專利名稱：用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種巡檢無人機(jī)避障系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展對(duì)我國(guó)電カエ業(yè)提出了越來越高的要求。我國(guó)目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)共6個(gè)跨省區(qū)電網(wǎng)，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(lián)絡(luò)線，電網(wǎng)發(fā)展滯后的矛盾基本得到緩解。由于我國(guó)國(guó)土遼闊，地形復(fù)雜，為了安全和可靠地供電，巡線維護(hù)自動(dòng)化和現(xiàn)代化已日益顯示出其迫切性。采用無人機(jī)空中作業(yè)進(jìn)行電カ巡線，能夠克服利用有人駕駛的直升機(jī)進(jìn)行巡線的維護(hù)費(fèi)用昂貴、安全問題突出等弊端，但由于無人機(jī)GPS導(dǎo)航存在誤差，巡檢飛行時(shí)可能遇·到陣風(fēng)過大，以及無人機(jī)的飛行高度不夠等因素導(dǎo)致無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過程中可能會(huì)出現(xiàn)偏離預(yù)定航向的情況，存在造成無人機(jī)與輸電線路或其他障礙物發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。山、樹木、鉄塔等其他障礙物體積較大，通過無人機(jī)實(shí)時(shí)傳回地面站的視頻即能夠識(shí)別；但由于輸電導(dǎo)線線徑小，視頻很難識(shí)別，為了保障無人機(jī)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(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)輸電導(dǎo)線的避障。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓輸電導(dǎo)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(dǎo)線電磁環(huán)境對(duì)離地2m范圍內(nèi)人體和線路查修維護(hù)等接觸高壓輸電導(dǎo)線的工作人員的影響，以及對(duì)地面部分電子儀器等的干擾情況。高壓輸電導(dǎo)線電磁環(huán)境對(duì)于有人機(jī)、無人機(jī)的影響還停留在文字說明和概述分析的層面，尤其對(duì)利用導(dǎo)線間距與電磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)計(jì)算處理確定無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)是否需要避障動(dòng)作相關(guān)的研究，僅在專利申請(qǐng)?zhí)枮?01120124969. I的專利《電カ巡線無人直升機(jī)超低空飛行障礙規(guī)避子系統(tǒng)》中有以下描述“根據(jù)電カ巡線無人機(jī)巡査目標(biāo)ー輸電線路的特殊性，設(shè)計(jì)了根據(jù)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的探測(cè)來判斷與輸電線路距離這一具有針對(duì)性、獨(dú)特性、創(chuàng)造性的測(cè)距方法。此方法的特性是距離輸電線路越近，測(cè)距精度越高，可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)別，尤其適用于電カ巡線無人機(jī)在對(duì)輸電線路巡查時(shí)對(duì)輸電線路的規(guī)避。通過將不同電壓等級(jí)的輸電導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的變化做仿真計(jì)算，其計(jì)算分析可精確到厘米級(jí)，由此可獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，從而可通過預(yù)處理檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度，即與仿真結(jié)果對(duì)比，可進(jìn)行位置檢測(cè)和判斷，在檢測(cè)到與輸電導(dǎo)線距離小于某定值時(shí)，可強(qiáng)制改變飛行方向，以避免無人機(jī)與輸電導(dǎo)線的碰撞，避免事故發(fā)生?！爆F(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)(I)現(xiàn)有技術(shù)是通過檢測(cè)飛機(jī)所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化與仿真結(jié)果對(duì)比，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)位置檢測(cè)和判斷。在輸電線路實(shí)際運(yùn)行吋，電壓大小基本保持在指定的電壓等級(jí)水平，但電流的大小是隨著負(fù)載的變化而實(shí)時(shí)變化的，因而磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值也隨之實(shí)時(shí)變化，不具有測(cè)量判斷的可依據(jù)性。這種檢測(cè)方法所得的結(jié)果很不準(zhǔn)確。(2)現(xiàn)有技術(shù)中提及“現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量”，但未提供測(cè)量裝置(包括裝置構(gòu)成和安裝位置)、測(cè)量方法、數(shù)據(jù)處理方法和判斷依據(jù)。(3)現(xiàn)有技術(shù)中提及用于參照的“仿真計(jì)算數(shù)值”，但未提供用于對(duì)比判斷的各電壓等級(jí)線路的仿真計(jì)算結(jié)果，不具有實(shí)用性。(4)現(xiàn)有技術(shù)中未描述用于說明方法可行性的應(yīng)用實(shí)例。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為解決上述問題，提供ー種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障裝置，它主要實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)對(duì)輸電導(dǎo)線的避障，避免了無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線吋， 由于GPS導(dǎo)航誤差，陣風(fēng)過大，或飛行高度不夠?qū)е聢?zhí)行任務(wù)的過程中出現(xiàn)偏離預(yù)定航向，導(dǎo)致無人機(jī)與輸電線路碰撞情況的發(fā)生，保障了無人機(jī)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(wǎng)和設(shè)備的安全。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機(jī)，在無人機(jī)上設(shè)有電場(chǎng)避障裝置，該裝置包括DSP數(shù)據(jù)處理模塊，依次連接的電場(chǎng)測(cè)量傳感器、信號(hào)處理單元和A/D轉(zhuǎn)化單元，A/D轉(zhuǎn)化單元與DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與機(jī)載飛控系統(tǒng)連接。所述機(jī)載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，它分別與數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、PCM遙控接收機(jī)、舵機(jī)控制器、數(shù)傳電臺(tái)，舵機(jī)控制器與伺服舵機(jī)連接，數(shù)傳電臺(tái)則與地面站通信。所述電場(chǎng)避障裝置整體要處在巡檢無人機(jī)機(jī)體正下方中央位置。一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)的避障方法，步驟ー巡檢無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，機(jī)身與輸電導(dǎo)線方向基本平行；步驟ニ設(shè)置DSP數(shù)據(jù)處理模塊中，計(jì)算電場(chǎng)變化率時(shí)所采用兩數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔Δ t ；步驟三電場(chǎng)測(cè)量傳感器將所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取エ頻范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值后送入DSP數(shù)據(jù)處理模塊中；DSP數(shù)據(jù)處理模塊中的判斷算法如下取t時(shí)刻エ頻電場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得數(shù)值為m，t+ Λ t時(shí)刻エ頻電場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得數(shù)值為n，并在t+At時(shí)刻取無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)提供的無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行速率記為V，數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行如下判斷V=O時(shí)，輸出“安全”指令；Vデ O 時(shí)，|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(chǎng)強(qiáng)度變化率的限值；步驟四避障指令由DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出給機(jī)載飛控系統(tǒng)，進(jìn)而由無人機(jī)舵機(jī)控制器控制伺服舵機(jī)進(jìn)行下ー步動(dòng)作，指令為“安全”吋，繼續(xù)當(dāng)前飛行任務(wù)；指令為“避障”時(shí)，先將無人機(jī)懸停，通過實(shí)時(shí)傳回的視頻判斷發(fā)出“原路返航”或“臨時(shí)調(diào)整路線”的指令。對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的限值C，通過對(duì)輸電導(dǎo)線建立電場(chǎng)計(jì)算模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真計(jì)算得到該值；對(duì)220kV、500kV、750kV、IOOOkV輸電導(dǎo)線分別對(duì)應(yīng)C220=29，C500=56,C750=77, C1000=81。本實(shí)用新型的工作原理為電場(chǎng)測(cè)量傳感器將所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取エ頻范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值后，通過A/D轉(zhuǎn)化單元輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊，同時(shí)電場(chǎng)測(cè)量傳感器將所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元，提取エ頻范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值后，通過A/D轉(zhuǎn)化單元也輸入DSP數(shù)據(jù)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(jié)果輸入飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)而將避障指令發(fā)送給舵機(jī)控制器，由其控制伺服舵機(jī)來改變無人機(jī)平臺(tái)的飛行狀態(tài)。同吋，飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)會(huì)將數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器和PCM遙控接收機(jī)的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行與地面站之間的交互。本實(shí)用新型的有益效果 I)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一套用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)及方法，利用該系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)視頻中很難識(shí)別的導(dǎo)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(jī)巡線系統(tǒng)的安全。2)上述無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)，是根據(jù)帶電導(dǎo)線周圍電場(chǎng)環(huán)境的特殊性設(shè)計(jì)，且所用元器件體積小、簡(jiǎn)單輕便，由既能夠克服超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距和激光測(cè)距設(shè)備檢測(cè)正確率低的問題，又能夠避免微波雷達(dá)測(cè)距設(shè)備體積、重量過大，不便于無人機(jī)搭載的弊端。3)上述無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障方法中，用于判斷無人機(jī)是否需要對(duì)輸電導(dǎo)線避障的測(cè)量參數(shù)為無人機(jī)所處位置電場(chǎng)強(qiáng)度的變化率，首先利用針對(duì)某條輸電線路較穩(wěn)定的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值，其次采用計(jì)算變化率的方法可排除空間內(nèi)可能存在的其他近似頻率的電場(chǎng)強(qiáng)度的干擾，使計(jì)算數(shù)值準(zhǔn)確可靠，且以220kV、500kV、750kV、IOOOkV電壓等級(jí)的輸電導(dǎo)線為例，提供了用于對(duì)比判斷的仿真計(jì)算結(jié)果。

圖I為電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程圖；圖2為無人機(jī)巡檢220kV輸電導(dǎo)線時(shí)，與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系意圖；圖3為無人機(jī)巡檢500kV輸電導(dǎo)線時(shí),與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系不意圖；圖4為無人機(jī)巡檢750kV輸電導(dǎo)線時(shí),與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系不意圖；圖5為無人機(jī)巡檢IOOOkV輸電導(dǎo)線時(shí),與輸電導(dǎo)線間距和電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系不意圖；圖6為實(shí)際220kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖7為220kV線路仿真、實(shí)測(cè)電場(chǎng)變化率對(duì)比圖；圖8為實(shí)際500kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖9為500kV線路仿真、實(shí)測(cè)電場(chǎng)變化率對(duì)比圖；[0043]圖10為實(shí)際750kV交流輸電線路所用典型直線塔；圖11為750kV線路仿真、實(shí)測(cè)電場(chǎng)變化率對(duì)比圖；圖12為實(shí)際IOOOkV交流輸電線路所用典型直線塔；圖13為IOOOkV線路仿真、實(shí)測(cè)電場(chǎng)變化率對(duì)比圖。其中，I是電場(chǎng)測(cè)量傳感器；2是信號(hào)處理單元；3是A/D轉(zhuǎn)化單元；4是DSP數(shù)據(jù)處理模塊；5是飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)；6是數(shù)字羅盤；7是三軸陀螺儀；8是三軸加速度計(jì)；9是衛(wèi)星定位模塊；10是氣壓高度計(jì)；11是轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器；12是PCM遙控接收機(jī)；13是舵機(jī)控制器；14是數(shù)傳電臺(tái)；15是伺服舵機(jī)；16是電場(chǎng)避障裝置，17是地面站。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)ー步說明。圖I中，一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機(jī)，在無人機(jī)上設(shè)有電場(chǎng)避障裝置16，該裝置包括DSP數(shù)據(jù)處理模塊4，依次連接的電場(chǎng)測(cè)量傳感器I、信號(hào)處理單元2和A/D轉(zhuǎn)化單3元，A/D轉(zhuǎn)化單元3與DSP數(shù)據(jù)處理模塊4輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理模塊4輸出端與機(jī)載飛控系統(tǒng)連接。所述機(jī)載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算5機(jī)，它分別與數(shù)字羅盤6、三軸陀螺儀7、三軸加速度計(jì)8、衛(wèi)星定位模塊9、氣壓高度計(jì)10、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器11、PCM遙控接收機(jī)12、舵機(jī)控制器13、數(shù)傳電臺(tái)14，舵機(jī)控制器13與伺服舵機(jī)15連接，數(shù)傳電臺(tái)14則與地面站17通信。 所述電場(chǎng)避障裝置整體要處在巡檢無人機(jī)機(jī)體正下方中央位置。電場(chǎng)測(cè)量傳感器I將所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值輸入信號(hào)處理單元2，提取エ頻范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值后，通過A/D轉(zhuǎn)化單元3輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊4，同時(shí)飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)5將無人機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度輸入DSP數(shù)據(jù)處理模塊4，按照相應(yīng)算法處理，生成的避障判斷結(jié)果輸入飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)5，進(jìn)而將避障指令發(fā)送給舵機(jī)控制器13，由其控制伺服舵機(jī)15來改變無人機(jī)平臺(tái)的飛行狀態(tài)。同吋，飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)5會(huì)將數(shù)字羅盤6、三軸陀螺儀7、三軸加速度計(jì)8、衛(wèi)星定位模塊9、氣壓高度計(jì)10、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器11和PCM遙控接收機(jī)12的狀態(tài)信息，以及避障判斷的信息一同通過數(shù)傳電臺(tái)14進(jìn)行與地面站17之間的交互。本實(shí)用新型避障方法的步驟為步驟ー安裝電場(chǎng)避障裝置16。無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，為保持整機(jī)的平衡性良好，電場(chǎng)避障裝置16要處在無人機(jī)機(jī)體正下方中央位置；步驟ニ設(shè)置DSP數(shù)據(jù)處理模塊4中，計(jì)算電場(chǎng)變化率時(shí)所采用兩數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔Δ to步驟三根據(jù)電場(chǎng)避障裝置16中電場(chǎng)測(cè)量傳感器I采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行避障指令的判斷。A:仿真計(jì)算。對(duì)輸電導(dǎo)線建立電場(chǎng)計(jì)算模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真計(jì)算(電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件ANSOFT中)得到的距離輸電線路一定距離位置電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的數(shù)值。設(shè)定ー個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度變化率的限值(下述公式中(值)，仿真得出，對(duì)2201^、5001^、7501^、10001^輸電導(dǎo)線分別對(duì)應(yīng) C220=29，C500=56，C750=77，C1000=81。[0058]B:避障判斷。DSP數(shù)據(jù)處理模塊4中的判斷算法如下取t時(shí)刻エ頻電場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得數(shù)值為m，t+ Λ t時(shí)刻エ頻電場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得數(shù)值為n，并在t+At時(shí)刻取無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)提供的無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行速率記為V，數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)化模塊進(jìn)行如下判斷
權(quán)利要求1.一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)，它包括巡檢無人機(jī)，其特征是，在無人機(jī)上設(shè)有電場(chǎng)避障裝置，該裝置包括DSP數(shù)據(jù)處理模塊，依次連接的電場(chǎng)測(cè)量傳感器、信號(hào)處理單元和A/D轉(zhuǎn)化單元，A/D轉(zhuǎn)化單元與DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與機(jī)載飛控系統(tǒng)連接。
2.如權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)，其特征是，所述機(jī)載飛控系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，它分別與數(shù)字羅盤、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、衛(wèi)星定位模塊、氣壓高度計(jì)、轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、PCM遙控接收機(jī)、舵機(jī)控制器、數(shù)傳電臺(tái)，舵機(jī)控制器與伺服舵機(jī)連接，數(shù)傳電臺(tái)則與地面站通信。
3.如權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障系統(tǒng)，其特征是，所述電場(chǎng)避障裝置整體要處在巡檢無人機(jī)機(jī)體正下方中央位置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線的電場(chǎng)測(cè)量避障裝置，它包括巡檢無人機(jī)，在無人機(jī)上設(shè)有電場(chǎng)避障裝置，該裝置包括DSP數(shù)據(jù)處理模塊，依次連接的電場(chǎng)測(cè)量傳感器、信號(hào)處理單元和A/D轉(zhuǎn)化單元，A/D轉(zhuǎn)化單元與DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸入端連接，DSP數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與機(jī)載飛控系統(tǒng)連接。本實(shí)用新型避免了無人機(jī)巡檢帶電導(dǎo)線時(shí)，由于GPS導(dǎo)航誤差，陣風(fēng)過大，飛行高度不夠?qū)е聢?zhí)行任務(wù)的過程中出現(xiàn)偏離預(yù)定航向，導(dǎo)致無人機(jī)與輸電線路碰撞情況發(fā)生，保障無人機(jī)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(wǎng)和設(shè)備的安全。
文檔編號(hào)G01C11/00GK202632111SQ20122031304
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司