CN109933090A - 一种巡视高压线路的多旋翼飞行器及其避障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巡视高压线路的多旋翼飞行器及其避障方法，包括多旋翼无人机、电场检测部件，电场检测部件包括四个电场测量传感器、AD转换模块，DSP数据处理模块和十字安装架，十字安装架安装在多旋翼无人机底部的中心位置，四个电场测量传感器安装在十字安装架的四个角上，AD转换模块、DSP数据处理模块安装在十字安装架的中心处，四个电场测量传感器与AD转换模块连接，AD转换模块与DSP数据处理模块连接，DSP数据处理模块与多旋翼无人机的机载飞行控制***连接，本多旋翼飞行器能自动调整航向，保持无人机既不偏离导线上方，也能与导线保持安全距离，更好的保障无人机巡线***及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种巡视高压线路的多旋翼飞行器及其避障方法，属于输电线路巡线无人机领域。
背景技术
我国的输电线路点多面广，所处地形复杂，自然环境恶劣，电力线及杆塔附件长期暴露在野外，受到持续的机械张力，雷电闪络，材料老化，人为的影响而产生的倒塔，断塔，磨损，腐蚀，受力等损伤，必须及时修复和更换。绝缘子还存在被雷击伤，树木生长引起输电线放电，杆塔存在被盗劫等意外事件，必须及时处理。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨海大江大河输电线路的巡检，以及在冰灾，水灾，地震，滑坡，夜晚间巡线检查，所化时间长，人力成本高，困难大。此外，有一些巡检项目靠常规方法还难以完成。无人机，是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。利用无人机进行输电线路巡线研究需要跨多个高技术专业，研究深度和水平要求较高。是一项新技术，但与以往的方法相比较，此项技术更为先进有效，可以成为保障线路安全运行的一种新的经济可行的手段。
无人机电力巡线过程中的避障问题是这项技术当下首要解决的问题。由于无人机GPS导航存在误差，巡检飞行时可能遇到阵风过大，以及无人机的飞行高度不够等因素会导致无人机在执行任务的过程中可能会出现偏离预定航向的情况，存在造成无人机与输电线路或其他障碍物发生碰撞的危险。山、树木、铁塔等其他障碍物体积较大，可通过无人机实时传回地面站的视频即能够识别，但由于输电导线线径小，视频很难识别，为了保障无人机巡线***及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性，有必要实现无人机对输电导线的避障。
因此人们在处理巡线中的无人机与输电线的关系方面进行了许多的研究，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“CN102736632”，但种避障方法，只能进行是否需要避障的判断，具体避障过程需要悬停无人机，并进行人工的操控，在飞行过程中不能自动的调整无人机与导线之间的位置关系。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种自动巡检带电导线并进行保持安全距离飞行的多旋翼飞行器，本发明的多旋翼飞行器能在无人机偏移预定航向以及飞行位置发生变化后，自动进行航向的调整，保持无人机既不偏离导线上方，也能与导线保持安全距离，能更好的保障无人机巡线***及输电线路的安全，提升巡线作业的可靠性。
本发明的技术方案是：一种巡视高压线路的多旋翼飞行器，包括多旋翼无人机、电场检测部件，所述电场检测部件安装在多旋翼无人机的底部，所述电场检测部件包括电场测量传感器Ⅰ、电场测量传感器Ⅱ、电场测量传感器Ⅲ、电场测量传感器Ⅳ、AD转换模块，DSP数据处理模块和十字安装架，所述十字安装架安装在多旋翼无人机底部的中心位置，所述电场测量传感器Ⅰ、电场测量传感器Ⅱ、电场测量传感器Ⅲ、电场测量传感器Ⅳ分别安装在十字安装架的四个角上，所述AD转换模块、DSP数据处理模块均安装在十字安装架的中心处，所述电场测量传感器Ⅰ、电场测量传感器Ⅱ、电场测量传感器Ⅲ、电场测量传感器Ⅳ分别与AD转换模块连接，AD转换模块与DSP数据处理模块连接，DSP数据处理模块与多旋翼无人机的机载飞行控制***连接。
所述电场测量传感器Ⅰ、电场测量传感器Ⅱ安装在十字安装架的横向架的两个角上，电场测量传感器Ⅲ、电场测量传感器Ⅳ安装在十字安装架的竖向架的两个角上。
本发明还提供了一种利用巡视高压线路的多旋翼飞行器进行避障的方法，具体步骤如下：
将电场测量传感器Ⅰ、电场测量传感器Ⅱ记为A组，电场测量传感器Ⅰ为A1，电场测量传感器Ⅱ为A2，A组为与飞行器飞行正前方垂直的传感器，A组的传感器用于检测多旋翼无人机垂直于飞行方向的航线偏移，电场测量传感器Ⅲ、电场测量传感器Ⅳ记为B组，电场测量传感器Ⅲ为B1，电场测量传感器Ⅳ为B2，B组为与飞行器飞行正前方平行的传感器，B组的传感器用于检测无人机平行于飞行方向的航线偏移，A组与B组的传感器将检测到的数据传输至AD转换模块中，AD转换模块对数据进行转换后再传输至DSP数据处理模块中，DSP数据处理模块根据数据进行避障判断并计算飞行偏移角度，并将判断的结果及偏移角输出至飞行控制***中，飞行控制***将参考偏移角进行飞行控制，使无人机始终飞行在导线上方，实现了无人机对输电导线的巡线和避障。
所述DSP数据处理模块根据数据进行避障判断及计算偏移角的具体步骤为：
记在t1时刻，电场测量传感器A1、A2、B1、B2测得的数据经AD转换模块处理转化后为Va1、Va2、Vb1、Vb2，在t2时刻，电场测量传感器A1、A2、B1、B2测得数据经AD转换模块处理转化后为V′a1、V′a2、V′b1、V′b2，同一传感器不同时刻间的差值分别记为ΔVa1＝|V′a1-Va1|，ΔVa2＝|V′a2-Va2|，ΔVb1＝|V′b1-Vb1|，ΔVb2＝|V′b2-Vb2|，DSP数据处理模块接收到上述数据后进行如下判断：
若max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}>D，则DSP数据处理模块发出避障指令，并计算飞行的偏移角θ,若max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}<D，则DSP数据处理模块计算飞行的偏移角θ'，
其中，D为多旋翼无人机飞行安全距离的电场强度数值，不同电压等级的输电线飞行安全距离不同，D值不同。
D值可在飞行的安全距离的电场强度数值中设定。
本发明的工作原理如下：
本发明通过四个电场测量传感器检测四个不同点的电场值，进行避障判断，当多旋翼飞行器距电线越近时，电场测量传感器检测的电场值越大，四个点中的电场强度的最大值，作为避障与否的判断条件，并据此选择不同的公式进行飞行偏移角的计算。利用在两个方向上的两组电场传感器，分别进行前后、左右飞行偏移状况检测，利用在同一直线上的传感器测量值在单位时间内变化的差值来检测一个方向的飞行偏转角，利用两个方向的检测值，计算出飞行偏转角θ。
生成的结果输入到多旋翼飞行器的飞行控制***，进而将飞行控制指令发送给舵机控制器，由其控制伺服舵机来改变无人机平台的飞行状态。同时，飞行控制***会将接收到的数据与数字罗盘、三轴陀螺仪、三轴加速度计、卫星定位模块、气压高度计、转速测量传感器和PCM遥控接收机的状态信息，一同结合计算，进行飞行控制。
本发明的有益效果是：
(1)本发明设计了一种用于电场自动巡线避障的多旋翼无人机，能够实现在多旋翼飞行器巡检带电导线时，自动纠正飞行方向，使多旋翼飞行器保持在导线上方，并且能与导线保持安全距离，提升巡线作业的可靠性，保障输电线路及多旋翼飞行器巡线***的安全。
(2)本发明的多旋翼飞行器，是根据带电导线周围电场环境的特殊性设计，所用元器件体积小、简单轻便。
(3)本发明对多旋翼飞行器进行整体性设计，设计过程中考虑了多旋翼飞行器的整体结构，保证了多旋翼飞行器的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明多旋翼无人机的底面剖视图；
图2为本发明多旋翼无人机的底面示意图；
图3为本发明方法中各元件传递信号示意图；
图中各标号：1-多旋翼无人机、2-十字安装架、3-电场测量传感器Ⅰ、4-电场测量传感器Ⅱ、5-电场测量传感器Ⅲ、6-电场测量传感器Ⅳ、7-DSP数据处理模块、8-AD转换模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：本巡视高压线路的多旋翼飞行器，如图1所示，包括多旋翼无人机1、电场检测部件，所述电场检测部件安装在多旋翼无人机1的底部，所述电场检测部件包括电场测量传感器Ⅰ3、电场测量传感器Ⅱ4、电场测量传感器Ⅲ5、电场测量传感器Ⅳ6、AD转换模块8，DSP数据处理模块7和十字安装架2，所述十字安装架2安装在多旋翼无人机1底部的中心位置，所述电场测量传感器Ⅰ3、电场测量传感器Ⅱ4、电场测量传感器Ⅲ5、电场测量传感器Ⅳ6分别安装在十字安装架2的四个角上，所述AD转换模块8、DSP数据处理模块7均安装在十字安装架2的中心处，所述电场测量传感器Ⅰ3、电场测量传感器Ⅱ4、电场测量传感器Ⅲ5、电场测量传感器Ⅳ6分别与AD转换模块8连接，AD转换模块8与DSP数据处理模块7连接，DSP数据处理模块7与多旋翼无人机1的机载飞行控制***连接。
如图2所示，设多旋翼无人机1的轴距为1，十字安装架2的尺寸为多旋翼无人机1轴距的0.8倍，所述电场测量传感器Ⅰ3、电场测量传感器Ⅱ4安装在十字安装架2的横向架的两个角上，电场测量传感器Ⅲ5、电场测量传感器Ⅳ6安装在十字安装架2的竖向架的两个角上。
多旋翼飞行器巡检带电导线时，为保持整机的平衡性良好，十字安装架2要处在多旋翼无人机1机体正下方中央位置，4个电场测量传感器对称安装、1个A/D转化模块，多旋翼飞行器巡检带电导线时，机身需与输电导线方向基本平行(一般无人机巡检带电导线时均如此，这样能够保证两个电场强度数值差值的有效)。
利用巡视高压线路的多旋翼飞行器进行避障的方法，具体步骤如下：
将电场测量传感器Ⅰ3、电场测量传感器Ⅱ4记为A组，电场测量传感器Ⅰ3为A1，电场测量传感器Ⅱ4为A2，A组为与飞行器飞行正前方垂直的传感器，A组的传感器用于检测多旋翼无人机1垂直于飞行方向的航线偏移，电场测量传感器Ⅲ5、电场测量传感器Ⅳ6记为B组，电场测量传感器Ⅲ5为B1，电场测量传感器Ⅳ6为B2，B组为与飞行器飞行正前方平行的传感器，B组的传感器用于检测无人机平行于飞行方向的航线偏移，A组与B组的传感器将检测到的数据传输至AD转换模块8中，AD转换模块8对数据进行转换后再传输至DSP数据处理模块7中，DSP数据处理模块7根据数据进行避障判断并计算飞行偏移角度，并将判断的结果及偏移角输出至飞行控制***中，飞行控制***将参考偏移角进行飞行控制，使无人机始终飞行在导线上方，实现了无人机对输电导线的巡线和避障，各元件传递信号示意图如图3所示。
所述DSP数据处理模块7根据数据进行避障判断及计算偏移角的具体步骤为：
记在t1时刻，电场测量传感器A1、A2、B1、B2测得的数据经AD转换模块8处理转化后为Va1、Va2、Vb1、Vb2，在t2时刻，电场测量传感器A1、A2、B1、B2测得数据经AD转换模块8处理转化后为V′a1、V′a2、V′b1、V′b2，同一传感器不同时刻间的差值分别记为ΔVa1＝|V′a1-Va1|，ΔVa2＝|V′a2-Va2|，ΔVb1＝|V′b1-Vb1|，ΔVb2＝|V′b2-Vb2|，DSP数据处理模块7接收到上述数据后进行如下判断：
若max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}>D，则DSP数据处理模块7发出避障指令，并计算飞行的偏移角θ,若max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}<D，则DSP数据处理模块7计算飞行的偏移角θ'，
其中，D为多旋翼无人机1飞行安全距离的电场强度数值，不同电压等级的输电线飞行安全距离不同，D值不同。对于220kV及以下电压作业对象，飞行器保持5米以上安全距离，对于550kV及以下作业对象，保持10米以上安全距离，对与1000kV以上，保持至少20米以上安全距离作业，不同的距离，D值不同。220kV及以下电压作业对象，令D(220)＝2.3(kV/m)，550kV及以下作业对象，令D(550)＝3.9(kV/m)，1000kV以上电压作业对象，令D(1000)＝4.1(kV/m)。
本实施例的多旋翼飞行器进行220kV的导线巡检时，D(220)＝2.3(kV/m)，电场实时检测t1时刻，Va1＝1.617kV/m、Va2＝1.675kV/m、Vb1＝1.651kV/m、Vb2＝1.636kV/m；t2时刻，V′a1＝1.778kV/m、V′a2＝2.512kV/m、V′b1＝2.146kV/m、V′b2＝1.963kV/m，max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}<D(220)故不发出避障指令，ΔVa1＝|V′a1-Va1|＝0.161kV/m，ΔVa2＝|V′a2-Va2|＝0.837kV/m，ΔVb1＝|V′b1-Vb1|＝0.495kV/m，ΔVb2＝|V′b2-Vb2|＝0.327kV/m，则多旋翼飞行器的偏转方向为 DSP数据处理模块7将偏转角度传输至多旋翼无人机1的机载飞行控制***，多旋翼无人机1进行偏转。
实施例2：本实施例结构同实施例1，不同之处在于，多旋翼飞行器进行550kV的导线巡检，D(550)＝3.9(kV/m)，电场实时检测t1时刻，Va1＝1.952kV/m、Va2＝1.440kV/m、Vb1＝1.583kV/m、Vb2＝1.454kV/m，t2时刻，V′a1＝4.099kV/m、V′a2＝3.601kV/m、V′b1＝3.798kV/m、V′b2＝3.196kV/m，max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}>D(220)发出避障指令，ΔVa1＝|V′a1-Va1|＝2.147kV/m，ΔVa2＝|V′a2-Va2|＝2.161kV/m，ΔVb1＝|V′b1-Vb1|＝2.215kV/m，ΔVb2＝|V′b2-Vb2|＝1.756kV/m，则多旋翼飞行器的偏转方向为DSP数据处理模块7将避障指令及偏转角度传输至多旋翼无人机1的机载飞行控制***，多旋翼无人机1进行偏转。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种巡视高压线路的多旋翼飞行器，其特征在于，包括多旋翼无人机(1)、电场检测部件，所述电场检测部件安装在多旋翼无人机(1)的底部，所述电场检测部件包括电场测量传感器Ⅰ(3)、电场测量传感器Ⅱ(4)、电场测量传感器Ⅲ(5)、电场测量传感器Ⅳ(6)、AD转换模块(8)，DSP数据处理模块(7)和十字安装架(2)，所述十字安装架(2)安装在多旋翼无人机(1)底部的中心位置，所述电场测量传感器Ⅰ(3)、电场测量传感器Ⅱ(4)、电场测量传感器Ⅲ(5)、电场测量传感器Ⅳ(6)分别安装在十字安装架(2)的四个角上，所述AD转换模块(8)、DSP数据处理模块(7)均安装在十字安装架(2)的中心处，所述电场测量传感器Ⅰ(3)、电场测量传感器Ⅱ(4)、电场测量传感器Ⅲ(5)、电场测量传感器Ⅳ(6)分别与AD转换模块(8)连接，AD转换模块(8)与DSP数据处理模块(7)连接，DSP数据处理模块(7)与多旋翼无人机(1)的机载飞行控制***连接。
2.根据权利要求1所述的巡视高压线路的多旋翼飞行器，其特征在于：所述电场测量传感器Ⅰ(3)、电场测量传感器Ⅱ(4)安装在十字安装架(2)的横向架的两个角上，电场测量传感器Ⅲ(5)、电场测量传感器Ⅳ(6)安装在十字安装架(2)的竖向架的两个角上。
3.一种利用权利要求1～2所述的巡视高压线路的多旋翼飞行器进行避障的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将电场测量传感器Ⅰ(3)、电场测量传感器Ⅱ(4)记为A组，电场测量传感器Ⅰ(3)为A1，电场测量传感器Ⅱ(4)为A2，A组为与飞行器飞行正前方垂直的传感器，A组的传感器用于检测多旋翼无人机(1)垂直于飞行方向的航线偏移，电场测量传感器Ⅲ(5)、电场测量传感器Ⅳ(6)记为B组，电场测量传感器Ⅲ(5)为B1，电场测量传感器Ⅳ(6)为B2，B组为与飞行器飞行正前方平行的传感器，B组的传感器用于检测无人机平行于飞行方向的航线偏移，A组与B组的传感器将检测到的数据传输至AD转换模块(8)中，AD转换模块(8)对数据进行转换后再传输至DSP数据处理模块(7)中，DSP数据处理模块(7)根据数据进行避障判断并计算飞行偏移角度，并将判断的结果及偏移角输出至飞行控制***中，飞行控制***将参考偏移角进行飞行控制，使无人机始终飞行在导线上方，实现了无人机对输电导线的巡线和避障。
4.根据权利要求3所述的巡视高压线路的多旋翼飞行器进行避障的方法，其特征在于：所述DSP数据处理模块(7)根据数据进行避障判断及计算偏移角的具体步骤为：
记在t1时刻，电场测量传感器A1、A2、B1、B2测得的数据经AD转换模块(8)处理转化后为Va1、Va2、Vb1、Vb2，在t2时刻，电场测量传感器A1、A2、B1、B2测得数据经AD转换模块(8)处理转化后为V′a1、V′a2、V′b1、V′b2，同一传感器不同时刻间的差值分别记为ΔVa1＝|V′a1-Va1|，ΔVa2＝|V′a2-Va2|，ΔVb1＝|V′b1-Vb1|，ΔVb2＝|V′b2-Vb2|，DSP数据处理模块(7)接收到上述数据后进行如下判断：
若max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}＞D，则DSP数据处理模块(7)发出避障指令，并计算飞行的偏移角θ，若max{V′a1，V′a2，V′b1，V′b2}＜D，则DSP数据处理模块(7)计算飞行的偏移角θ′，
其中，D为多旋翼无人机(1)飞行安全距离的电场强度数值，不同电压等级的输电线飞行安全距离不同，D值不同。
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