CN104898696A - 基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法，其提出了全新的输电线路周围电场强度变化率则主要由导线排列方式和塔架结构决定的理论并由此得出避障方法，从而提高避障的准确性，可大大简化避障方法。

Description

基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法

技术领域

本发明涉及一种无人机巡检避障方法，特别是一种基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法。

背景技术

随着我国电网的飞速发展，高压输电线路电压等级越来越高，输电长度越来越长且所经过的地形地貌也变得越来越复杂。无人飞行器具有不受地形环境限制的优势、费效比高的优势，同时无需顾虑飞机意外坠毁导致的机上人员伤亡问题。因此为了提高电网巡检的效率，同时为解决近年来灾害频发对电网安全的现实威胁，利用无人机进行高压电力线路巡检已经成为一种迫切的需求，并且逐步会取代人工巡检，大大提高巡检效率。

无人机巡检，很重要的一方面就是安全问题，为了便于输电线路故障分析诊断，无人机巡检时要求拍摄高清晰度的线路和杆塔的照片，为此，巡检时要求无人机要尽可能的靠近输电线路或杆塔，但是和输电线路或杆塔越近，必然存在另一方面的安全隐患：由于无人机巡检时飞行速度一般能达到18～54Km/h，故一旦和线路或铁杆近距离接近，就很可能撞击上线路或铁塔，从而引起大面积停电等电力事故。

针对上述矛盾，为了尽可能的缩短无人机和输电线路或杆塔等的距离，同时保障足够的安全性，无人机就必须有一套高灵敏度的避障***，当无人机和巡线目标之间距离超过安全距离时，及时发出信号，同时送给无人机中控***，而且要求该安全距离要尽可能小，以便拍摄的照片能更加清晰，方便工作人员的故障诊断。

目前障碍规避***通常有红外避碰、超声波避碰、激光避碰、雷达避碰、三维地图GPRS避障和基于输电线路电磁场原理的避障几种。红外避碰的作用距离最短，在室外强光下基本不能使用；超声波避碰的有效距离很难超过10米，且因为是挂在直升飞机上，旋翼对空气的干扰使得应用更为困难；激光避碰距离可以达到200米以上，但由于是点反射，导线的直径很小，即便采用高速扫描，也很难保证能够得到反射信号，因此实际探测距离大打折扣；此外在暗物体上的反射要小很多，甚至没有反射， 比如在植被上的反射就很小，也影响探测距离；阳光也对激光产生严重干扰，在某些情况下根本就得不到反射光。雷达避碰***在国内外均有研究，主要是用于汽车的主动避碰，但是存在反射雷达波如何过滤，如何识别避障目标的问题，且雷达避障设备存在体积较大，重量较重等问题，对于无人机来说，由于空间和载荷都十分有限，故在无人机避障中应用存在很大的缺陷。基于三维地图的GPRS避障则主要由于三维地图很难精确的合成，同时地面建筑等存在易变且变化随机和无规律性等特点，不可能为此实时更新三维地图，同时三维地图要求的存储空间太大，读取很慢等方面的原因，故三维地图GPRS避障策略也不适合无人机巡检避障。

国内外目前高压输电线路周围电场强度的研究现状如下所述：

目前，国内外对输电线路电磁场的研究主要侧重于输电线路下方距离地面6米高度的电磁场强度以及障碍物周围的电磁场，主要研究进行高压作业的工作人员以及居住在输电线路下方居民健康的影响。但是基于高压输电线路电场强度理论进行无人机巡线避障目前这方面的研究还较少。通过文献检索，目前应用高压输电线路电场强度理论进行无人机巡线避障策略的研究在专利申请号为201210222359.4和201210222437.0的专利中有所提及和推导。这两项专利分别是把基于高压输电线路电场强度理论进行避障和进行高压输电线路电场强度变化率进行避障分别加以了说明和阐述，具体为：利用获取输电线路周围一定距离范围内的电磁场数值分布，进而将电场测量设备检测到的电场强度，再通过DSP数据处理模块把电场强度经过一系列的处理生成电场强度变化率数值，再与仿真结果对比，将此信号传递给飞控***。在专利中利用电场强度变化率作为无人机避障的唯一参量，而且还通过仿真和理论仿真分析对比得出不同电压等级输电线路进行避障的参量限值，分别为：220KV输电线路电场强度变化率限值为29；500KV输电线路电场强度变化率限值为56；750KV输电线路电场强度变化率限值为77；1000KV输电线路电场强度变化率限值为81。当检测到电场强度变化率小于该限值时，通过飞控***发出避障指令，强制无人机平台改变飞行方向，以避免无人机与输电线路发生碰撞，避免事故发生。

现有技术提出的这种避障策略把各个电压等级的输电线路都进行了仿真计算，再根据测量结果与仿真计算结果进行比较。这种计算方法就导致了各种电压等级都要分别进行仿真计算造成了工作量的增大和仿真计算的繁琐，不利于工程实际中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种只需根据导线排列方式进行分类避障的，而不用区分输电线路电压等级的基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法。

基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法，提供一种基于电场强度变化率的高压输电线路无人机巡检避障***，它包括巡检无人机，在巡检无人机上设有电场避障装置，该装置包括DSP数据处理模块，依次连接的电场测量传感器、信号处理单元和A/D转化单元，A/D转化单元与DSP数据处理模块输入端连接，DSP数据处理模块输出端与机载飞控***连接。

所述机载飞控***包括飞控***机载控制计算机，它分别与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、舵机控制器、数传电台，舵机控制器与伺服舵机连接，数传电台则与地面站通信。

所述电场避障装置整体要处在巡检无人机机体正下方中央位置，其步骤为：

步骤一：无人机巡检带电导线前,工作人员事先根据输电线路的排列情况,人为选定该排列方式下的无人机避障策略,所述的无人机避障策略具体方式包括：(1)正三角排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于15.5V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；(2)在倒三角排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于26.3V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；(3)在水平排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于46.7V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；

步骤二：巡检无人机巡检带电导线时，机身与输电线路方向基本平行；

步骤三：电场测量传感器将所测电场强度变化率数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度变化率值后送入DSP数据处理模块中；DSP数据处理模块中的判断算法如下：

取工频电场测量模块测得的电场强度变化率数值进行如下判断：

其中：E为电场强度有效值(单位V/m)，x为无人机距离边项导线的距离(单位：米)，为电场强度有效值对x的一阶导数即电场强度的变化率(单位V/m²)。

1)正三角排列方式下：

则输出“安全”指令；

则输出“避障”指令；

2)倒三角排列方式下：

则输出“安全”指令；

则输出“避障”指令；

3)水平排列方式下:

则输出“安全”指令；

则输出“避障”指令；

步骤四：避障指令由DSP数据处理模块输出给机载飞控***，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障”时，先将无人机悬停，通过实时传回的视频判断发出“原路返航”或“临时调整路线”的指令。

本发明克服了现有技术中认为输电线路周围电场强度变化率主要由输电线路电压等级决定的这一错误观点，提出了全新的输电线路周围电场强度变化率则主要由导线排列方式和塔架结构决定的理论并由此得出避障方法，从而提高避障的准确性，可大大简化避障方法。

以下从两个方面去阐述基于电场强度变化率的避障方案：

首先分析在同一导线排列方式下不同电压等级的高压输电线路的电场强度变化 率变化规律是一致的，从而说明只需按照导线排列方式进行分类避障即可，而不用区分输电线路电压等级；其次，通过对同塔单回超高压及特高压分析其基于电场强度变化率的无人机避障方案，同塔单回按照导线排列方式分为正三角、倒三角和水平三种排列方式下避障方案的研究。

1、不同电压等级高压输电线路电场强度变化率变化趋势分析

通过对正三角排列的超高压500kV和特高压1000kV输电线路进行其周围电场强度变化率的仿真分析，研究影响电场强度变化率的主要因素。

(1)正三角排列500kV高压输电线路电场强度变化率分析

正三角排列500kV高压输电线路模型：A相和B相离地高度为36米，横向跨度为19.08米；C相横向居A相和B相中心，离地高度为43.5米；两地线离地高度均为51米，横向跨度为18.6米。如图1所示。

通过理论分析仿真得出该输电线路的电场强度变化率随距离d(单位V/m²)(指无人机机身与边项导线的距离，单位：米)的变化趋势折线图如图2所示。

(2)正三角排列1000kV高压输电线路电场强度变化率分析

正三角排列1000kV特高压输电线路模型：A相和B相离地高度为48.7米，横向跨度为31米；C相横向居A相和B相中心，离地高度为67.1米；两地线离地高度均为80.7米，横向跨度为27.8米。如图3所示。

通过理论分析仿真得出该输电线路的电场强度变化率随距离d(单位V/m²)(指无人机机身与边项导线的距离，单位：米)的变化趋势折线图如图4所示。

考虑目前大型无人机的旋翼长度一般在4米(半径)，所以确定大型无人机与边项导线的最近距离为24米，即当无人机机身与边项导线的距离小于24米时就应该发出避障指令；反之无需发出避障指令。

从图2和图4电场强度变化率图形对比可以看出，在正三角排列情况下，500kV超高压输电线路和1000kV特高压输电线路其电场强度变化率随距离d(无人机机身与边项导线的距离)的变化规律和趋势是一致的。此外，对于500kV超高压输电线路，当无人机机身距离边项导线24米时，其电场强度变化率为15.528V/m²；对于1000kV特高压输电线路，当无人机机身距离边项导线24米时，其电场强度变化率为15.7V/m²；即正三角排列方式下500kV超高压输电线路和1000kV特高压输电线路的避障参 量(电场强度变化率)的限值基本是一样的，即都是15.5V/m²左右。故对于正三角排列的500kV超高压输电线路和1000kV特高压输电线路都可以按照电场强度变化率限值为15.5V/m²进行避障。当电场强度变化率大于15.5V/m²时，说明无人机机身与边项导线的距离小于极限避障距离即24米，此时应该发出避障指令；反之当电场强度变化率小于15.5V/m²时则说明无人机处在安全距离内，无需发出避障指令。

综合上述分析，研究基于电场强度变化率的同塔单回输电线路无人机巡检避障策略时，对于同一导线排列方式下的不同电压等级输电线路，其避障策略是一样的，故可以不考虑电压等级，而根据导线的排列方式研究确定每一种导线排列方式下的无人机避障策略。

目前同塔单回输电线路导线排列方式主要有三种即正三角排列、倒三角排列和水平排列方式。下面以500kV超高压输电线路为例研究其每一种导线排列方式下基于电场强度变化率的避障方案，由于避障策略与电压等级无关，其他电压等级的同类型导线排列方式和本专利500kV超高压输电线路的避障策略是一样的。

2、同塔单回不同导线排列方式下避障策略分析

目前同塔单回超高压和特高压输电线路导线排列方式主要有正三角排列、倒三角排列和水平排列三种主要的排列方式，下面以500kV超高压输电线路为例分别加以研究其无人机巡检避障策略。

考虑目前大型无人机的旋翼长度一般在4米(半径)，所以确定大型无人机与边项导线的最近距离为24米，即当无人机机身与边项导线的距离小于24米时就应该发出避障指令；反之无需发出避障指令。

(1)正三角排列方式下避障策略分析

正三角排列500kV超高压输电线路模型：A相和B相离地高度为36米，横向跨度为19.08米；C相横向居A相和B相中心，离地高度为43.5米；两地线离地高度均为51米，横向跨度为18.6米。如图1所示。

通过理论分析仿真得出该输电线路的电场强度变化率(单位V/m²)随距离d(指无人机机身与边项导线的距离，单位：米)的变化趋势折线图如图2所示。

从图2可以看出，随着无人机与边项导线的距离加大，其电场强度变化率是在逐渐减小的。按照无人机与边项导线的安全距离24米，对照图2可以看出，其对应安全距离24米的电场强度变化率为15.5V/m²左右。故在正三角排列方式下的高压和特 高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于15.5V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令。

(2)倒三角排列方式下避障策略分析

倒三角排列500kV高压输电线路模型：A相和B相离地高度为43.5米，横向跨度为19.08米；C相横向居A相和B相中心，离地高度为36米；两地线离地高度均为51米，横向跨度为18.6米。如图5所示。

通过理论分析仿真得出该输电线路的电场强度变化率(单位V/m²)随距离d(指无人机机身与边项导线的距离，单位：米)的变化趋势折线图如图6所示。

从图6可以看出，随着无人机与边项导线的距离加大，其电场强度变化率是在逐渐减小的。按照无人机与边项导线的安全距离24米，对照图6可以看出，其对应安全距离24米的电场强度变化率为26.3V/m²左右。故在倒三角排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于26.3V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令。

(3)水平排列方式下避障策略分析

水平排列500kV高压输电线路模型：A相、B相和C相离地高度为33米，两相之间横向跨度均为11.5米；两地线离地高度均为37米，横向跨度为20米。如图7所示。

通过理论分析仿真得出该输电线路的电场强度变化率随距离d(单位V/m²)(指无人机机身与边项导线的距离，单位：米)的变化趋势折线图如图8所示。

从图8可以看出，随着无人机与边项导线的距离加大，其电场强度变化率是在逐渐减小的。按照无人机与边项导线的安全距离24米，对照图8可以看出，其对应安全距离24米的电场强度变化率为46.7V/m²左右。故在水平排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于46.7V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令。

综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：

1.本发明提出了根据电场强度变化率作为避障参量，并且对各种不同的架空线路导线排列方式进行计算。同塔单回按照主要的排列方式分为正三角形排列方式、倒三角形排列方式、水平排列方式三种分类研究其避障策略，从而简化无人机巡检 避障策略。

2.由于电场强度主要由输电线路的电压等级决定，受线路的潮流分布和变化影响不大，且空间中的其余障碍物一般都是非带电体，所以空间的电场主要是由输电线路引起，故采用电场强度变化率作为无人机巡检的避障参量受空间中其余障碍物和电网潮流的变化影响较少，准确性提高。

3.基于电场强度变化率的无人机避障***是根据输电线路周围电场环境特殊性设计，且所用元器件体积小、简单轻便，既能够克服超声波测距、红外测距和激光测距设备检测正确率低的问题，又能够克服微波雷达测距设备体积、重量过大，不便于无人机搭载的弊端。

4.该发明通过对输电线路周围的电场强度变化率进行分析，总结出输电线路不同排列方式情况下的避障策略，同时给出无人机与输电线路边相导线的安全距离。

附图说明

图1是500kV特高压输电线路正三角导线排列方式空间方位图(单位：毫米)。

图2是500kV特高压输电线路正三角排列方式下电场强度变化率变化趋势。

图3是1000kV特高压输电线路正三角导线排列方式空间方位图(单位：毫米)。

图4是1000kV特高压输电线路正三角排列方式下电场强度变化率变化趋势。

图5是500kV超高压输电线路倒三角导线排列方式空间方位图(单位：毫米)。

图6是500kV超高压输电线路倒三角排列方式下电场强度变化率变化趋势。

图7是500kV超高压输电线路水平导线排列方式空间方位图(单位：毫米)。

图8是500kV超高压输电线路水平排列方式下电场强度变化率变化趋势。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1：

基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法，提供一种基于电场强度变化率的高压输电线路无人机巡检避障***，它包括巡检无人机，在无人机上设有电场避障装置，该装置包括DSP数据处理模块，依次连接的电场测量传感器、信号处理单元和A/D转化单元，A/D转化单元与DSP数据处理模块输入端连接，DSP数据处理模块输出端与机载飞控***连接。

所述机载飞控***包括飞控***机载控制计算机，它分别与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、舵机控制器、数传电台，舵机控制器与伺服舵机连接，数传电台则与地面站通信。

所述电场避障装置整体要处在巡检无人机机体正下方中央位置，其步骤为：

步骤一：无人机巡检带电导线前,工作人员事先根据输电线路的排列情况,人为选定该排列方式下的无人机避障策略,所述的无人机避障策略具体方式包括：(1)正三角排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于15.5V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；(2)在倒三角排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于26.3V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；(3)在水平排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于46.7V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；

步骤二：巡检无人机巡检带电导线时，机身与输电线路方向基本平行；

步骤三：电场测量传感器将所测电场强度变化率数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度变化率值后送入DSP数据处理模块中；DSP数据处理模块中的判断算法如下：

取工频电场测量模块测得的电场强度变化率数值进行如下判断：

其中：E为电场强度有效值(单位V/m)，x为无人机距离边项导线的距离(单位：米)，为电场强度有效值对x的一阶导数即电场强度的变化率(单位V/m²)。

1)正三角排列方式下：

则输出“安全”指令；

则输出“避障”指令；

2)倒三角排列方式下：

则输出“安全”指令；

则输出“避障”指令；

3)水平排列方式下:

则输出“安全”指令；

则输出“避障”指令；

步骤四：避障指令由DSP数据处理模块输出给机载飞控***，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障”时，先将无人机悬停，通过实时传回的视频判断发出“原路返航”或“临时调整路线”的指令。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种基于电场强度变化率的高压同塔单回输电线路无人机巡检避障方法，提供一种基于电场强度变化率的高压输电线路无人机巡检避障***，它包括巡检无人机；所述的巡检无人机在上设有电场避障装置，该装置包括DSP数据处理模块，依次连接的电场测量传感器、信号处理单元和A/D转化单元，A/D转化单元与DSP数据处理模块输入端连接，DSP数据处理模块输出端与机载飞控***连接；

所述机载飞控***包括飞控***机载控制计算机，它分别与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器、PCM遥控接收机、舵机控制器、数传电台，舵机控制器与伺服舵机连接，数传电台则与地面站通信,

所述电场避障装置整体要处在巡检无人机机体正下方中央位置，其步骤为：

步骤一：无人机巡检带电导线前,工作人员事先根据输电线路的排列情况,人为选定该排列方式下的无人机避障策略,所述的无人机避障策略具体方式包括：

(1)正三角排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于15.5V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；

(2)在倒三角排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于26.3V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；

(3)在水平排列方式下的高压和特高压输电线路，当检测到无人机本体处的电场强度变化率大于等于46.7V/m²时就应该发出避障指令；反之则说明无人机处于安全区域，无需发出避障指令；

步骤二：巡检无人机巡检带电导线时，机身与输电线路方向基本平行；

步骤三：电场测量传感器将所测电场强度变化率数值输入信号处理单元，提取工频范围内的电场强度变化率值后送入DSP数据处理模块中。DSP数据处理模块中的判断算法如下：

取工频电场测量模块测得的电场强度变化率数值进行如下判断：

其中：E为电场强度有效值(单位V/m)，x为无人机距离边项导线的距离(单位：米)，为电场强度有效值对x的一阶导数即电场强度的变化率(单位V/m²),

1)正三角排列方式下：

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}<15.5(V/m^2),$ 则输出“安全”指令；

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}>15.5(V/m^2),$ 则输出“避障”指令；

2)倒三角排列方式下：

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}<26.3(V/m^2),$ 则输出“安全”指令；

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}>26.3(V/m^2),$ 则输出“避障”指令；

3)水平排列方式下:

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}<46.7(V/m^2),$ 则输出“安全”指令；

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dx}}>46.7(V/m^2),$ 则输出“避障”指令；

步骤四：避障指令由DSP数据处理模块输出给机载飞控***，进而由无人机舵机控制器控制伺服舵机进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障”时，先将无人机悬停，通过实时传回的视频判断发出“原路返航”或“临时调整路线”的指令。