对于微处理器不能明确判断的图像，传回操作平台，由人判断。视频图像信号也可以完全由人判读。

在一个实施例中，我们采用的是NEO-7N的GPS模块作为系统的定位模块，在另一个实施例中，采用的是基于S1216的GPS北斗双星定位模块，相比上一个实施例所采用的定位模块，进一步提高了系统的定位精度。

在一个实施例中，电磁场传感器中含有电感、放大器和滤波器，输出的模拟信号要经过模数转换，模数转换器是集成到微处理器中的12 位ADC逐次趋近型模数转换器，不仅保证了恶劣工况下采集精度，还降低了系统功耗，提高了无人机的续航时间，降低了成本和无人机的重量。在另外一个实施例中采用了ADI的6位隔离式Σ-Δ型ADC AD7403作为外置的模数转换器，并且前置了RC滤波电路，滤除了高频信号的干扰，同时这款外置的模数转换器，支持AQEC标准，具有EOS保护功能，能够有效地抵御当高速列车经过时可能带来的干扰信号及浪涌电压。

在实施例中无人机采用多旋翼飞行器，价格便宜，飞行速度慢，便于操控，便于清晰的拍摄视频，使用和维护方便。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的创新构思的前提下，还可以做出的若干的变形和改进，这些都属于本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于高速铁路巡检的无人机，所使用的无人机是多旋翼飞行器，包括微处理器、飞行控制系统、导航系统、动力系统、操控设备、通信系统、拍摄系统；

飞行控制系统包括飞行传感器、飞行控制器；

导航系统包括定位模块；

拍摄系统包括视频存储器、视频采集装置、云台；

动力系统包括电池、电机、旋翼；

其特征是：无人机中还有电磁场传感器，电磁场传感器与微处理器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路巡检的无人机，其特征是：所述的电磁场传感器与微处理器之间有信号调理电路，信号调理电路中含有滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路巡检的无人机，其特征是：所述的无人机外表面有电磁屏蔽材料，电磁场传感器不在电磁屏蔽材料的屏蔽范围内。

4.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路巡检的无人机，其特征是：在一块集成电路中集成了微处理器和飞行控制器。

5.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路巡检的无人机，其特征是：电磁场传感器中只包含磁场传感器。