專利名稱：用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種巡檢無人機避障系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，我國國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展對我國電カエ業(yè)提出了越來越高的要求。我國目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網共6個跨省區(qū)電網，500千伏線路已成為各大電カ系統(tǒng)的骨架和跨省、跨地區(qū)的聯絡線，電網發(fā)展滯后的矛盾基本得到緩解。由于我國國土遼闊，地形復雜，為了安全和可靠地供電，巡線維護自動化和現代化已日益顯示出其迫切性。采用無人機空中作業(yè)進行電カ巡線，能夠克服利用有人駕駛的直升機進行巡線的維護費用昂貴、安全問題突出等弊端，但由于無人機GPS導航存在誤差，巡檢飛行時可能遇·到陣風過大，以及無人機的飛行高度不夠等因素導致無人機在執(zhí)行任務的過程中可能會出現偏離預定航向的情況，存在造成無人機與輸電線路或其他障礙物發(fā)生碰撞的危險。山、樹木、鉄塔等其他障礙物體積較大，通過無人機實時傳回地面站的視頻即能夠識別；但由于輸電導線線徑小，視頻很難識別，為了保障無人機巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，有必要實現無人機對輸電導線的避障。目前，國內外對高壓輸電導線電磁環(huán)境的研究和分析已取得了一定的成果，但主要的研究方向是高壓輸電導線電磁環(huán)境對離地2m范圍內人體和線路查修維護等接觸高壓輸電導線的工作人員的影響，以及對地面部分電子儀器等的干擾情況。高壓輸電導線電磁環(huán)境對于有人機、無人機的影響還停留在文字說明和概述分析的層面，尤其對利用導線間距與電磁場強度之間的對應關系，通過數據計算處理確定無人機巡檢帶電導線時是否需要避障動作相關的研究，僅在專利申請?zhí)枮?01120124969. I的專利《電カ巡線無人直升機超低空飛行障礙規(guī)避子系統(tǒng)》中有以下描述“根據電カ巡線無人機巡査目標ー輸電線路的特殊性，設計了根據電磁場強度的探測來判斷與輸電線路距離這一具有針對性、獨特性、創(chuàng)造性的測距方法。此方法的特性是距離輸電線路越近，測距精度越高，可達厘米甚至毫米級別，尤其適用于電カ巡線無人機在對輸電線路巡查時對輸電線路的規(guī)避。通過將不同電壓等級的輸電導線周圍磁場的變化做仿真計算，其計算分析可精確到厘米級，由此可獲取導線周圍的磁場分布，從而可通過預處理檢測到的磁場強度，即與仿真結果對比，可進行位置檢測和判斷，在檢測到與輸電導線距離小于某定值時，可強制改變飛行方向，以避免無人機與輸電導線的碰撞，避免事故發(fā)生?！爆F有技術缺點(I)現有技術是通過檢測飛機所處位置的磁場強度的變化與仿真結果對比，進而進行對位置檢測和判斷。在輸電線路實際運行吋，電壓大小基本保持在指定的電壓等級水平，但電流的大小是隨著負載的變化而實時變化的，因而磁場強度的數值也隨之實時變化，不具有測量判斷的可依據性。這種檢測方法所得的結果很不準確。(2)現有技術中提及“現場測量”，但未提供測量裝置(包括裝置構成和安裝位置)、測量方法、數據處理方法和判斷依據。(3)現有技術中提及用于參照的“仿真計算數值”，但未提供用于對比判斷的各電壓等級線路的仿真計算結果，不具有實用性。(4)現有技術中未描述用于說明方法可行性的應用實例。

實用新型內容本實用新型的目的就是為解決上述問題，提供ー種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障裝置，它主要實現了無人機對輸電導線的避障，避免了無人機巡檢帶電導線吋， 由于GPS導航誤差，陣風過大，或飛行高度不夠導致執(zhí)行任務的過程中出現偏離預定航向，導致無人機與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，保證人身、電網和設備的安全。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機，在無人機上設有電場避障裝置，該裝置包括DSP數據處理模塊，依次連接的電場測量傳感器、信號處理單元和A/D轉化單元，A/D轉化單元與DSP數據處理模塊輸入端連接，DSP數據處理模塊輸出端與機載飛控系統(tǒng)連接。所述機載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機載控制計算機，它分別與數字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉速測量傳感器、PCM遙控接收機、舵機控制器、數傳電臺，舵機控制器與伺服舵機連接，數傳電臺則與地面站通信。所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機機體正下方中央位置。一種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)的避障方法，步驟ー巡檢無人機巡檢帶電導線時，機身與輸電導線方向基本平行；步驟ニ設置DSP數據處理模塊中，計算電場變化率時所采用兩數據的時間間隔Δ t ；步驟三電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取エ頻范圍內的電場強度數值后送入DSP數據處理模塊中；DSP數據處理模塊中的判斷算法如下取t時刻エ頻電場測量模塊測得數值為m，t+ Λ t時刻エ頻電場測量模塊測得數值為n，并在t+At時刻取無人機飛行控制系統(tǒng)提供的無人機實時飛行速率記為V，數據處理及轉化模塊進行如下判斷V=O時，輸出“安全”指令；Vデ O 時，|m_n|/ (ν* Δ t)〈C,輸出“安全”指令；|m-n|/ (ν* Λ t)彡 C，輸出“避障”指令；其中C為電場強度變化率的限值；步驟四避障指令由DSP數據處理模塊輸出給機載飛控系統(tǒng)，進而由無人機舵機控制器控制伺服舵機進行下ー步動作，指令為“安全”吋，繼續(xù)當前飛行任務；指令為“避障”時，先將無人機懸停，通過實時傳回的視頻判斷發(fā)出“原路返航”或“臨時調整路線”的指令。對于電場強度變化率的限值C，通過對輸電導線建立電場計算模型，進而進行仿真計算得到該值；對220kV、500kV、750kV、IOOOkV輸電導線分別對應C220=29，C500=56,C750=77, C1000=81。本實用新型的工作原理為電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取エ頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元輸入DSP數據處理模塊，同時電場測量傳感器將所測電場強度數值輸入信號處理單元，提取エ頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元也輸入DSP數據處理模塊，按照上述步驟中所述算法處理，生成的避障判斷結果輸入飛控系統(tǒng)機載控制計算機，進而將避障指令發(fā)送給舵機控制器，由其控制伺服舵機來改變無人機平臺的飛行狀態(tài)。同吋，飛控系統(tǒng)機載控制計算機會將數字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉速測量傳感器和PCM遙控接收機的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數傳電臺進行與地面站之間的交互。本實用新型的有益效果 I)本實用新型設計了一套用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)及方法，利用該系統(tǒng)，能夠實現無人機巡檢帶電導線時，對實時視頻中很難識別的導線的避障，提升巡線作業(yè)的可靠性，保障輸電線路及無人機巡線系統(tǒng)的安全。2)上述無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)，是根據帶電導線周圍電場環(huán)境的特殊性設計，且所用元器件體積小、簡單輕便，由既能夠克服超聲波測距、紅外測距和激光測距設備檢測正確率低的問題，又能夠避免微波雷達測距設備體積、重量過大，不便于無人機搭載的弊端。3)上述無人機巡檢帶電導線的電場測量避障方法中，用于判斷無人機是否需要對輸電導線避障的測量參數為無人機所處位置電場強度的變化率，首先利用針對某條輸電線路較穩(wěn)定的電場強度數值，其次采用計算變化率的方法可排除空間內可能存在的其他近似頻率的電場強度的干擾，使計算數值準確可靠，且以220kV、500kV、750kV、IOOOkV電壓等級的輸電導線為例，提供了用于對比判斷的仿真計算結果。

圖I為電場測量避障系統(tǒng)的結構及數據流程圖；圖2為無人機巡檢220kV輸電導線時，與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系意圖；圖3為無人機巡檢500kV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系不意圖；圖4為無人機巡檢750kV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系不意圖；圖5為無人機巡檢IOOOkV輸電導線時,與輸電導線間距和電場強度變化率的對應關系不意圖；圖6為實際220kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖7為220kV線路仿真、實測電場變化率對比圖；圖8為實際500kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖9為500kV線路仿真、實測電場變化率對比圖；[0043]圖10為實際750kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖11為750kV線路仿真、實測電場變化率對比圖；圖12為實際IOOOkV交流輸電線路所用典型直線塔；圖13為IOOOkV線路仿真、實測電場變化率對比圖。其中，I是電場測量傳感器；2是信號處理單元；3是A/D轉化單元；4是DSP數據處理模塊；5是飛控系統(tǒng)機載控制計算機；6是數字羅盤；7是三軸陀螺儀；8是三軸加速度計；9是衛(wèi)星定位模塊；10是氣壓高度計；11是轉速測量傳感器；12是PCM遙控接收機；13是舵機控制器；14是數傳電臺；15是伺服舵機；16是電場避障裝置，17是地面站。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進ー步說明。圖I中，一種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機，在無人機上設有電場避障裝置16，該裝置包括DSP數據處理模塊4，依次連接的電場測量傳感器I、信號處理單元2和A/D轉化單3元，A/D轉化單元3與DSP數據處理模塊4輸入端連接，DSP數據處理模塊4輸出端與機載飛控系統(tǒng)連接。所述機載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機載控制計算5機，它分別與數字羅盤6、三軸陀螺儀7、三軸加速度計8、衛(wèi)星定位模塊9、氣壓高度計10、轉速測量傳感器11、PCM遙控接收機12、舵機控制器13、數傳電臺14，舵機控制器13與伺服舵機15連接，數傳電臺14則與地面站17通信。 所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機機體正下方中央位置。電場測量傳感器I將所測電場強度數值輸入信號處理單元2，提取エ頻范圍內的電場強度數值后，通過A/D轉化單元3輸入DSP數據處理模塊4，同時飛控系統(tǒng)機載控制計算機5將無人機當前運動速度輸入DSP數據處理模塊4，按照相應算法處理，生成的避障判斷結果輸入飛控系統(tǒng)機載控制計算機5，進而將避障指令發(fā)送給舵機控制器13，由其控制伺服舵機15來改變無人機平臺的飛行狀態(tài)。同吋，飛控系統(tǒng)機載控制計算機5會將數字羅盤6、三軸陀螺儀7、三軸加速度計8、衛(wèi)星定位模塊9、氣壓高度計10、轉速測量傳感器11和PCM遙控接收機12的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數傳電臺14進行與地面站17之間的交互。本實用新型避障方法的步驟為步驟ー安裝電場避障裝置16。無人機巡檢帶電導線時，為保持整機的平衡性良好，電場避障裝置16要處在無人機機體正下方中央位置；步驟ニ設置DSP數據處理模塊4中，計算電場變化率時所采用兩數據的時間間隔Δ to步驟三根據電場避障裝置16中電場測量傳感器I采集的數據，進行避障指令的判斷。A:仿真計算。對輸電導線建立電場計算模型，進而進行仿真計算(電場數值計算軟件ANSOFT中)得到的距離輸電線路一定距離位置電場強度變化率的數值。設定ー個電場強度變化率的限值(下述公式中(值)，仿真得出，對2201^、5001^、7501^、10001^輸電導線分別對應 C220=29，C500=56，C750=77，C1000=81。[0058]B:避障判斷。DSP數據處理模塊4中的判斷算法如下取t時刻エ頻電場測量模塊測得數值為m，t+ Λ t時刻エ頻電場測量模塊測得數值為n，并在t+At時刻取無人機飛行控制系統(tǒng)提供的無人機實時飛行速率記為V，數據處理及轉化模塊進行如下判斷
權利要求1.一種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機，其特征是，在無人機上設有電場避障裝置，該裝置包括DSP數據處理模塊，依次連接的電場測量傳感器、信號處理單元和A/D轉化單元，A/D轉化單元與DSP數據處理模塊輸入端連接，DSP數據處理模塊輸出端與機載飛控系統(tǒng)連接。
2.如權利要求I所述的用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)，其特征是，所述機載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機載控制計算機，它分別與數字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計、轉速測量傳感器、PCM遙控接收機、舵機控制器、數傳電臺，舵機控制器與伺服舵機連接，數傳電臺則與地面站通信。
3.如權利要求I所述的用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障系統(tǒng)，其特征是，所述電場避障裝置整體要處在巡檢無人機機體正下方中央位置。
專利摘要本實用新型公開了一種用于無人機巡檢帶電導線的電場測量避障裝置，它包括巡檢無人機，在無人機上設有電場避障裝置，該裝置包括DSP數據處理模塊，依次連接的電場測量傳感器、信號處理單元和A/D轉化單元，A/D轉化單元與DSP數據處理模塊輸入端連接，DSP數據處理模塊輸出端與機載飛控系統(tǒng)連接。本實用新型避免了無人機巡檢帶電導線時，由于GPS導航誤差，陣風過大，飛行高度不夠導致執(zhí)行任務的過程中出現偏離預定航向，導致無人機與輸電線路碰撞情況發(fā)生，保障無人機巡線系統(tǒng)及輸電線路的安全，提升巡線作業(yè)的可靠性，保證人身、電網和設備的安全。
文檔編號G01C11/00GK202632111SQ20122031304
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權日2012年6月29日
發(fā)明者鄭天茹, 王濱海, 陳西廣, 王騫, 劉俍 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網公司