CN105159316A

CN105159316A - 一种无人直升机巡检带电输电线路的三维电场差分避障方法

Info

Publication number: CN105159316A
Application number: CN201510582234.6A
Authority: CN
Inventors: 宋福根; 林韩; 兰生
Original assignee: Fuzhou Zpower Technology Development Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Fujian Electric Power Co Ltd; Fuzhou Power Supply Co of State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
Current assignee: Fuzhou Zpower Technology Development Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Fujian Electric Power Co Ltd; Fuzhou Power Supply Co of State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种无人直升机巡检带电输电线路的三维电场差分避障方法，所采用的方法是在巡检线路的无人直升机上安装三个电场传感器，这三个电场传感器测到的电场强度值，汇集到数据采集处理器，数据采集处理器由DSP模块构成，电场传感器和信号采集处理单元进入DSP数据处理模块，DSP数据处理模块输出到无人机飞控***，DSP数据处理器内部根据一定的算法和避开导线的策略，通过机载飞控***发出指令，调整无人机的飞行高度和方向，实现了无人直升机对高压输电线路的避障，可有效避免无人直升机在巡检带电导线时，偏离预定航向而使无人直升机与输电线路碰撞情况，保障无人直升机巡线***及输电线路的安全。

Description

一种无人直升机巡检带电输电线路的三维电场差分避障方法

技术领域

本发明涉及一种无人直升机避障方法，特别是一种无人直升机巡检带电输电线路的三维电场差分避障方法。

背景技术

随着我国电网的高压、超高压和特高压电网的建设规模逐步扩大，高压输电线路的总距离也日益增大，输电线路的巡检对输电的安全越来越重要，输电线路设备保障电网的安全稳定运行至关重要，随着电压等级提高，线路杆塔高度越来越高，输电线路的巡检作业需要快速高效地进行。目前巡线方法，比较先进的为采用无人直升机进行巡线，目前的无人直升机巡线时，往往涉及到无人直升机避障，现有的无人直升机避障，如专利“CN201210222437”一种用于无人机巡检带点导线的电场差分避障***及方法”是通过检测无人机所处位置的电场强度的变化与仿真结果对比，进而进行对位置检测和判断。在检测过程中，专利“CN201210222437”利用输电线路截面的两个电场强度的差值的变化率，在无人机在输电线路飞行时候，要求无人机与输电线路平行飞行，实际上可能会不在一个水平线上，所以这种检测方法所得的结果对无人机的飞行安全有局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种能够实现无人直升机对输电导线的三维空间避障，避免无人直升机巡检带电导线时，由于GPS导航误差或飞行高度不够导致无人直升机与输电线路碰撞情况的发生，保障无人直升机及输电线路的安全的一种无人直升机巡检带电输电线路的三维电场差分避障方法。

一种无人直升机巡检带电输电线路的三维电场差分避障方法，在无人直升机上安装有电场强度测量传感器，DSP数据处理器，三路完全相同的电场测量回路，各电场测量回路包括依次连接的电场测量传感器、信号处理单元，DSP数据处理器。DSP数据处理器输出端与无人机飞控***连接，所述电场避障装置整体要处在巡检无人直升机机体正下方中央位置和斜上方位置，底下两路电场测量回路左右对称安装，其具体步骤为：

(1)作业无人直升机巡检带电导线时，机身应该保持水平方向，并沿着输电线路飞行；记三个电场测量传感器的安装间距分别为a、b、c，并输入DSP数据处理器；电场测量传感器将所测电场强度数值信号处理后送入DSP数据处理器中；

(2)根据电场测量传感器采集的电场强度数据，进行避障判断；具体过程为：

a.仿真计算，对输电导线建立电场计算模型，利用电场数值计算软件Ansys进行仿真计算，得到输电线路一定距离的电场强度数值分布，其中，电场强度变化率k₁、k₃的限值分别为k₁(220)＝43V/m²、k₃(220)＝160V/m²，k₁(500)＝63V/m²、k₃(500)＝371V/m²；

b.避障和高度调整判断。DSP数据处理器的判断算法如下：在某一时刻T，三个电场测量传感器测得数值经处理转化后分别记为n₁、n₂、n₃，输入DSP数据处理器得出如下判断指令：

时，输出“安全”指令给飞控***；

时，输出“横向避障”指令；

时，输出“高度过低避障”指令；

c.避障和高度调整动作指令。DSP发出指令给飞行控制***，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“横向避障”或“高度过低避障”时，先将无人直升机悬停，通过判断发出“反向飞行”或“提升高度避障”的指令。

本发明的避障方法由电场测量传感器将所测电场强度数值输入到信号采集单元，在传输给DSP数据处理器，数据在处理器里进行一定的算法计算处理，生成的避障和高度调整判断指令输入飞控***，将安全、高度调整和避障指令发送给舵机控制器，控制无人直升机的飞行状态。同时，飞控***机载控制计算机会将避障判断的信息一同通过数传电台进行与地面站之间的交互。

综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：

1)本发明设计了一种用于无人直升机巡检带电导线的三维电场差分避障方法，利用该***，能够实现无人直升机巡检带电导线时避障，保障无人直升机巡线的安全。

2)无人直升机巡检带电导线的三维电场差分避障***，属于被动式测量，避免主动式测量的一些缺点，例如能够克服其他设备检测方法的正确率低、设备体积、重量过大问题。

3)上述无人直升机巡检带电导线的三维电场测量避障方法，是测量输电线路的工频电场，能采集到比较强的信号和数据，具有很好的抗干扰性能。以220kV、500kV电压等级的输电导线为例，提供了用于对比判断的仿真计算结果。

附图说明

图1为无人直升机巡检带电导线的电场测量避障***的结构及数据流程图。

图2电场强度测量传感器布置图。

图3为220kV输电导线水平方向空间电场变化率对应仿真关系图。

图4为220kV输电导线距边相导线水平距离分别为30m处竖直方向空间电场变化率。

图5为220kV铁塔图。

图6为500kV输电导线水平方向空间电场变化率对应仿真关系图。

图7为500kV输电导线距边相导线水平距离分别为30m处竖直方向空间电场变化率；

图8为500kV铁塔图。

图1中，各部分原件分别为：l、电场测量传感器，2、信号采集模块，3、DSP数据处理器，4、航控***控制计算机，5、陀螺稳定平台，6、伺服控制组件，7、通讯组件，8、卫星定位模块，9、舵机控制器，10、电场避障装置。

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：

图l中，它包括巡检无人直升机，在无人直升机上设有电场避障装置10，该装置包括DSP数据处理器3，三路完全相同的电场测量回路，各电场测量回路包括依次连接的电场测量传感器l、信号采集模块2和DSP数据处理器3，DSP数据处理器3输出端与飞控***4连接。

电场传感器A和B装设在无人直升机机体正下方左右对称布置，电场传感器C装在无人直升机测上方位置，A、B两路电场测量回路左右对称安装。

电场测量传感器A、B、C分别将所测电场强度数值输入信号采集模块2，测到的电场强度数值输入到DSP数据处理器3(三电场测量回路均如此)，按照上述步骤b中所述算法处理，生成的判断结果输入飞控***控制计算机4，进而将避障和姿态调整指令发送给舵机控制器9，调整无人直升机平台的飞行状态。同时，飞控***计算机会将状态信息，以及避障判断的信息同地面站交互。

本发明高度调整和避障方法的步骤为：

步骤一：安装电场传感器。无人直升机巡检带电导线时，电场避障装置16整体包含三部分A、B、C，其中A、B部分处在无人直升机机体正下方中央位置并左右对称和C位于无人直升机侧上方位置，如图l所示的三个电场测量传感器l、三个信号采集处理2，采用上述安装方法的三维电场差分避障***，无人直升机巡检带电导线时，机身需与输电导线方向基本平行(一般无人直升机巡检带电导线时均如此，这样能够保证三个电场强度数值差值的有效)。记三电场测量传感器A、B、C安装间距为分别为AB＝a、BC＝b、AC＝c。

步骤二：将三电场测量传感器l安装间距a、b、c输入DSP数据处理器。

步骤三：根据电场避障装置10中电场测量传感器l采集的数据，进行避障和高度调整指令的判断。

a.仿真计算。

对输电导线建立电场计算模型，利用电场数值计算软件ANSYS进行仿真计算，得到输电线路一定距离的电场强度数值分布。设定一个电场强度变化率的限值(下述公式中k1、k3值)，仿真得出，对220kV、500kV输电导线的电场强度变化率限值分别对应为k1(220)＝43V/m2、k3(220)＝160V/m2，k1(500)＝63V/m2、k3(500)＝371V/m2。

b.避障和高度调整判断。

DSP数据处理器的判断算法如下：

无人直升机巡检带电导线时，在某一时刻，三电场测量传感器测得数值(分别记为n1、n2、n3)输入到DSP数据处理器，进行如下判断运算：

时，输出“安全”指令给飞控***；

时，输出“横向避障”指令；

时，输出“高度过低避障”指令；

其中，k1、k3分别为电场强度变化率的限值。

c.避障和高度调整动作指令。DSP发出指令给飞行控制***，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“避障和高度调整”时，先将无人直升机悬停，通过判断发出“高度调整”或“提升高度避障”的指令。

电场测量传感器l将所测电场强度数值输入信号采集处理2后，输入到DSP数据处理器4(三电场测量回路均如此)，按照上述步骤b中所述算法处理，生成的判断指令输入飞控***机载计算机4，将调整飞行控制伺服6去改变飞行状态。

上述步骤a中，不同电压等级输电线路对应k1、k3值不同；对同电压等级不同线路参数(包括导线相间距、导线距地高度、导线型号)的导线，电场强度数值略有差异，对于k1、k3值计算，如下所示：

结果一：

k1(220)＝43V/m2、k3(220)＝160V/m2，k1(500)＝63V/m2、k3(500)＝371V/m2。

对220kV输电导线进行仿真建模，得到图3为220kV输电导线水平方向空间电场变化率对应仿真关系图。

取k1为距导线18m时电场强度变化率数值，取k1为距水平导线18m时电场强度变化率数值，即k1(220)＝43V/m2。

图4为220kV输电导线距边相导线水平距离分别为30m处竖直方向空间电场变化率；

取k3为距导线水平面竖直±10m时电场强度变化率数值，k3(220)＝160V/m2。

图3和图4中为仿真数据。三维电场强度变化率避障和高度调整***也能够按照预设与导线空间距离，产生飞行调整信号，说明了三维电场强度避障***及仿真数据的实用性。

结果二：

对500kV输电导线进行仿真建模，得到图6为500kV输电导线水平方向空间电场变化率对应仿真关系图。

取k1为距水平导线22m时电场强度变化率数值，即k1(500)＝63V/m2。

图7为220kV输电导线距边相导线水平距离分别为30m处竖直方向空间电场变化率。

取k3为距导线水平面竖直22m时电场强度变化率数值，即k3(500)＝371V/m2。

图6和图7中为仿真数据。三维电场强度变化率避障和高度调整***也能够按照预设与导线空间距离，产生飞行调整信号，说明了三维电场强度避障***及仿真数据的实用性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims

1.一种无人直升机巡检带电输电线路的三维电场差分避障方法，其特征在于：在无人直升机上设有电场强度测量传感器，DSP数据处理器，三路完全相同的电场测量回路，各电场测量回路包括依次连接的电场测量传感器、信号处理单元，DSP数据处理器,DSP数据处理器输出端与无人机飞控***连接，所述电场避障装置整体要处在巡检无人直升机机体正下方中央位置和斜上方位置，底下两路电场测量回路左右对称安装，其具体步骤为：

(1)巡检无人直升机巡检带电导线时，机身应该保持水平方向，并沿着输电线路飞行；记三个电场测量传感器的安装间距分别为a、b、c，并输入DSP数据处理器；电场测量传感器将所测电场强度数值信号处理后送入DSP数据处理器中；

(2)：根据电场测量传感器采集的电场强度数据，进行避障和高度调整指令的判断；具体过程为：

a.仿真计算，对输电导线建立电场计算模型，利用电场数值计算软件ANSYS进行仿真计算，得到输电线路一定距离的电场强度数值分布，其中，电场强度变化率k₁、k₃的限值分别为当电压为220kV时，k₁＝43V/m²、k₃＝160V/m²，当电压为500kV时k₁＝63V/m²、k₃＝371V/m²；

b.避障和高度调整判断，DSP数据处理器的判断算法如下：在某一时刻T，三个电场测量传感器测得数值经处理转化后分别记为n₁、n₂、n₃，输入DSP数据处理器得出如下判断指令：

时，输出“安全”指令给飞控***；

时，输出“横向避障”指令；

时，输出“高度过低避障”指令；

c.避障和高度调整动作指令，由DSP发出指令给飞行控制***，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“横向避障”或“高度过低避障”时，先将无人直升机悬停，通过判断发出“反向飞行”或“提升高度避障”的指令。