CN105182996A - 巡检带电输电线路遇坡度的无人直升机避障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巡检带电输电线路遇坡度的无人直升机避障方法。该方法是在无人直升机上预先安装一个电场避障装置，利用该装置实现电力巡线过程的避障。该装置组成部分电场测量回路、DSP数据处理器，其中电场测量回路有三路，一模一样，分别安装于无人直升机的左前、左后、右后(针对无人直升机在输电线路右侧)；而信号采集模块输出端连接于DSP数据处理器，后者又与机载飞控***计算机相连接。本发明主要实现巡检过程中无人直升机对输电导线遇坡度的自主避障，可有效避免由于飞行高度不够、飞行航向角误差、GPS定位导航不够精确，阵风过大等造成的无人直升机偏离预定航向飞行，从而引发无人直升机与输电导线或其它障碍物发生碰撞。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人直升机避障方法，特别是一种巡检带电输电线路遇坡度的无人直升机避障方法。
背景技术
随着我国建设坚强智能电网及特高压输电网架的步伐不断加快，输电线路的数量和长度也日益增加，并逐步呈现出电压等级、杆塔高度越来越高、传输距离越来越远、分布范围越来越广的特点，巡检作业人员的工作量也随之增大。目前，常见的线路巡检大多采用人工巡线、车辆巡线和直升机巡线。人工巡线不仅巡线效率低，劳动强度大，车辆巡线受地面交通的限制，遇到跨河或者深山中的线路，很多地方无法实现车辆巡线；直升机巡线可以减少人力，提高效率，但其成本较高，而且很难达到需要的巡视精度。采用无人直升机进行输电线路巡视，极大地提高了输电线路的巡检质量和效率，降低了维护人员的作业风险和劳动强度，同时又大幅降低线路巡检的人、财、物，性价比高，具有极高的经济价值，极大提升了输电线路运行维护管理水平。但无人直升机巡线过程中，还难免会遇到树木、建筑物等障碍物。因此人们对无人直升机在巡线过程中的避障进行了多方的研究，如目前利用高压输电线路电场强度进行无人机巡线避障的方法，如专利“CN201210222437”，这种避障方法，存在不足之处。
其一是：其所采用的避障方法是基于二维平面的，没有考虑线路走廊上出现的各种地形地貌的改变导致线路周围电场强度的改变。
其二是：上述专利是利用根据高压输电输电线路周围的磁场环境的特殊性，通过检测巡检飞机机载设备检测到的磁场强度变化，来判断作业飞机的位置。但由于运行的输电线路的电流大小随负载的变化而变化。而磁场强度受电流影响较大，不具备检测依据的稳定性，所以利用该检测方法得到的结果误差很大。
其三是：上述专利中较少有专门针对输电导线遇坡度的避障，并说明该方法可行性的应用实例。但由于我国地形复杂，高压输电线路并不都是水平架设的，要经过山地、湖泊等，导致技术在实际工程应用中的普及受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种根据带电导线周围电磁场环境的特殊性，可利用导线间距与电磁场强度之间的对应关系，通过数据计算处理，以及与无人直升机飞控***之间的数据交互和判断，来确定是否需要进行避障动作来改变无人直升机的航向角的巡检带电输电线路遇坡度的无人直升机避障方法。
一种巡检带电输电线路遇坡度的无人直升机避障方法，在无人直升机上设有电场避障装置，该装置包含三路完全相同的电场测量回路，其中各电场测量回路包括依次连接的电场测量传感器，信号采集模块，信号采集模块与DSP数据处理器输入端连接，数据处理输出端与飞控***连接，两路电场测量回路A、B左右对称安装，A、C前后对称安装，保证处于A、C处在同一水平线上，分别位于机身的左前、左后，其步骤为：
(1)：巡检无人直升机巡检带电导线时，机身与带电输电导线方向基本平行，以保证两个电场强度数值差值的有效和保障无人直升机巡线***及输电导线的安全；记两电场测量传感器的安装间距为d，并输入DSP数据处理器中；电场测量传感器将所测电场强度数值输入DSP数据处理器中；
(2)：根据电场避障装置中电场测量传感器采集的数据，进行避障指令的判断；其包括：
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k的限值，仿真得出，
b.在某一时刻T，三电场测量传感器测得数值经处理转化后分别记为u，v，w输入DSP数据处理器进行如下判断：
其中，k为某电压等级输电线路与边相导线距离n处的电场强度变化率限值；220kV与500kV输电线路的电场强度变化率限值分别为：k(220)＝43V/m2，k(500)＝63V/m2；
控制过程是DSP数据处理器将结果输出给飞控***，由飞控***确定下一步要执行的动作，指令是由数据处理及转化模块输出给无人直升机飞行控制***，进而控制无人直升机机体进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“横向避障”时，无人直升机加大离边相导线距离；指令为“正前方避障”时，无人直升机调整航向角；当指令是“前方导线时”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。
本发明的方法将电场测量传感器所测电场强度数值输入信号采集模块，信号采集模块将结果输给DSP数据处理器，按照上述步骤中所述判据处理，将生成的避障判断结果输入到飞控***计算机，进而将避障指令发送给舵机控制器，由其控制伺服舵机来改变无人直升机平台的飞行状态。
综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：
1)本发明提出的用于巡检带电导线遇坡度的无人直升机电场避障***及方法，利用该***能够实现无人直升机巡检带电导线遇坡度时，对依靠实时视频难以识别的导线进行避障，可以有效保障输电导线、无人直升机的安全，提升电力巡检工作的效率和可靠性。
2)上述巡检带电导线遇坡度的无人直升机电场避障***，是根据带电导线周围电场环境的变化特性而设计提出的。***所需用的元器件体积较小、轻便简单，不但克服了其它测距方法如红外测距和激光测距等检测误差大的问题，而且又避免了微波雷达测距设备笨重，不便于无人直升机搭载的缺点。
3)上述巡检带电导线遇坡度的无人直升机电场测量避障方法中，用于判断无人直升机是否需要对输电导线避障的测量参数结合了无人直升机所处位置电场强度数值和电场强度的变化率。利用电场强度变化率判断可以减少判断误差可能性，直接利用电场强度数值做判断则更加简便。
附图说明
图1为无人直升机巡检带电导线遇坡度的电场测量避障***的结构框图。
图2为电场强度测量传感器布置图。
图3为无人直升机巡检带电导线示意图。
图4为无人直升机巡检带电导线实施框图。
图5为无人直升机巡检220kV输电导线时，与输电导线水平间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
图6为220kV输电线路仿真模型杆塔。
图7为无人直升机巡检500kV输电导线时，与输电导线水平间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
图8为500kV输电线路仿真模型杆塔；
其中，l、电场测量传感器，2、信号采集模块，3、DSP数据处理器，4、飞控***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1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，信号采集模块2与DSP数据处理器3输入端连接，DSP数据处理器3输出端与飞控***连接。
所述飞控***包括飞控***计算机4，它分别与陀螺稳定平台5、伺服控制组件6、通讯组件7、卫星定位模块8、舵机控制器9连接。
所述电场避障装置中，两路电场测量回路A、B左右对称安装，A、C前后对称安装，保证处于A、C处在同一水平线上，分别位于机身的左前、左后。
电场测量传感器l将所测电场强度数值输入信号采集模块2，由信号采集模块2处理后输入到DSP数据处理器3(三电场测量回路均如此)，按照上述步骤b中所述判据处理，生成的避障判断结果输入飞控***计算机4，进而将避障指令发送给舵机控制器9，从而来改变无人直升机平台的飞行状态。
本发明避障方法的步骤为：
步骤一：安装电场避障装置。无人直升机巡检带电导线遇坡度时，为保持整机的平衡性良好，电场避障装置10整体包含电场测量回路和DSP数据处理器两部分，其中两路电场测量回路A、B左右对称安装，A、C前后对称安装，保证处于A、C处在同一水平线上，分别位于机身的左前、左后。如图l所示的三个电场测量传感器l、三个信号采集模块2，采用上述安装方法的电场避障***，无人直升机巡检坡度带电导线时，机身仍需与输电导线方向基本平行(一般无人直升机巡检坡度带电导线时均如此，防止无人直升机与输电线路或障碍物碰撞)。
步骤二：将两电场测量传感器A、B安装间距d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，进行避障指令的判断。
上述步骤三包含以下几个步骤：
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k值)，仿真得出，对220kV、500kV输电导线分别对应k(220)＝43V/m2,k(500)＝63V/m2；
b.避障判断。DSP数据处理器中的判据如下：
无人直升机巡检带电导线遇坡度时，在某一时刻T，三电场测量传感器测得数值经处理转化后(分别记为u,v,w)输入DSP数据处理器，DSP数据处理器进行如下判断：
其中，k为电场强度变化率限值；
c.避障动作。指令是由数据处理及转化模块输出给无人直升机飞行控制***，进而控制无人直升机机体进行下一步动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“横向避障”时，无人直升机加大离边相导线距离；指令为“正前方避障”时，无人直升机调整航向角；当指令是“前方导线时”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。
如图l所示，其中，电场测量传感器l用来测量所处环境中电场强度大小；信号处理单元2用来提取工频范围内的电场强度数值。
电场测量传感器l将所测电场强度数值输入信号采集模块2，提取工频范围内的电场强度数值后，输入到DSP数据处理器3(两电场测量回路均如此)，按照上述步骤a中所述判据处理，生成的避障判断结果输入飞控***机载控制计算机4，进而将避障指令发送给舵机控制器9，从而来改变无人直升机平台的飞行状态。
上述步骤a中，不同电压等级输电线路对应k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k值计算，如下所示：
结果一：
对220kV输电导线进行仿真建模，得到图5，为无人直升机巡检220kV输电导线时，离边相输电导线的水平间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
取k为距导线18m时电场强度变化率数值，取k为距水平导线18m时电场强度变化率数值，即k(220)＝43V/m2。
图5中为仿真数据。根据电场强度变化率避障和航向角调整***也能够按照预设与导线距离，产生飞行调整信号，说明了电场强度避障***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7为无人直升机巡检500kV输电导线时，离边相输电导线的水平间距和电场强度变化率的对应关系示意图。
取k为距水平导线22m时电场强度变化率数值，即k(500)＝63V/m2。
图7中为仿真数据。电场强度变化率避障和航向角调整***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)
1.一种巡检带电输电线路遇坡度的无人直升机避障方法，其特征在于：在无人直升机上设有电场避障装置，该装置包含三路完全相同的电场测量回路，其中各电场测量回路包括依次连接的电场测量传感器，信号采集模块，信号采集模块与DSP数据处理器输入端连接，数据处理输出端与飞控***连接，两路电场测量回路A、B左右对称安装，A、C前后对称安装，保证处于A、C处在同一水平线上，分别位于机身的左前、左后，其步骤在于：
(1)：巡检无人直升机巡检带电导线时，机身与输电导线方向基本平行，以保证两个电场强度数值差值的有效和保障无人直升机巡线***及输电导线的安全；记两电场测量传感器的安装间距为d，并输入DSP数据处理器中；电场测量传感器将所测电场强度数值输入DSP数据处理器中；
(2)：根据电场避障装置中电场测量传感器采集的数据，进行避障指令的判断；其包括：
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k的限值，仿真得出，
b.在某一时刻T，三电场测量传感器测得数值经处理转化后分别记为u，v，w输入DSP数据处理器进行如下判断：
其中，k为某电压等级输电线路与边相导线距离n处的电场强度变化率限值；其中，220kV输电线路的电场强度变化率限值为：k＝43V/m2；500kV输电线路的电场强度变化率限值为k＝63V/m2；
执行的动作，指令为“安全”时，继续当前飞行任务；指令为“横向避障”时，无人直升机加大离边相导线距离；指令为“正前方避障”时，无人直升机调整航向角；当指令是“前方导线时”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。
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